近红外政权CVD钻石晶体同轴多波长的研究

抽象的

使用3×3mm的自制CVD金刚石晶体中的光学性质和高阶刺激拉曼散射（SRS）产生²本文对孔径进行了研究。对高阶拉曼激光器进行了理论研究和实验验证。通过模拟不同泵浦强度和发散角下的Stokes分量，发现泵浦源与晶体尺寸匹配良好。采用1064 nm皮秒激光泵浦，首次获得了932 nm、1064 nm、1240 nm、1485 nm和1851 nm的共轴波长。为进一步研制光学级大口径金刚石晶体提供了参考。

1.介绍

作为实现多波长输出的常见方法，刺激的拉曼散射（SRS）在信息存储，多波长通信和多光谱感测中发挥了重要作用。钒酸盐（YVO）₄和GdVO₄)、钨酸(BaWO₄），硝酸盐（BA（没有_3.）₂)和碘酸盐(LiIO_3.)已用于生成SRS，以探索更宽的光谱范围[1- - - - - -4］．目前报道的拉曼激光光谱已经实现了从红外可见到紫外的覆盖，工作模式也从多纵模扩展到单频[5，6］．

除了上述传统的拉曼晶体外，近年来以金刚石为基础的拉曼激光器也受到了广泛关注，特别是随着化学气相沉积(CVD)技术的快速发展。CVD金刚石不仅具有硬度高、导热性好、透明范围广等固有特性，而且与天然金刚石相比具有更高的纯度和更低的缺陷[7］．目前，金刚石由于其大的拉曼频移、高的拉曼增益系数和极高的热导率，成为拉曼激光领域强有力的竞争对手[7，8］．作为研究金刚石拉曼性质的一个重要起点，在不同泵浦条件下的第一斯托克斯性质一直受到人们的关注。Jelinek等人报道了一种1632 nm激光器，该激光器由一纳秒1339 nm激光器泵浦[9］．Sabella等人报道了1240 nm激光泵浦1064 nm纳秒脉冲与外部谐振器[10］．通过1047nm Nd：YLF泵激光，通过Savitski等人实现了1217nm的连续波（CW）。［11］．Granados等人。报道275.7 nm，由4×4的266 nm picosecond激光器泵送^thNd: YVO的谐波₄激光 [12］．关于多波长的产生研究，Kaminskii等。展示了2004年1064 nm Picosecond激光器的一个斯托克斯和三个反斯托克零件的第一次试验检测[13］．2014年Lux等实现了近红外区域Stokes的最高阶，报道了多达3个Stokes分量[14］．随后，Sabella等人报道了一种输出波长从3.38调到3.80的金刚石拉曼激光器(DRL)μ.M，由光参量振荡器泵浦[15］．此外，由于SBS过程中的光束清洗效果和金刚石优异的热管理能力，DRLs也被用于提高光束的亮度，同时进行波长转换。Bai等在金刚石中实现了1240 nm一级和1485 nm二级拉曼转换，亮度增强因子分别达到12.7和6.0 [16，17］．

本文对国产CVD金刚石的光学特性进行了详细的研究。测试了样品的表面粗糙度、透射率等基本性能。本文从理论上和实验上研究了1064 nm皮秒激光泵浦金刚石激光器的五波长同轴输出，其中Stokes阶与世界上报道的最高阶相同。该结果为提高国产CVD金刚石的质量和利用其产生拉曼激光奠定了基础。

2.金刚石的光学性质

在本研究中，所使用的金刚石是由中科院宁波材料技术与工程研究所设计和生长的接头。CVD金刚石晶体的尺寸为3毫米× 3毫米× 6毫米，两面都经过抛光和未涂层。它被切割以沿<110>轴向发射。我们测量了近红外区域的表面粗糙度和透射率，结果如图所示1和表1．发现局部表面极不光滑，切割痕遍布。算法平均粗糙度和均方根粗糙度分别为3.099 nm和3.896 nm。样品表面不理想的主要原因是在研磨和抛光过程中技术不成熟。根据透射比计算衰减系数为0.588 cm⁻¹，远高于之前的报告(<0.1 cm)⁻¹) ［17，18］．吸收损耗越大，转换效率越低，特别是对于连续波泵浦拉曼振荡器。然而，它更适合于高峰值功率的短脉冲抽运。

