1064 nm Nd∶YAG激光抽运二氧化碳气体中的受激拉曼散射 下载: 1213次
1 引言
激光变频技术可以实现激光波长的转换,拓展激光的应用范围。变频技术主要有晶体变频、染料溶液变频和受激拉曼变频等方法。相比于晶体材料的倍频、合频、差频和液体染料变频,受激拉曼变频有不可替代的优势,特别是气体介质的受激拉曼变频可以承受高能量基频激光,定标放大性好[1],并且其波长变换的跨度大,可以将激光波长拓展到中红外甚至远红外波段[2],因此受激拉曼散射是一种重要的变频方法。
受激拉曼散射是介质分子振动或转动引起的一种非弹性散射,抽运光与拉曼光的频率差等于分子拉曼活性的振动或转动频率。受激拉曼散射具有阈值性、方向性、单色性等特点,并且可以用作受激拉曼变频的介质种类比较丰富,不同的拉曼介质能够产生不同波长的散射光,极大地丰富了输出波长的种类。受激拉曼散射技术还可以与倍频、合频等频率变换技术相结合,实现紫外到近红外波段更多种类的波长输出。因此,受激拉曼作为一种实用的变频方法,已成为目前激光变频领域的研究热点之一,并取得了很多成果。例如,花晓清等[3]、冷静等[4]采用脉冲二倍频和三倍频Nd∶YAG激光,在宽带和窄带模式下对甲烷、氢气和氧气中的受激拉曼散射进行了研究,氢气前向一级斯托克斯光的量子转换效率达到83%,后向受激拉曼光的量子转换效率达到64.7%。Mayor等[5-6]和Spuler等[7]从2003年开始一直从事1064 nm Nd∶YAG激光抽运甲烷气体的受激拉曼散射研究,拉曼波长为1.5 μm,是人眼安全波长;目前他们已将拉曼变频技术成功地应用到激光雷达中,并且取得了良好的效果。近几年,气体受激拉曼原理与光纤技术的结合也为高效气体受激拉曼转换提供了一条有效途径。2016年,顾博等[8]利用1064 nm脉冲激光器抽运一段充高压氢气的空芯光纤,获得了波长分别为737.6,564.2,457.1 nm的一阶、二阶、三阶振动反斯托克斯激光输出。2017年,陈育斌等[9]将波长为1.5 μm的可调谐连续单频分布反馈激光注入到充有乙烷气体的空芯光纤中作为种子光,得到拉曼光-光转换效率的最大值为47.5 %,相应的量子效率为70%。
目前受激拉曼散射研究主要采用受激拉曼增益系数大的介质,例如甲烷、氢气[5,10],而关于二氧化碳、氮气等受激拉曼增益系数较小的气体的相关研究报道比较少,主要以短波长激光作为抽运光。例如:1995年,Bisson[11]使用KrF激光器抽运氮气和氦气混合气体获得了248~263 nm的激光,该激光因位于太阳光谱盲区而被应用于气象雷达;2007年,Nakazato等[12]使用Nd∶YAG激光器发射的激光的四倍频激光(能量为91 mJ,波长为266 nm)抽运0.7 MPa的二氧化碳气体,产生了能量为13 mJ、波长分别为276 nm和287 nm以及能量为5 mJ、波长为299 nm的拉曼光。虽然1064 nm激光抽运的二氧化碳拉曼增益系数较小,不容易实现高效的拉曼转换,但是其一阶受激拉曼产生的激光波长为1248 nm,该波段激光具有较强的大气穿透能力,不易受雨、雪、雾、霾等恶劣天气的影响,同时1248 nm激光在湍流大气中具有优良的传输特性。因此,在激光通信、遥感、测绘监控等领域广泛应用。牛晔等[13]关于短波长激光大气传输光谱的研究表明,1248 nm激光在大气中的透射率接近80%,优于1064 nm激光的透射率。此外,二氧化碳作为拉曼活性介质还有其独特的优点:1)物理化学性质稳定;2)价格便宜;3)振动拉曼频移为1388 cm-1,相对于其他气体,拉曼频移比较小,有利于产生频率梳。当抽运激光波长为1064 nm时,能够产生一级斯托克斯光S1(1248 nm)、二级斯托克斯光S2(1510 nm)和一级反斯托克斯光AS1(927 nm)。因此,利用1064 nm激光抽运高压二氧化碳产生的拉曼激光可以作为优异的1248 nm光源。
本文采用1064 nm激光为抽运光源,研究了二氧化碳气体中的受激拉曼散射,考察了激光量子转换效率与聚焦透镜焦距之间的关系,优化了二氧化碳的气压,以提高拉曼转化率,为以后的实验设计提供依据。
2 实验方案
实验装置主要由抽运源和拉曼池组成,如
抽运光光束经过第1组半波片与偏振分束立方体的组合体,之后再经过高反镜M1(HR@1064 nm,反射率大于99.9%)反射进入第2组半波片与偏振分束立方体的组合。半波片和偏振分束立方体组合的作用是实现抽运光能量大小的连续调节,两组组合可以有效提高调节精度。调节后的光束依次经过高反镜M2、佩林-布洛卡棱镜1和高反镜M3折反,经过光隔离器(由1个偏振分束立方体和1个1/4波片组成)和聚焦透镜L1(后续用焦距为-100 mm和150 mm的透镜组替换该单透镜)后进入拉曼池,L1的焦点位于拉曼池的中心。佩林-布洛卡棱镜1的作用是改变激光传播方向90°,并防止后向拉曼激光按原路返回到激光器中;光隔离器用于隔离实验中产生的后向受激布里渊光。抽运光在拉曼池中产生受激拉曼散射和四波混频效应,生成的光通过第2块佩林-布洛卡棱镜分光,分光之后用烧斑纸确定各级斯托克斯光的位置,如
图 1. 二氧化碳气体中的受激拉曼散射实验装置
Fig. 1. Experimental setup of stimulated Raman scattering in CO2 gas
图 2. 不同级别的斯托克斯光和剩余抽运激光在相纸上的烧斑图
