金刚石拉曼激光器：输出功率的极限还有待探索
特定波长的单频窄线宽激光器在量子信息、相干探测、天文观测等领域具有十分重要的应用价值，然而诸多激光波长处于粒子数反转激光器发射谱线之外，因此需要通过非线性光学技术拓展波长。相较于倍频、和频以及光参量振荡的非线性频率变换，受激拉曼散射具有的自相位匹配特性是一种拓展激光波长的高效激光技术。拉曼激光器相较于粒子数反转激光器，其最为显著的特点之一是不存在能级粒子数积累过程、无增益空间烧孔效应，因此拉曼激光器具有固有的单纵模振荡优势，在简单的驻波谐振腔中也可实现单纵模激光输出。此外，当泵浦激光线宽远小于拉曼增益线宽时，泵浦光在光谱范围内能够被均匀消耗，由于增益饱和效应，除主振荡拉曼纵模模式外，其它相邻纵模模式无法达到振荡条件，因此可获得高效率泵浦转化和高功率单纵模拉曼激光输出。
目前，基于单晶金刚石优异的受激散射特性和热学特性，金刚石拉曼激光器在高功率单频激光领域具有很大的技术优势。然而，在实验中随着输出功率的提升，驻波金刚石拉曼谐振腔内拉曼激光通常会变成多纵模振荡，其单纵模输出功率仅为几瓦。尽管通过锁腔或者引入倍频晶体增加腔内模式竞争的方式可以实现单纵模金刚石拉曼激光的功率提升，但是造成拉曼固有单纵模振荡不稳定的原因尚不清晰，同时单纵模金刚石拉曼输出功率的极限有待探索。
自由运转的单频金刚石拉曼激光器：实现高输出功率的可行方案
根据课题组前期研究，推断造成这种单纵模不稳定现象的主要因素有两个：（1）驻波谐振腔内存在一定程度的泵浦谐振，这将导致腔内泵浦光功率的不稳定从而影响腔内拉曼模式的增益竞争；（2）腔内拉曼振荡易激发寄生受激布里渊散射振荡，进而振荡拉曼纵模能量被消耗，造成拉曼纵模间的增益竞争减小。
近日，中国科学院大学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，为验证上述两种因素对单纵模拉曼振荡的影响，在自由运转的V型驻波金刚石拉曼谐振腔中，抑制寄生布里渊振荡，实现了连续波功率为20.6 W的单频1240 nm拉曼激光输出，其光谱线宽为105 kHz。该工作证实了受激布里渊散射是影响单纵模金刚石拉曼激光器功率提升的关键因素，推动了高功率单频金刚石拉曼激光技术的发展。
该研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering2023年第6期文章（Yuxuan Liu, Chengjie Zhu, Yuxiang Sun, Richard P. Mildren, Zhenxu Bai, Baitao Zhang, Weibiao Chen, Dijun Chen, Muye Li, Xuezong Yang, Yan Feng. High-power free-running single-longitudinal-mode diamond Raman laser enabled by suppressing parasitic stimulated Brillouin scattering[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(6): 06000e72 ）。
团队首先在实验中采用V型驻波谐振腔的结构，如图1所示，相比线型驻波谐振腔结构，V型腔结构对泵浦光的透过率更高，因此可以大幅减弱腔内的泵浦谐振效应；其次，为了抑制寄生布里渊振荡，通过精确调节M3腔镜的位置改变谐振腔腔长，使低阶布里渊横模不能满足振荡条件，再通过将泵浦和拉曼的相互作用区域移动到金刚石晶体的边缘位置，由此金刚石晶体边缘作为光阑限制较高阶的布里渊模式振荡。
实验结果表明，通过V型腔结构和利用腔长调节、金刚石晶体边缘光阑效果，可大幅提高泵浦稳定性并高效抑制受激布里渊散射振荡。在自由运转的驻波金刚石拉曼谐振腔内，实现功率高达20.6 W的单纵模拉曼激光输出，其功率提升受限于泵浦光功率。
图1 自由运转单频金刚石拉曼激光器实验装置图
图2 （a）斯托克斯输出功率（红）和残余泵浦光（蓝）随泵浦光功率变化的功率曲线以及光斑形貌；（b）泵浦光与斯托克斯光1小时的功率稳定性
如图2所示，实验中当泵浦功率为69 W时得到了最高为20.6 W的1240 nm单频拉曼激光输出，斜率效率为51.3%，光光转换效率为30%，一小时的功率稳定度RMS为1.8%。采用长延时自外差干涉的方法精确测量单频金刚石拉曼激光的线宽，该测量装置的延迟纤长度是23 km。在最高输出功率下，拉曼激光光谱线宽的半高全宽为105 kHz，如图3所示。这是连续波单频金刚石拉曼激光器光谱线宽的首次精确测试。
图3 自由运转单频金刚石拉曼激光器最高功率时的拉曼激光光谱线宽
为探究寄生布里渊振荡对拉曼单纵模运转的影响，实验中通过精确调节M3腔镜的位置进而调节腔长，实现对寄生布里渊振荡的激发和抑制。通过光谱仪和F-P扫描干涉仪对输出波长和纵模结构进行分析，如图4所示。当初始腔长固定在282.17 mm时，拉曼中心波长为1239.6 nm，纵模结构为单纵模；当腔长缩短或加长14 μm时，距离拉曼中心波长约70 GHz的长波位置出现了受激布里渊散射，其强度比拉曼小约30 dB，此时的纵模结构变为多纵模运转。
图4随谐振腔腔长变化，输出激光的光谱与纵模特性
实验中使用波长计对泵浦和拉曼波长进行1小时的长期稳定性测试，如图5所示。由于自由运转的外腔金刚石拉曼谐振腔内没有任何的腔长锁定控制和选模器件，谐振腔对环境振动和温度变化具有一定程度的敏感性，所以单纵模拉曼激光会存在较明显的跳模现象。图中四个主要跳模模式的初始中心波长分别为1239.769 nm、1239.777 nm、1239.786 nm以及1230.791 nm，其相应频率间隔为2-3个谐振腔自由光谱范围，而非单个自由光谱范围。我们推测这是由于金刚石表面或其它光学腔镜之间形成的寄生标准具效应所导致的。从长时稳定性来看，拉曼波长有红移趋势，例如3号波长从最开始的1239.777 nm漂移到1239.791 nm，频率变化为2.73 GHz。
图5 最高功率时单纵模拉曼光及相应泵浦光的波长稳定性测试
通过精确调节谐振腔腔长并使用金刚石晶体边缘作为光阑，实现寄生布里渊振荡的抑制，同时通过V型折叠腔结构，大幅提高腔内泵浦光的稳定性。实验上实现了自由运转的单频金刚石拉曼激光输出，最高输出功率可达20.6 W，光转化效率达30%，光谱线宽为105 kHz。
以上研究结果证实了金刚石拉曼激光固有的单纵模振荡优势，并为高连续功率、kHz线宽、结构紧凑的单频激光器提供一种高效可行方案。