3.理论分析

为了同时获得高阶拉曼散射，进行了初步模拟。从钻石失相开始T_R ≈ 4.2 ps [13]的脉冲宽度可与我们使用的皮秒泵浦源的脉冲宽度相媲美(τ._p≈30 ps)，下面的模拟是在瞬态状态下进行的，即金刚石的Stokes分量与泵能量有关τ._p我_p．泵浦激光器在金刚石中的分布、泵浦强度和不同波长的发散角是需要考虑的主要因素。假设将使用一个包含两个透镜的整形系统来将泵浦源与实验中的晶体匹配，在固定泵浦源半径为4mm的情况下，我们通过调整CVD金刚石前面的两个凸透镜(这里使用的是f300和f100)之间的距离，模拟了泵浦光在晶体不同位置的半径。结果如图所示2．随着距离的增大，泵浦光先发散，然后近似平行，然后逐渐变小。

基于以下等式计算CVD菱形中的Stokes组件： 在哪里我_Sn（n= 1, 2, 3，和4)和我_p是每个斯托克斯和泵浦源的每个秩序的强度。z为拉曼晶体中的传输距离。拉曼增益系数是多少我Th Stokes组件，它来自于 ，在哪里是拉曼增益系数和ω._如果和ω._p泵的频率和我分别th斯托克斯。当它传播距离时，斯托克斯强度将会增大z通过拉曼增益介质，以及增益系数与微分散射截面有关[19］．报道的钻石增益系数是15厘米/GW在1μ.m带(20.］．所以， ，和分别为12.87 cm/GW、10.75 cm/GW和8.62 cm/GW。α₀是消光系数，设定为0.1厘米⁻¹和0.588厘米⁻¹,分别。数字3.表明泵强度对高阶斯托克斯的产生具有显着影响。如果样品的消光系数太大，则斯托克斯组分的强度将减小。

然后，利用相位匹配条件和Sellmeier方程，计算出四个Stokes分量的发散角分别为2.294°、5.511°、8.257°和10.540°。基于上述理论分析,以确保所有生成的斯托克斯可以分光计检测到的,而不是被水晶的侧壁,抽运光在晶体的半径不应大于1.1毫米的泵能耗下20吉瓦/厘米²．这种情况对实现没有挑战，例如，只需稍微调整两个凸透镜之间的距离约400毫米。

4.实验设置与结果

实验原理如图所示4．二极管泵浦锁模Nd: YVO₄/YAG 1064 nm激光(PL2251A-10-SH, Ekspla公司)作为泵浦源用于拉曼发生器。泵浦脉冲持续时间为30 ps，重复频率为10 Hz。泵梁的直径为8毫米。以及光束质量因子米²是1.5。米为泵浦激光器设计了一个45°高反射镜。为了减小泵浦光束直径，采用了由两个焦距分别为300mm和100mm的凸透镜组成的光束整形系统。然后应用直径为1.1 mm的孔径，使泵浦光与晶体匹配，滤光杂散光。钻石被安装在一个铜支架上用于散热。为了控制样品的温度，使用温度为18°C的循环冷却水。输出激光的光谱由商用光谱仪(NIRQuest-256, Ocean Insight)检测，波长范围为850 ~ 2500 nm，分辨率为9.5 nm。

通过实验设置，通过将基本激光束聚焦到金刚石晶体中来产生SRS。当达到SRS阈值时，首先测量第一个辐射辐射为1240nm。随着泵电量的增加，连续观察到三个斯托克斯和一阶的抗斯托克斯组分。在最大泵强度为18.6 GW / cm的最大泵强度下测量输出频谱²如图所示5．表中汇总了相应的阈值2．模拟结果与输出频谱的特性几乎相同，可以应用于用于模拟拉曼发生器的可行参考。然而，在检测过程中发现了晶体中的点（光学击穿）。因此，CVD金刚石的损伤阈值接近18.6 gw / cm²，这意味着该样品符合在高功率下工作的要求。

结论

总之，通过测试和实验验证来评估自制CVD金刚石的光学质量。泵通过使用PICOSECOND激光，实现了具有五个光谱分量的输出（包括三个斯托克斯和一个防斯托克斯）。根据先前的报道，常用的光学级金刚石晶体的横截面约为4×1.2mm²［16，21];然而，在这里，一个3 × 3毫米²基于我们的生长技术的金刚石被用于SRS生成。光学测试结果表明，CVD金刚石的透光率和后处理精度仍有提高的空间。下一步将进一步提高金刚石纯度和CVD生长工艺，获得更大直径的光学级金刚石晶体，这对未来提高DRLs和布里渊激光器的输出功率具有重要价值[8，22，23］．

