可调谐激光器，顾名思义，是指输出波长可以在一定范围内连续改变的激光器。区别于光学参量振荡器（Optical parametric oscillation，OPO）等频率变换技术，在不考虑外界环境变化的情况下，可调谐激光器一般是通过选频技术在增益介质较宽的增益带内实现输出波长的连续改变。相比于OPO，可调谐激光器在输出性能方面具有一定的优势，但其缺点主要在于较为严重的热效应以及固定且带宽有限的激光增益带。由于介质固有增益带的存在，可调谐激光器不仅难以实现增益带以外的激光输出，而且即使是在增益带以内，较为明显的带内增益差异同样使得可调谐激光器难以在边带区域实现高效运转，这很大程度上限制了其在波长调谐方面的优势。因此，实现可调谐激光器在低增益波段的高效率运转，提高其低增益波段的输出性能，这无疑是具有重要研究意义的。
利用高效SRS过程实现钛宝石激光器长波低增益区输出性能改善
天津大学精仪学院激光与光电子研究所姚建铨院士团队展示了一种利用高阶非线性频率变换过程，实现固体可调谐激光器长波低增益波段性能改善的方法。以钛宝石激光器作为载体，通过高效受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）过程将钛宝石激光器的高增益波段频移至长波低增益波段，实现了钛宝石拉曼光在钛宝石激光器低增益波段的高性能输出。利用SRS过程将钛宝石激光器的高增益波段频移至长波低增益波段，实现了钛宝石拉曼光在钛宝石激光器低增益波段的高性能输出。当钛宝石基频光的波长在870-930 nm范围内调谐时，获得了大于2.5 W的930-1000 nm一阶斯托克斯光（Stokes）输出，其输出功率远高于钛宝石激光器直接产生该波段的输出功率。在42.1 W的532 nm最大泵浦功率下，获得了3.24 W的960 nm一阶Stokes光输出，光光转换效率7.7%。对应线宽为1 nm，脉冲宽度为5 ns，光束质量1.39。此外，在钛宝石固体拉曼激光器中首次观察到了一阶及二阶Stokes光的自锁模调制现象。
930-1000 nm高性能钛宝石内腔拉曼激光器的结构如图１所示。实验采用高重频532 nm脉冲绿光泵浦钛宝石激光器，利用双端泵浦及对称平平腔结构对激光器进行有效热管理，提高泵浦上限。在获得良好的钛宝石激光输出后，通过在激光器内插入拉曼晶体及45°反射镜，搭建基于复合腔结构的内腔拉曼激光器。通过合理的谐振腔设计确保钛宝石激光与其Stokes光产生良好的模式匹配，以实现高效率的Stokes光振荡。
可调谐激光器，顾名思义，是指输出波长可以在一定范围内连续改变的激光器。区别于光学参量振荡器（Optical parametric oscillation，OPO）等频率变换技术，在不考虑外界环境变化的情况下，可调谐激光器一般是通过选频技术在增益介质较宽的增益带内实现输出波长的连续改变。相比于OPO，可调谐激光器在输出性能方面具有一定的优势，但其缺点主要在于较为严重的热效应以及固定且带宽有限的激光增益带。由于介质固有增益带的存在，可调谐激光器不仅难以实现增益带以外的激光输出，而且即使是在增益带以内，较为明显的带内增益差异同样使得可调谐激光器难以在边带区域实现高效运转，这很大程度上限制了其在波长调谐方面的优势。因此，实现可调谐激光器在低增益波段的高效率运转，提高其低增益波段的输出性能，这无疑是具有重要研究意义的。
利用高效SRS过程实现钛宝石激光器长波低增益区输出性能改善
