河北工业大学先进激光技术研究中心的白振旭教授和吕志伟教授团队针对拉曼激光噪声抑制和线宽压缩这一关键技术难题，首次从实验和理论上揭示了腔模与拉曼增益匹配对于激光性能优化的重要作用规律，成功获得了相较于泵浦激光线宽压缩超过两倍的一阶1.2 μm和二阶1.5 μm的拉曼激光输出，并实现了高达三个数量级的拉曼激光全频段噪声抑制。这是关于级联金刚石拉曼激光噪声抑制与线宽压缩方面的首次报道，为高功率、高稳定性的拉曼激光器开发提供了重要技术支持。
该研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2024年第6期（Hui Chen, Zhongan Zhao, Wenqiang Fan, Yunpeng Cai, Boyuan Zhang, Jie Ding, Yaoyao Qi, Bingzheng Yan, Yulei Wang, Zhiwei Lu, and Zhenxu Bai, "High-power, ultra-low-noise cascaded diamond Raman lasers with spectrum compression," High Power Laser Sci. Eng. 12, 06000e82 (2024)）。
受激拉曼散射（stimulated Raman scattering, SRS）作为一种无空间烧孔效应且可实现波长高效转换的三阶非线性光学效应，是获得窄线宽、特殊波长激光输出的有效手段。得益于拉曼转换的级联转换和自相位匹配特点，可在单一谐振腔内获得多波长且高光束质量激光的同轴输出。金刚石晶体作为出色的拉曼晶体介质，其在实现窄线宽、多波长激光产生方面展现出巨大的优势。目前，国内外研究团队通过采用主动稳频、引入非线性损耗等方式实现了高功率的单频金刚石拉曼激光运转，但对金刚石拉曼激光输出线宽的测量和噪声特性研究仍是空白。因此，揭示制约金刚石拉曼激光输出线宽和频率稳定性的因素、探明如何实现有效的激光噪声抑制和线宽压缩是当前亟需突破的难题。
本工作主要围绕金刚石拉曼激光输出纵模特性和噪声特性展开研究，通过探究腔模与拉曼增益匹配的关系和调控技术，实现了单模运转下拉曼激光线宽相对于泵浦线宽压缩2倍以上，且噪声具有明显抑制效果的一阶和级联金刚石拉曼激光输出（实验装置如图1所示）。
图1 窄线宽级联金刚石拉曼激光器结构示意图
在实验中，首先使用 1064 nm 激光作为泵浦光，通过一阶和二阶拉曼转换分别获得了 1240 nm 和 1485 nm 的拉曼激光输出，并深入研究了 Stokes 光纵模特性随谐振腔长度周期性变化的规律。从图 2 可以看出，谐振腔长度的变化导致腔内不同纵模与拉曼增益中心的位置交替匹配，从而使得拉曼激光输出在单纵模和多纵模之间呈现出随腔长变化的周期性规律。这一现象为理解腔长对拉曼激光纵模动态的影响，以及优化频率稳定性提供了重要依据。
图2 不同腔长下的纵模输出特性
因此，作者在未引入主动稳频装置的情况下，通过主动调节腔长成功实现了在不同腔参数下稳定的单纵模一阶和二阶 Stokes 激光输出，连续稳定运行时间超过 10 分钟。通过线宽测量发现，在最高运转功率下，1240 nm 和 1485 nm 激光的线宽分别为 3.0 kHz 和 2.7 kHz，相较于泵浦光线宽实现了超过 2 倍的压缩。此外，对二阶 Stokes 光的噪声特性进行了测量（见图 3），由于拉曼转换的线宽压缩效应，二阶 Stokes 光在整个测量频段内的噪声特性均优于泵浦光，噪声性能提升高达 3 个数量级，其本征线宽达到3.6 Hz。
图3 二阶Stokes噪声与泵浦对比
本研究首次验证金刚石拉曼激光在噪声抑制方面的优越特性，通过将腔模与拉曼增益精确匹配，在无需引入主动稳频装置的情况下，成功实现了对级联金刚石拉曼激光窄线宽与噪声抑制的原创性探索。研究结果为解决传统拉曼激光器频率不稳定的问题提供了全新的技术思路，同时为金刚石激光器在精密测量、环境监测和生物医学等领域的实际应用奠定了重要的技术基础，具有广阔的应用前景和深远的学术意义。
作者团队简介
Team Introduction
河北工业大学博士研究生陈晖是该成果的主要完成人，团队负责人为校学术委员会主任兼先进激光技术研究中心主任吕志伟教授。该工作得到了国家自然科学基金、河北省杰出青年科学基金以及天津市自然科学基金的资助。近年来，河北工业大学先进激光技术研究中心在高功率金刚石激光技术领域开展了系统深入的研究，团队成员累计主持包括国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划。成果获军队科技进步一等奖、河北省技术发明二等奖、 “慧眼行动”装备大赛优胜奖等10余项科技奖励，以及国际光学工程学会个人奖、“Rising Stars of Light”一等奖等10余项学术奖励。
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