【固体拉曼激光器理论基础分析概述5000字】

固体拉曼激光器理论基础分析概述 1 1 3 41.1.3稳态和瞬态SRS 5 61.3拉曼激光器的时间和空间特性 71.4固体拉曼激光器的热透镜效应 8拉曼散射是一种非弹性散射，它分为斯托克斯散射(Stokes)和反斯托克斯散射(Anti-Stokes)。入射光子与介质中的分子之间存在非弹性作用，因此入射光子的能量一定会发生改变。如果分子的能量状态发生了改变，那么光子也一定会失去等效的能量。入射光与介质相互作用的过程中会伴随着声子能量的吸收和释放，这种能量的变化通常与散射光一同出现，根据能量守恒定律可知，该能量大小应该等于入射光能量与散射光能量的差值。图1.1(a)此时散射光的频率较入射光的频率低(Ws=①L-WR),则称其为斯托克斯散射，也就是能产生更长波长的光。图1.1 (b)此时散射光的频率较入射光的频率高(wAs=W+WR),则称其为反斯托克斯散射，能产生波长更短的光。由玻尔兹曼占据式中，x₁表示介质的线性极化率，X₂、X₃…表示介质的二阶极化率、三阶极化式(2-1)中的非线性极化项越来越重要。式中第一项表示了线性效应，例如光空中的传播速度，δ是狄拉克函数，n,表示斯托克斯光子数，N=N₀/V表示被化张量的正简波导数，它的平方正比于x₃的虚部。式(2-2)中括号内的三项[1+ns+n,]决定了斯托克斯光子的产生速率，首先自发拉曼散射随着斯托克斯光子的产生而产生(1所表示的项),其次存在着受激拉曼散射(由与ns成比例的项表示),最后是由于介质材料和斯托克斯光之间的参量耦合所产生斯托克斯光子(由与n,成比例的项表示)。一般n,很小可以忽当式(2-2)中，eL·es=1,也就是斯托克斯光子数n,和光子数n,都远远小于1时，表明极化方向与入射光方向平行，这时自发拉曼散射在拉曼介质内占据了主导地位。斯托克斯光的输出功率Ps可由式(2-3)表示，表明仅与斯托克斯光散射光相对于泵浦极化的方向和拉曼跃迁的对称性共同决定了散射光是否化方向垂直和平行时的散射光功率，在这两个方向上相对应的散射截面表示为1.1.2受激拉曼散射当式(2-2)中的n>1且n,》n,此时介质中的受激拉曼散射占据主导地位。假设e·es=1,也就是斯托克斯光的极化方向与入射光的方向平行。用式(2-7)表示入射泵浦光产生斯托克斯光的过程以及二者在拉曼介质中的传输变化，式(2-7)由式(2-2)转化为距离坐标后得到。我们可以发现斯托克斯光子数是以指数的形式增长的：式中8R表示拉曼增益系数。由于晶体中的拉曼转换线宽是均匀展宽且为洛伦兹线型。所以在拉曼转换与窄的光谱线宽相互作用之后的光谱分布可由式(2-9)表示：式中T为拉曼转换的线宽，它与退相时间、晶体振动模式和温度等有关。拉曼增益系数可以表示为：在光谱最中心处的增益系数表示如下：式中可以看出拉曼增益系数与频率有关，因此可以通过改变波长来预测拉曼增益系数的变化。同时增益系数反比于拉曼转换的线宽，正比于积分散射截面成。得更大的散射光频率のs、更窄的线宽和更大积分散射截面从而增加拉曼增益系通常情况下，在材料的透明区域，da/0q与波长毫无关系。由式(2-5)和 (2-11)可知拉曼增益系数正比于斯托克斯光的频率，与立体角相关的散射截面与ws成正比。早在1986年，W.K.Bischel等人[44就已经采用H₂作为拉曼介质证总所周知，材料对光场是有响应时间的，因此SRS可以从响应时间上分为稳态受激拉曼散射和瞬态受激拉曼散射。当泵浦光脉冲宽度tp》T₂(分子振动的驰豫时间，对于晶体T2约为10ps)时，称其为稳态受激拉曼散射。瞬态受激拉曼散射是指泵浦光脉冲宽度tp≤T₂,这里瞬态SRS下的有效增拉曼益系数比稳态SRS下的拉曼增益系数小了大约r,/T₂。两种拉曼散射增益系数的区别在于，瞬态SR稳态SRS条件下的大。在实际材料中稳态SRS的拉曼增益系数高，瞬态SRS的而稳态SRS则需要泵浦源为纳秒量级。1.2拉曼激光器的频率转换模型托克斯光和二阶斯托克斯光的损耗系数。I、I₃₁和I一阶斯托克斯光强度的表达式通常忽略了泵浦光损耗和吸收系数对稳态受1是拉曼介质的长度，在光还没有进入拉曼介质前，在拉曼介质前端表面处根据式(2-13)可以对拉曼激光器的性能进行模拟。当腔内的一阶斯托克斯以此类推，甚至有可能产生更高阶的斯托克斯光。这1.3拉曼激光器的时间和空间特性拉曼光具有净化光束的效果是众所周知的。但是，直到2000年，H.M.Pask在SRS的放大过程中会耗尽充当泵浦光的基频光，泵浦光的畸变不会转移到斯宽压缩特性。在2003年，V.L.Kalashnikov⁹1针对此现象进行了理论仿真，得出基频光脉冲和拉曼光脉冲都有可能通过控制可饱和吸收体的初始透过率和谐振腔的Q值从而被压缩。正好相反(上升沿陡峭下降沿平缓)。1.4固体拉曼激光器的热透镜效应SRS过程中产生的热量(由于量子缺陷)沉积在晶体和拉曼光的重叠区域， (在针对一阶斯托克斯光优化的激光系统中),因此忽略了在这些转换过程中产式中，w₁是一阶斯托克斯光的半径。拉曼晶体中产生的热量沉积在产生斯托克径向变化，这是三个不同过程的共同作用结果：温度变化引起的折射率变化 (