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厦门大学董俊课题组Annalen der Physik：宽带瓣状拉曼激光

时间：2022-02-10 12:16:04 来源： AdvancedScienceNews

厦门大学激光与应用光子学实验室（LLAP）董俊教授课题组以掺镱钇铝石榴石（Yb：YAG）和钒酸钇（YVO4）作为激光增益介质和拉曼增益介质，在环形光泵浦的拉曼微片激光器中实现了角向系数可控的、具有宽带多纵模特性和高光束质量的瓣状拉盖尔高斯模式拉曼激光输出。

图1：瓣状LG 0，n 模式拉曼微片激光器示意图。M1表示后腔镜，M2表示前腔镜，Δz表示环形泵浦光聚焦焦点与M1之间的相对偏移量，L和L R 分别表示Yb：YAG晶体和YVO 4 晶体的厚度。

厦门大学董俊课题组Annalen der Physik：宽带瓣状拉曼激光

图2：瓣状LG 0，n 模式Yb：YAG／YVO 4 拉曼微片激光器在不同入射泵浦功率下的输出激光光谱特性。

厦门大学董俊课题组Annalen der Physik：宽带瓣状拉曼激光

图3：瓣状LG 0，n 模式拉曼微片激光器在不同入射泵浦功率下输出的激光光斑图样：（a） Pin＝2 W，（b） Pin＝2．3 W，（c） Pin＝3 W，（d） Pin＝5．2 W，（e） Pin＝6 W，（f） Pin＝6．7 W，（g） Pin＝7．3 W，（h） Pin＝7．7 W，（i） Pin＝8．3 W，（a1）－（i1）为对应的理论模拟激光光斑图样。

近年来，基于相干态激光模式、涡旋激光等复杂激光模式的研究热潮，空间光场调控已然成为前沿研究热点。具有广泛应用需求的高阶瓣状拉盖尔高斯模式（LG p，n ）激光亦属于空间光场调控这一领域研究热点之一，其在微粒和生物细胞操控、凝聚态物理、建立三维空间光场调控、自由空间光通信、紧聚焦以及激光束自修复等应用上具有极其重要的意义。通过常规方式产生阶数可控的、径向系数为零的高阶瓣状LG 0，n 模式一般需要空间光调制器、衍射光学元件等附加器件，既增加了系统的复杂性又降低了激光器的效率和稳定性。同时，由于所采用的激光增益介质的荧光光谱通常较窄，不利于改变或拓宽瓣状LG 0，n 模式激光的光谱。为克服上述困难，在一个激光器中同时实现模式阶数可控、具有宽带多纵模特性的高阶瓣状LG 0，n 模式拉曼激光输出是一项具有挑战性的研究。

厦门大学激光与应用光子学实验室董俊教授课题组在环形光泵浦的Yb：YAG／YVO 4 拉曼微片激光器中实现了模式可控的、具有宽带多纵模特性和高光束质量的高阶瓣状LG 0，n 模式拉曼激光输出。入射泵浦功率的提高使得更高阶模式具备起振的可能，从而实现了具有最佳模式匹配的瓣状LG 0，n 模式拉曼激光输出。研究人员根据基频光和拉曼光的模式匹配理论对此进行了分析，证明了结果的可靠性。相关结果发表在 Annalen der Physik 上。

在环形光泵浦的Yb：YAG／YVO 4 拉曼微片激光器中，输出激光模式的角向系数随着入射泵浦功率的提高而递增式增加，在激光阈值处角向系数n＝3。当入射泵浦光功率超过某一LG 0，n 模式瓣状激光的阈值时，LG 0，n 模式瓣状激光的模式阶数n随之增加，并且在相应的泵浦光功率范围内保持稳定的运行。3～5阶瓣状LG 0，n 模式激光呈现1050 nm基频光光谱；6阶瓣状LG 0，n 模式激光为基频光和拉曼光双波长输出；7～11阶瓣状LG 0，n 模式激光是完全的拉曼激光运转。不同阶数瓣状LG 0，n 模式激光的激光光谱宽度和纵模个数随入射泵浦功率的提高而增加。各模式激光的光束质量因子均接近理论极限，表明输出激光具有优异的光束质量。在最大入射泵浦功率Pin＝8．3 W下，高阶瓣状LG 0，11 模式拉曼激光的光谱范围为1075．4～1088．7 nm，光谱宽度为13．3 nm，包含有44个等间距的纵模。此时，拉曼光的输出功率为126 mW，对应的光光转换效率为1．5％。该研究成果为实现模式可控、波长可调、小型化、高效率的高阶瓣状LG 0，n 模式激光器提供了可靠的实现方案，在微粒或生物分子操控领域具有极大的应用潜力。

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