单片金刚石拉曼激光器

单片金刚石拉曼激光器

摘要：本文对单片金刚石拉曼激光器进行了介绍，它利用一个13毫米的曲率半径晶体蚀刻在金刚石表面的介电反射镜涂层形成稳定的谐振腔。相比性能单片金刚石拉曼激光器在一个平面–平面腔工作，用一个532微米的（16微焦耳脉冲能量；1.5微秒脉冲时间；10KHz频率；面积小于1.5）Q开关激光器，在第一、第二、第三斯托克斯波长段（分别为573纳米，620纳米，676纳米）分别进行观察，发现在这几种情况下都可以观察到激光。微透镜腔实现了泵浦转换到总拉曼输出的效率为84%，且斜率效率也有88%，与平面谐振腔59%的转换效率和74%斜率效率做了对比。平面谐振腔和微透镜腔的总拉曼输出功率分别为134和96微瓦特。

关键字：激光器；Q开关激光器；拉曼激光器；电晶体激光器；脉冲激光器。

金刚石生长领域的最新进展，使得激光工程师们纷纷去探索这些材料的无可比拟的热力学特性和很高的拉曼增益系数。例如，高平均功率分布于连续波谱{3,4}到脉冲波谱{5,7}的金刚石拉曼激光器比较难以实现，但是从商业意义上说，它的发射光波长遍布紫外光到中红外光{8,9}。橙黄色光谱区域是眼科学应用领域的科学家们特别感兴趣的谱区。继而，可以产生一些简单、可靠、轻巧的橙黄光激光器。

在这篇报道中，展现了这种小巧、可靠的金刚石拉曼激光器的可行性，以及分析了它所表现出来的各种性能特性。用一个2毫米的由显微透镜体系形成的稳定的腔和一个1.6毫米的平面共振腔做了比较。尽管泵浦脉冲能量小于20微焦，但各自的59%和84%的转换效率还是可以达到的。这种转换效率比得上泵浦为毫焦耳级的传统金刚石拉曼激光器64%的转换效率。

通过使用碳元素化学气相沉积法合成单晶金刚石，这种单晶金刚石的双折射小于1 ×10−6，它的特定吸收系数小于0.005 cm−1,其用于平面共振腔的样品大小为3.6 mm × 2 mm × 1.6 mm，而用于显微透镜腔的样品大小为4 mm × 4 mm × 2 mm。

显微透镜体系被应用在后面的样品中，此体系采用多层抗回流工艺，随后用氯化氩刻蚀电感耦合等离子体而制成。选择氯化氩刻蚀而不选用氧化氩的原因在于显微透镜要制造一个大的曲率半径，而氯化氩更易于在金刚石和光刻胶之间进行刻蚀。一组8×8的球形显微透镜的直径接近400微米，曲率半径为13毫米，这组透镜被刻蚀于4mm×4mm的平面上。在显微透镜制造中，这是一个相对较大的曲率半径，通过抗回流工艺将金刚石制于其中。这种制造法提供了大的腔模式区，从而减少了透镜样品涂层损坏的风险。

金刚石的底面都涂布一层532纳米的高反射率膜，使得泵浦能量加倍，而另一部分反射在573纳米的第一次的拉曼频移波长上（70%反射率）。金刚石的前表面在泵浦波长范围内涂布一层高透射膜。

图1和图2 表明了这种被涂布的样品在实验装置中的实验结果。它们的泵浦源都是一个Q开关激光器发射的脉冲。这种脉冲长度是1.5纳米，泵浦频率是1KHz-10KHz。然而,可以观察到这种类似的转换效率是1KHz。

泵浦的减弱是用一个半波片和一个偏振片组合来实现的，再用一个50 毫米焦距透镜来聚焦。在显微透镜样品中，它的聚焦是通过金刚石底面的单个纤维透镜体系来实现的，结果发现半径为9微米的泵浦点比半径为18微米的泵浦点的特性要更好。半径为24微米的显微透镜腔有一个基谐模。泵浦光的传播沿金钢

