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      新發現,金剛石激光有望實現高性能光學頻率梳運轉!

      關鍵詞 金剛石激光 , 光學頻率梳運轉|2022-03-23 08:59:10|技術信息|來源 Carbontech
      摘要 近日,河北工業大學呂志偉教授課題組,在金剛石晶體中實現了中心波長1.2μm、頻率間隔71GHz、頻譜寬度1.55THz的布里淵梳狀頻率運轉,穩態功率高達101W,該實驗驗證了金剛石...

      近日,河北工業大學呂志偉教授課題組,在金剛石晶體中實現了中心波長1.2 μm、頻率間隔71 GHz、頻譜寬度1.55 THz的布里淵梳狀頻率運轉,穩態功率高達101 W,該實驗驗證了金剛石晶體作為布里淵增益介質實現光學頻率梳的可能性。成果以封底文章發表于《中國激光》,論文第一作者/通訊作者為白振旭教授。

      微信截圖_20220323085207.png

             光學頻率梳是由頻域中若干個等間隔的頻率分量組合而成的光譜,可用于實現超高分辨率的距離、頻率和時間的測量,它的出現推動了超精密計量和光譜學的革命性發展。在諸多應用領域,不僅需要光學頻率梳具有等頻率間隔的特點,同時也對其頻率間隔提出了更高的要求,例如,在行星探測等空間應用中,往往需要光頻梳的頻率間隔在20 GHz以上,以滿足對天文光譜儀的定標和分辨率需求。不僅如此,在遠距離探測、遙感等領域,還需要光頻梳具有高功率、高光束質量和特定波長輸出的特性,以更好地滿足在特定介質中的長程傳輸和檢測。因此,開展具有符合特性的光學頻率梳研究,對拓展其在遙感、空間和海洋探測等領域的應用具有重要的意義,也是當前激光技術領域研究的熱點。

             受激布里淵散射(SBS)是一種基于光波場和聲波場互作用增益機制的三階非線性光學效應,對多數晶體材料的布里淵介質,其聲子頻率(>10 GHz)和高的時間相干特性(~MHz)使獲得低噪聲和窄線寬的激光輸出、以及產生大頻率間隔的光學頻率梳成為了可能。但是目前關于布里淵頻率梳的報道僅限于基于導波結構的CaF2、二氧化硅、硫系化合物等材料,輸出功率通常僅有百mW量級。

             針對導波結構布里淵光頻梳的技術瓶頸,河北工業大學呂志偉教授課題組率先提出以金剛石晶體作為增益介質、拉曼場作為媒介在空間光腔中激發SBS的方案。金剛石晶體具有高布里淵增益系數(~80 cm/GW)、極高的熱導率(>2000 W/(m.K))和極寬的光譜透過范圍(>0.2 μm),因此有望突破傳統導波結構布里淵頻率梳的功率和光譜極限,大幅度提升布里淵光學頻率梳的性能。所采用的實驗裝置如圖1所示,以長度為8 mm金剛石晶體作為增益介質,將泵浦光注入金剛石拉曼腔中,首先激發出具有較大頻移的拉曼光;然后,通過腔內的拉曼激光作為新的泵浦源,激發金剛石晶體內部的聲波場,產生SBS;最后,隨著泵浦功率提升,在級聯SBS和四波混頻的共同作用下,產生若干階次的頻率差為確定關系的級聯Stokes和反Stokes光,進而形成梳狀頻率的輸出。

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             基于上述原理和裝置,作者利用1 μm激光作為泵浦源,獲得了中心波長為1.2 μm、梳齒間隔為71 GHz、頻譜寬度為1.55 THz的布里淵頻率梳輸出,穩態功率高達101 W(圖2)。該功率為已知布里淵頻率梳的最高功率,相較于微腔結構提升了4個數量級以上。由圖2中的插圖可知,輸出激光的光束質量相較于泵浦光得到了顯著提升,即該裝置在實現級聯SBS運轉的同時也發揮了拉曼和布里淵轉換過程中優異的光束凈化特性。

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             研究結果表明,以拉曼場作為媒介在空間光腔中激發級聯SBS的金剛石激光器方案為實現光學頻率梳運轉提供了新的技術路徑,也為進一步突破光學頻率梳的功率和光譜極限指明了新的方向。

             團隊負責人介紹:

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             呂志偉,教授,“長江學者”特聘教授,中國光學學會激光專業委員會副主任、中國電子學會工業工程分會副主任、國防科技創新團隊帶頭人和教育部創新團隊帶頭人。主要研究方向為高功率固體激光技術和非線性光學效應,主持完成國家重大專項項目、國家重大科技工程項目、國家863高技術項目、國家自然科學基金重點項目等科研項目50余項。研究工作獲軍隊科技進步一等獎2項、黑龍江省自然科學獎一等獎1項。

      第一作者/通訊作者介紹:

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             白振旭,教授,博士生導師,河北工業大學先進激光技術研究中心副主任、河北省先進激光技術與裝備重點實驗室副主任。主要研究方向為高功率金剛石激光技術及應用,在APL Photon.、Opt. Lett.、Opt. Express等期刊發表論文70余篇,授權專利20余項。研究成果榮獲國際光學工程學會Teddi Laurin獎、光學青年科學家競賽Light “Rising Stars of Light”一等獎、河北省技術發明二等獎。


       

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