近日，河北工业大学吕志伟教授团队通过可见光泵浦级联金刚石拉曼振荡器，直接实现了跨越一阶拉曼频移获得了三波长红光拉曼激光输出。该成果以封面文章的形式，发表于中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》，论文通讯作者为白振旭教授。

背景

红光激光器在激光显示、全息存储以及医疗领域有着重要应用。受限于传统增益介质有限的辐射光谱范围，直接实现多波长输出具有一定困难。目前，将反转粒子增益介质发射谱的多个发射峰与二阶非线性效应相结合是产生多波长红光输出的有效方式。但是，由于用于倍频产生红光的基频光波长并不是常见固体增益介质的最强发射峰，最终获得红光的转换效率较低。因此，探索一种新的技术手段来实现高效的多波长红光输出成为了人们研究的热点。

受激拉曼散射（SRS）作为一种三阶非线性效应，是一种实现波长变换的有效手段，同时SRS具有自动相位匹配、光束净化以及无空间烧孔等特性，并且理论上基于拉曼转换可以获得拉曼增益介质透过范围内任意波长的拉曼激光输出。相较于传统的拉曼介质，金刚石晶体具有极宽的光谱透过范围、超高热导率、高拉曼增益系数和已知晶体中最大的拉曼频移，这使得金刚石晶体在获得高功率、宽波段激光输出方面具有重大优势。尤其是利用常见且成熟的532 nm激光器泵浦金刚石晶体，有望在实现高效、高能量、高光束质量的多波长红光激光输出方面展现强大的优势。目前围绕532 nm泵浦的一阶和级联的金刚石拉曼转换已有报道，但是如何有效跨过黄橙光波段，直接实现单一和多波长红光波段输出，至今尚无研究。

金刚石拉曼转换实现多波长红光输出

为了探索“跨频率”的阶次可控级联拉曼转换输出，所采用的整体的实验装置如图1所示，泵浦源为自搭建的倍频532 nm绿光脉冲激光器，金刚石拉曼振荡器采用外部直接泵浦的平凹腔结构，通过对腔镜的镀膜实现了将一阶Stokes黄橙光（573 nm）锁定在振荡器中，红光波段的二阶、三阶和四阶（620、676和743 nm）级联拉曼激光的谐振输出。

图1 多波长红光金刚石拉曼激光器实验结装置图

对入射拉曼腔的532 nm泵浦光和最大泵浦能量下输出的各阶Stokes光的时域波形进行了测量，结果如图2所示，其脉宽依次为11.43 ns、10.41 ns、3.75 ns、2.45 ns。根据测得的单脉冲能量可以计算得到产生的620、676和743 nm三阶红光的峰值功率分别为12.5 kW、40.8 kW和17.4 kW。可以看出，相对泵浦光脉宽而言，随着拉曼阶次的增加，其脉冲压缩效果依次增加。当腔内低阶Stokes光的能量密度达到高阶Stokes光的阈值时，高阶 Stokes光会耗尽低阶Stokes光的能量，由此导致低阶Stokes光在波形上会出现中心高强度部分被耗尽，进而产生一个非常窄的前沿尖峰和一个后沿平台脉冲的现象，其中620 nm脉冲波形中的前沿尖峰在百皮秒量级。

图2 脉冲波形及光斑：（a） 泵浦光；（b） 二阶 Stokes 光；（c） 三阶 Stokes 光；（d） 四阶 Stokes 光

前景与展望

研究成果证明，基于级联振荡器的方案能够直接实现多波长激光的同轴输出，该特性使其在光电对抗、雷达探测等应用中拥有显著优势，尤其是凭借极高的拉曼增益系数以及优良的光热性质，以金刚石晶体作为拉曼增益介质的可见光泵浦拉曼激光器，在实现高效的全固态小型化多波长高功率激光器方面具有巨大潜力。

通讯作者简介

白振旭，河北工业大学教授、博士生导师、先进激光技术研究中心副主任、河北省先进激光技术与装备重点实验室副主任、研究生院副院长（挂职）。担任中国光学光电子行业协会激光应用分会青年委员、天津市激光技术学会常务理事，以及《光电技术应用》、《红外与激光工程》、《中国激光》、《应用光学》等期刊青年编委。长期从事高功率金刚石激光技术研究，入选全球前2%顶尖科学家榜单。

团队简介

河北工业大学先进激光技术研究中心成立于2018年，以吕志伟教授为学术带头人，团队致力于高功率激光技术和应用的研究，2020年以中心作为依托单位获批河北省先进激光技术与装备重点实验室。中心现拥有包括国家级、省级人才计划入选者在内的教师22人，在读博士和硕士研究生140余人。中心成立至今，团队成员承担包括国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国防科技173、装备发展部领域基金在内的国家级项目20余项，河北省和天津市自然科学基金重点项目、军民融合重点项目等省部级项目40余项，以及中电科集团、华为技术有限公司等企业委托项目40余项。成果荣获中央军委军队科技进步一等奖、航空航天工业部科技进步奖二等奖、河北省技术发明二等奖等。