石{110}方向，在显微透镜下会被偏振转为{100}方向传播。而在平面镜系统下，泵浦光在{100}方向传播，而被偏振转为{110}方向。

当泵浦脉冲能量在显微透镜系统下达到1.5微焦，在平面镜系统下达到3.7微焦时，这种装置就会形成532纳米绿光到573纳米黄光的拉曼转换。泵浦的能量应该在每个金刚石表面反射率为20%的情况下进行测量。在第二斯托克斯波长下，金刚石前表面反射率为40%，后表面反射率为50%，在这么高反射率的情况下，使得每次往返的输出耦合率高达80%。第二斯托克斯波长是泵浦能量最重要的一个部分，在显微透镜体系中可以达到59%的转换率，而在平面镜体系中可以达到25%的转换率。少量的第三斯托克斯辐射使得泵浦脉冲能量达到最大。(如图3a和图3b中红色圆环所示)当第二斯托克斯谱超过临界值时，就可在显微透镜谐振腔中观察到第一斯托克斯谱线。（如图3b中的绿色矩形所示）对于显微透镜腔来说，允许第二斯托克斯到有效的预定义的腔模式范围中提取能量。而平面镜腔的腔模式受到较低的限制，因此可能不太容易生成高效的斯托克斯带。这些力量传递函数曲线测定使用了一组校准的筛选器。测量620纳米处前后两个方向上的输出，后向辐射的能量只占了总能量的一小部分。第三斯托克斯后向发射输出难以被测量，因为反射二向色性使得泵浦能量要低于第三斯托克斯的临界值。

运用这种方法,在显微透镜腔下88%的拉曼输出（如图3a 黑色三角形实线所示）斜率效率，相当于把泵浦源84%能量与在16微焦的高泵浦脉冲（如图3a）下拉曼转换效率合并在了一起。平面谐振腔下，斜率效率为59%，转换效率为74%。高平均能量时，泵浦的大小为1.5×1.4。为了解决涂层的光损失问题，让第一斯托克斯、第二斯托克斯、第三斯托克斯的泵浦大小分别为3.6× 3，3.3× 2.8，2.7× 2.7。

在显微透镜腔和平面谐振腔中，第一斯托克斯发射在金刚石{110}方向上发生了极化，与预期的一样，产生了[3.14]的拉曼增益。当显微透镜上的金刚石被转动时，泵浦源被极化，就会沿着{111}方向传播。从理论上说，泵浦源沿着{111}方向传播，拉曼增益沿着{110}{3.14},此时拉曼激光器的阈值很小，所以拉曼激光器的输出功率也不会有显著变化。

表面涂层的破坏更易于在平面金刚石上观察到，由于样品在相同的运行方向上，这就使得平面系统中的金刚石更易受到损坏，质量更差。

在显微透镜体系中，第二斯托克斯脉冲持续时间为1.6纳秒，第三斯托克斯脉冲持续时间为0.9纳秒。而平面镜体系中，第二和第三斯托克斯脉冲持续时间分别为1.1和0.8纳秒。在显微透镜体系中，由于第二到第三斯托克斯的单一转换性，在给予最大泵浦源的情况下，认为的增加了第二斯托克斯的半最大值全波。

在平面镜体系下观察拉曼激光的振荡，透镜由于暖流会变得很脆弱，此时增益在横模的行成中就起着重要的作用。而之后的实验，就需要观察在显微透镜体系下，增益的引导作用是怎么样的。

在提供高能量泵浦的平面谐振腔体系中，处于第一斯托克斯的输出光束中可以观察到明显的衍射图案。而这可能是横模和空间变化的泵浦能量消耗相互作用的结果，就显微透镜腔而言，衍射模式更不显著(如图6（b)所示)，这很可能是由于显微透镜稳固了横模导致的。这些实验结果的详细分析将成为我们未来工作的主题。

这个论证强调了第一、第二、第三、斯托克斯波长的辐射可以利用单片金刚石拉曼激光器轻松实现。然而，只要黄色光波输出有需要，对于更高的斯托克斯