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新发现,金刚石激光有望实现高性能光学频率梳运转!

关键词 金刚石激光 , 光学频率梳运转|2022-03-23 08:59:10|技术信息|来源 Carbontech
摘要 近日,河北工业大学吕志伟教授课题组,在金刚石晶体中实现了中心波长1.2μm、频率间隔71GHz、频谱宽度1.55THz的布里渊梳状频率运转,稳态功率高达101W,该实验验证了金刚石...

近日,河北工业大学吕志伟教授课题组,在金刚石晶体中实现了中心波长1.2 μm、频率间隔71 GHz、频谱宽度1.55 THz的布里渊梳状频率运转,稳态功率高达101 W,该实验验证了金刚石晶体作为布里渊增益介质实现光学频率梳的可能性。成果以封底文章发表于《中国激光》,论文第一作者/通讯作者为白振旭教授。

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       光学频率梳是由频域中若干个等间隔的频率分量组合而成的光谱,可用于实现超高分辨率的距离、频率和时间的测量,它的出现推动了超精密计量和光谱学的革命性发展。在诸多应用领域,不仅需要光学频率梳具有等频率间隔的特点,同时也对其频率间隔提出了更高的要求,例如,在行星探测等空间应用中,往往需要光频梳的频率间隔在20 GHz以上,以满足对天文光谱仪的定标和分辨率需求。不仅如此,在远距离探测、遥感等领域,还需要光频梳具有高功率、高光束质量和特定波长输出的特性,以更好地满足在特定介质中的长程传输和检测。因此,开展具有符合特性的光学频率梳研究,对拓展其在遥感、空间和海洋探测等领域的应用具有重要的意义,也是当前激光技术领域研究的热点。

       受激布里渊散射(SBS)是一种基于光波场和声波场互作用增益机制的三阶非线性光学效应,对多数晶体材料的布里渊介质,其声子频率(>10 GHz)和高的时间相干特性(~MHz)使获得低噪声和窄线宽的激光输出、以及产生大频率间隔的光学频率梳成为了可能。但是目前关于布里渊频率梳的报道仅限于基于导波结构的CaF2、二氧化硅、硫系化合物等材料,输出功率通常仅有百mW量级。

       针对导波结构布里渊光频梳的技术瓶颈,河北工业大学吕志伟教授课题组率先提出以金刚石晶体作为增益介质、拉曼场作为媒介在空间光腔中激发SBS的方案。金刚石晶体具有高布里渊增益系数(~80 cm/GW)、极高的热导率(>2000 W/(m.K))和极宽的光谱透过范围(>0.2 μm),因此有望突破传统导波结构布里渊频率梳的功率和光谱极限,大幅度提升布里渊光学频率梳的性能。所采用的实验装置如图1所示,以长度为8 mm金刚石晶体作为增益介质,将泵浦光注入金刚石拉曼腔中,首先激发出具有较大频移的拉曼光;然后,通过腔内的拉曼激光作为新的泵浦源,激发金刚石晶体内部的声波场,产生SBS;最后,随着泵浦功率提升,在级联SBS和四波混频的共同作用下,产生若干阶次的频率差为确定关系的级联Stokes和反Stokes光,进而形成梳状频率的输出。

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       基于上述原理和装置,作者利用1 μm激光作为泵浦源,获得了中心波长为1.2 μm、梳齿间隔为71 GHz、频谱宽度为1.55 THz的布里渊频率梳输出,稳态功率高达101 W(图2)。该功率为已知布里渊频率梳的最高功率,相较于微腔结构提升了4个数量级以上。由图2中的插图可知,输出激光的光束质量相较于泵浦光得到了显著提升,即该装置在实现级联SBS运转的同时也发挥了拉曼和布里渊转换过程中优异的光束净化特性。

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       研究结果表明,以拉曼场作为媒介在空间光腔中激发级联SBS的金刚石激光器方案为实现光学频率梳运转提供了新的技术路径,也为进一步突破光学频率梳的功率和光谱极限指明了新的方向。

       团队负责人介绍:

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       吕志伟,教授,“长江学者”特聘教授,中国光学学会激光专业委员会副主任、中国电子学会工业工程分会副主任、国防科技创新团队带头人和教育部创新团队带头人。主要研究方向为高功率固体激光技术和非线性光学效应,主持完成国家重大专项项目、国家重大科技工程项目、国家863高技术项目、国家自然科学基金重点项目等科研项目50余项。研究工作获军队科技进步一等奖2项、黑龙江省自然科学奖一等奖1项。

第一作者/通讯作者介绍:

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       白振旭,教授,博士生导师,河北工业大学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。主要研究方向为高功率金刚石激光技术及应用,在APL Photon.、Opt. Lett.、Opt. Express等期刊发表论文70余篇,授权专利20余项。研究成果荣获国际光学工程学会Teddi Laurin奖、光学青年科学家竞赛Light “Rising Stars of Light”一等奖、河北省技术发明二等奖。


 

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