Fig. 2. Burn spots of Stokes light and residual pump laser with different orders in photographic paper
3 结果与讨论
3.1 不同气压时各级斯托克斯光的光子转换效率随抽运能量的变化
在聚焦透镜L1的焦距
图 3. 焦距为1.0 m和不同气压下,AS1、S0、S1、S2光子转化率随抽运能量的变化。(a) 4 MPa;(b) 3 MPa;(c) 2 MPa;(d) 1 MPa
Fig. 3. Photon conversion efficiency of Stokes light AS1, S0, S1, S2 as function of pump energy under the conditions of focal length of 1.0 m and different gas pressures. (a) 4 MPa; (b) 3 MPa; (c) 2 MPa; (d) 1 MPa
当气压为1,2 MPa时,S2和AS1的能量很微弱,难以测到,因此只采集S0和S1的实验数据。当气压为3,4 MPa时,四波混频先为S2提供种子光,然后通过受激拉曼级联效应产生S2激光转换,随着抽运能量增大,S2转换效率逐渐提升。四波混频的强度为
式中
AS1只能由四波混频作用产生。在实验中发现,在相对高的气压条件下,AS1可以被能量计测量到,但随着气压减小,虽然能观测到AS1以及多级反斯托克斯光,但AS1的能量已经微弱到能量探头测量不到的范围。根据(1)式可知,气压的减小会导致四波混频效率降低,因此产生的AS1能量比较微弱。
3.2 不同焦距时S1的光子转换效率随气压的变化
根据3.1节对实验结果的分析,通过改变聚焦透镜的焦距和气压来研究S1的转换效率。采用的抽运激光的单脉冲能量为250 mJ,焦距
图 4. 不同焦距时S1转换效率随气压的变化
Fig. 4. Photon conversion efficiency of S1 as function of pressure with different focal lengths
当
式中
3.3 不同焦距时S1光子转换效率实验与理论结果的对比
抽运激光与二氧化碳气体相互作用会发生受激拉曼散射,该过程的稳态动力学方程[14]为
式中
1) 避开高级斯托克斯光的影响,只模拟拉曼活性介质在1 MPa条件下的实验结果。
2) 近场光采用几何光学近似,光强
式中
3) 焦深附近的光强[15]近似为
式中
4) 入射光强
5) 实验参数取
6) 受激拉曼产生的S1和抽运光的发散角不同,故而其有效的共同作用体积需要一个修正参数,该参数可采用蒙特卡罗方法根据1.17 m焦距对应的转化率计算获得。
表 1. 模拟参数
Table 1. Simulation parameters
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图 5. 1 MPa条件下模拟及实验获得的S1量子转换效率随焦距的变化关系
Fig. 5. Photon conversion efficiency of S1 as function of focal length in simulation and experiment at 1 MPa
模拟结果如
3.4 最适气压下S1光子转换效率随抽运能量的变化
根据3.2节中对聚焦透镜焦距及气压对S1转换效率的影响可知,当单个透镜焦距
图 6. 最适气压1.3 MPa和最适焦距1.5 m 条件下S1光子转换效率随抽运能量的变化
Fig. 6. Photon conversion efficiency of S1 as function of pump energy at optimum pressure (1.3 MPa) and optimum focal length (1.5 m)
4 结论
采用高纯二氧化碳气体作为拉曼介质,获得了波长为1248 nm的拉曼激光,并分析了聚焦透镜的焦距和拉曼池中气压对斯托克斯光转换效率的影响。研究表明:高气压的拉曼活性介质有利于获得高级斯托克斯光;在光束质量和增益介质确定的条件下,随着聚焦焦距增大,S1的转换效率先增加后降低,选取合适的焦距有利于提高受激拉曼转化效率。
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李仲慧, 刘栋, 蔡向龙, 张莹莹, 王颜超, 王鹏远, 陈莹, 刘金波, 胡墅, 李慧, 郭敬为. 1064 nm Nd∶YAG激光抽运二氧化碳气体中的受激拉曼散射[J]. 中国激光, 2018, 45(3): 0308001. Li Zhonghui, Liu Dong, Cai Xianglong, Zhang Yingying, Wang Yanchao, Wang Pengyuan, Chen Ying, Liu Jinbo, Hu Shu, Li Hui, Guo Jingwei. Stimulated Raman Scattering in Carbon Dioxide Gas Pumped by Nd∶YAG Laser at 1064 nm[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(3): 0308001.