杭高院物光学院冯衍、杨学宗团队基于非线性调控技术实现高功率单频金刚石拉曼激光输出

当提到金刚石您会想起什么呢？大家通常会联想到它作为钻石原石所承载的永恒的含义。然而，在物理学研究人员的眼中，单晶金刚石是一种性能优异的拉曼增益介质，金刚石拉曼激光是获得高功率、特殊波段连续波单频激光的重要技术手段。

国科大杭州高等研究院冯衍研究员、杨学宗副研究员团队及其他合作者，在线型驻波金刚石拉曼谐振腔中，通过引入二阶非线性晶体（LiB3O5，LBO）并调控其相位匹配，大幅提高单频金刚石拉曼激光的输出功率，实现连续波功率为20 W的单频1178 nm拉曼激光输出。该工作结合金刚石拉曼激光技术与光纤激光技术各自优势，为获得特殊波段高功率单频激光提供一种全新的可行方案。

相关研究内容以“High-power continuous-wave single-frequency diamond Raman laser at 1178 nm”为题发表在Applied Physics Letters上，并被选为当期的Editor’s Pick。

1.2 μm单频激光光源在诸多领域具有重要的研究和应用价值，包括生物医疗、遥感和通信等。这些应用要求单频激光的波长和线宽与特定原子或分子能级跃迁相耦合，或单频激光满足干涉传感器的相干性要求。

由于1.2 μm波段缺乏高效增益介质，获得该波段高功率激光输出极具挑战性。受激拉曼散射（SRS）是一种拓展激光波长的高效手段，相比其他非线性频率转换技术[如光学参量振荡器（OPO）、四波混频（FWM）等]，有着输出波长灵活和自相位匹配等优点。以石英光纤为增益物质的光纤拉曼激光器占有主导地位，目前已经实现了百瓦量级单频连续激光输出，但受限于光纤中的受激布里渊散射效应，功率提高较为困难。尽管离子键聚合拉曼晶体（如钨酸钙、钒酸钇、硝酸钡等）相比石英光纤有着更大的频移量和更高的拉曼增益系数，但严重的晶体热效应阻碍了其在高功率连续激光方向的发展。

单晶金刚石作为拉曼增益介质，具有拉曼增益系数大（10 cm/GW）、拉曼频移宽(1332.3 cm-1)、热导率高（2200 W/m・K）、通光范围广(>230 nm)等优势，在高功率单频连续波拉曼激光方面已取得重要突破，例如，金刚石拉曼激光器结合腔内倍频技术，实现38 W的单频620 nm红光、22 W的589 nm单频钠导星激光以及8 W的590~625 nm黄-红光波段可调谐的单频激光输出。因此金刚石拉曼激光是获得高功率、特殊波段连续波单频激光的重要技术手段。

研究团队基于单频金刚石拉曼激光技术及非线性纵模抑制技术，采用1018 nm宽光谱的掺镱光纤激光器作为泵浦源，在简单的驻波谐振腔中实现单频1178 nm近红外光波段激光输出，最高连续波输出功率为20 W，图1为单频金刚石拉曼激光装置示意图。

图1 单频1178 nm金刚石拉曼激光器结构示意图

拉曼增益谱线具有类似均匀加宽特性，当泵浦光光谱宽度小于金刚石拉曼增益线宽（45 GHz）时，拉曼光达到阈值后，增益峰值处的纵模优先振荡。在驻波谐振腔中，拉曼增益具有空间谐振增强效应，优先振荡纵模具有更高的拉曼增益，而且拉曼增益无空间烧孔效应，因此在驻波腔中可以实现单纵模拉曼激光输出。但是，随着功率提高，由于热致腔长浮动、泵浦弱谐振等因素的影响，拉曼激光的单纵模稳定性下降，易激发多纵模振荡。当拉曼谐振腔中插入二阶非线性晶体并满足一定的相位匹配时，晶体可以引入非线性纵模间增益竞争，大幅提高单纵模拉曼光的稳定性。

通过主动调控二次谐波晶体的相位匹配，在保证多纵模被有效抑制的情况下，减少二次谐波转化对基频光的损耗，可以实现高功率、单纵模基频拉曼光输出。在最高泵浦光功率为82 W时，获得输出功率为 20 W的1178 nm单纵模拉曼激光输出，转化效率为24%，斜率效率为38%。图2为拉曼光、倍频光、残余泵浦光功率随二次谐波晶体温度的变化及拉曼光的纵模特性。

图2 （a）倍频晶体温度调节过程中残余泵浦、拉曼光和倍频光功率变化；(b) 倍频晶体38 ℃和36 ℃下法布里-珀罗（F-P）扫描干涉仪测量的单纵模和多纵模Stokes光信号图（蓝色虚线为内置扫描电压信号，红色实线为输出信号）

最高82 W输出功率时的1018 nm泵浦光线宽为11.6 GHz，20 W拉曼光的中心波长为1178.1 nm，单纵模拉曼光线宽为67 MHz（F-P扫描干涉仪分辨率极限）。因此，多纵模泵浦光到单纵模拉曼光的功率光谱密度增强因子超过173。图3为泵浦光和拉曼光的光谱测试结果。

图3  (a)分辨率为0.03 nm光谱仪记录的泵浦光和拉曼光光谱；(b) 法布里-珀罗扫描干涉仪测量的拉曼光信号，插图为单个信号峰的放大，半峰全宽为67 MHz (测量分辨率极限)。

该研究基于驻波腔金刚石拉曼方案，通过引入非线性纵模增益竞争，以技术成熟的掺镱光纤激光器作为泵浦源，获得了功率高达20 W的1178 nm单频激光输出。这种全光纤的泵浦激光结合简单的驻波拉曼谐振腔结构，使得激光系统体积紧凑、稳定性高。

金刚石晶体拉曼频移大，相比于石英光纤拉曼，更易实现较长波段的激光输出。而且，单频金刚石拉曼激光器中受激布里渊散射可以通过优化谐振腔参数得到有效抑制。金刚石晶体具有超高的热导率和低热膨胀系数，高功率运行时，晶体热透镜效应较弱，因此金刚石拉曼激光技术为百瓦、千瓦级功率的单频激光器提供一种极具潜力的技术方案。

第一作者：孙玉祥，国科大杭州高等研究院与南京理工大学联合培养博士生，2019-2020年澳大利亚麦考瑞大学光子学研究中心访问学者，主要从事固体激光器、金刚石拉曼激光器、晶体热分析方面的研究。

通讯作者：杨学宗，国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院 “培育人才”、特聘副研究员。获得中国科学院上海光学精密机械研究所、澳大利亚麦考瑞大学，光学工程、物理与天文学双博士学位。主要从事高功率光纤激光、光纤拉曼激光、金刚石拉曼和布里渊激光、非线性频率转换技术领域的基础和应用研究。

原文链接：（点击“阅读原文”可查看）

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0107200