天津大学精仪学院激光与光电子研究所姚建铨院士团队展示了一种利用高阶非线性频率变换过程，实现固体可调谐激光器长波低增益波段性能改善的方法。以钛宝石激光器作为载体，通过高效受激拉曼散射（stimulated Raman scattering，SRS）过程将钛宝石激光器的高增益波段频移至长波低增益波段，实现了钛宝石拉曼光在钛宝石激光器低增益波段的高性能输出。利用SRS过程将钛宝石激光器的高增益波段频移至长波低增益波段，实现了钛宝石拉曼光在钛宝石激光器低增益波段的高性能输出。当钛宝石基频光的波长在870-930 nm范围内调谐时，获得了大于2.5 W的930-1000 nm一阶斯托克斯光（Stokes）输出，其输出功率远高于钛宝石激光器直接产生该波段的输出功率。在42.1 W的532 nm最大泵浦功率下，获得了3.24 W的960 nm一阶Stokes光输出，光光转换效率7.7%。对应线宽为1 nm，脉冲宽度为5 ns，光束质量1.39。此外，在钛宝石固体拉曼激光器中首次观察到了一阶及二阶Stokes光的自锁模调制现象。
930-1000 nm高性能钛宝石内腔拉曼激光器的结构如图１所示。实验采用高重频532 nm脉冲绿光泵浦钛宝石激光器，利用双端泵浦及对称平平腔结构对激光器进行有效热管理，提高泵浦上限。在获得良好的钛宝石激光输出后，通过在激光器内插入拉曼晶体及45°反射镜，搭建基于复合腔结构的内腔拉曼激光器。通过合理的谐振腔设计确保钛宝石激光与其Stokes光产生良好的模式匹配，以实现高效率的Stokes光振荡。
图1 930-1000 nm高性能钛宝石内腔拉曼激光器实验装置图
图2 （a）一阶Stokes及二阶Stokes光的功率曲线；（b）一阶Stokes光功率稳定性；（c）一阶Stokes光束质量；（d）二阶Stokes光束质量
固定钛宝石激光器振荡波长为894 nm，当泵浦功率为42.1 W时得到了最高为3.24 W的960 nm一阶Stokes光输出，光光转换效率为7.7%，一小时的功率稳定度RMS为1.08%，光束质量M2为1.39。由于输出镜的镀膜没有特殊设计，实验中有0.39 W的1036.5 nm二阶Stokes光伴随产生。
图3 (a)一阶Stokes脉冲（3.24 W）；(b)二阶Stokes脉冲（0.39 W）；(c)一阶Stokes脉冲（近阈值）的自锁模调制
实验中观察到一阶和二阶Stokes光脉冲均存在自锁模调制现象。相比于一阶Stokes光，二阶Stokes光脉冲的锁模调制深度更好，且二阶Stokes光脉冲的产生将会严重影响一阶Stokes光脉冲的调制深度。据我们所知，这是首次在钛宝石固体拉曼激光器中观察到了一阶及二阶Stokes光的自锁模调制现象。
图4 一阶stokes光与钛宝石激光器在900-1000 nm最大输出功率的对比
通过钛宝石振荡光波长的调谐，可以实现最大输出功率大于2.5 W的900-1000 nm一阶Stokes光输出（红色线）。其中，一阶Stokes光在920-1000 nm波段的输出功率远高于钛宝石激光器直接产生该波段的输出功率（绿色线），且一阶Stokes光在1000 nm处的最大输出功率相比于其他波长未有明显降低。通过优化腔镜镀膜，一阶Stokes光的波长有望得到进一步拓展。对应的二阶Stokes光的波长也可以延伸到钛宝石激光器的发射光谱之外，为钛宝石激光器的波长扩展提供一种新的潜在可能。
总结与展望
本研究展示了一种利用高效受激拉曼散射过程，实现钛宝石激光器长波低增益区输出性能改善的方法。研究结果充分表明，相比于钛宝石激光器，钛宝石拉曼光具有更好输出性能，完全有望替代钛宝石激光器在930-1180 nm长波低增益波段实现高性能的可调谐激光输出。该研究结果提供了一种固体可调谐激光器性能提升的新思路，同时为固体可调谐激光器的应用拓展奠定了基础，具有较为广阔的应用前景。