数据可用性

没有使用数据来支持这项研究。

披露

郝景杰和吕泽是共同第一作者。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

作者的贡献

郝景杰、吕泽对这部作品贡献良多。

致谢

本研究得到了中科院理化技术研究所重点实验室基金的资助。作者也感谢中科院宁波材料技术与工程研究所的支持(CVD金刚石生长)。

参考

1. A. A. Kaminskii, K. Ueda, H. J. Eichler et al.， "四方钒酸盐YVO₄和GdVO₄-有效χ（3）拉曼激光器的材料，“光学通信第194卷。1-3页，201 - 206,2001。查看：出版商的网站|谷歌学者
2. P. Černý， P. G. Zverev, H. Jelınková，和T. T. Basiev，“使用BaWO的皮秒脉冲的有效拉曼位移₄水晶，”光学通信第177期1-6，第397-404页，2000。查看：谷歌学者
3. P. G. Zverev, J. T. Murray, R. C. Powell, R. J. Reeves，和T. T. Basiev，“硝酸钡晶体中皮秒脉冲的受激拉曼散射”，光学通信第97卷第1期1-2, 59-64页，1993。查看：出版商的网站|谷歌学者
4. H. M. Pask和J. A. Piper，“二极管泵浦LiIO3腔内拉曼激光器”，IEEE量子电子学杂志，卷。36，不。8，pp。949-955,2000。查看：出版商的网站|谷歌学者
5. Q.盛，R.LI，A. J. Lee，D. J. Spence和H. M. Pask，“一个单频腔内拉曼激光”，“光学表达第27卷第2期6，第8540-8553页，2019。查看：出版商的网站|谷歌学者
6. acta photonica sinica, 2011, 39(5): 641 - 641 .沈强，李亚东，“激光腔内激光的波长调谐和功率增强”，光子学报，光学表达第26卷第2期24, pp. 32145-32155, 2018。查看：出版商的网站|谷歌学者
7. R.米德伦和J.拉波，金刚石光学工程，约翰威利和儿子，霍博肯，NJ，美国，2013。
8. J. Williams, O. Kitzler, Z. Bai et al， " High power diamond Raman激光器，"IEEE量子电子学专题期刊，卷。24，不。5，物品ID 1602214,2018。查看：出版商的网站|谷歌学者
9. M. Jelinek, O. Kitzler, H. Jelinkova, J. Sulc, M. Nemec，和V. Kubecek，“在1632 nm工作的CVD-diamond外部腔拉曼激光器”，in量子电子学会议论文集&激光与光电， 2011年9月，澳大利亚悉尼。查看：谷歌学者
10. A. Sabella, J. A. Piper, R. P. Mildren，“1240 nm金刚石拉曼激光器在量子极限附近工作”，光学信第35期23, pp. 3874-3876, 2010。查看：出版商的网站|谷歌学者
11. V. G. Savitski, I. Friel, J. E. Hastie, M. D. Dawson, D. Burns, and A. J. Kemp，“用于多瓦连续波拉曼激光器的单晶人造金刚石的特性”，IEEE量子电子学杂志，卷。48，没有。3，pp。328-337，2011。查看：谷歌学者
12. E.格拉纳多斯，D. J. Spence, R. P. Mildren，《深紫外线金刚石拉曼激光器》，光学表达第19卷第2期11, pp. 10857-10863, 2011。查看：出版商的网站|谷歌学者
13. A. A. Kaminskii, V. G. Ralchenko, V. I. Konov，“CVD-diamond中受激拉曼散射的观察”，实验和理论物理学报通讯，第80卷，第2期。4、2004年。查看：出版商的网站|谷歌学者
14. O. Lux, V. G. Ralchenko, A. P. Bolshakov等，“多倍频梳产生由χ(3)低温下CVD金刚石的非线性光学过程，"激光物理快报，卷。11，不。8，第2014号物品ID 086101,2014。查看：出版商的网站|谷歌学者
15. A. Sabella, J. A. Piper，和R. P. Mildren，“从338到380的连续可调谐输出的钻石拉曼激光器μ.米。”光学信，卷。39，没有。13，pp。4037-4040,2014。查看：出版商的网站|谷歌学者
16. acta photonica sinica, 2008, 39 (3): 372 - 372 . acta photonica sinica, 2008, 39(3): 372 - 372。光学信，卷。43，不。3，pp。563-566,2018。查看：出版商的网站|谷歌学者
17. Z. Bai, R. J. Williams, O. Kitzler, S. Sarang, D. J. Spence，和R. P. Mildren，“具有大亮度增强的15微米准连续级联金刚石拉曼激光器”，光学表达第26卷第2期第16页，19797-19803,2018。查看：出版商的网站|谷歌学者
18. 杨旭东，白志明，冯永明，“金刚石钠导星激光”，光学信第45卷第5期第7页，1898-1901,2020。查看：出版商的网站|谷歌学者
19. R. L. Sutherland，非线性光学手册， CRC出版社，Boca Raton，美国佛罗里达州，2003。
20. I. Friel，S.L.Geoghegan，D. J. Twitchen和G. Scarsbrook，“开发高质量的单晶钻石，用于新型激光应用”，SPIE-The International光学工程学会的诉讼程序， 2010年第7838卷。查看：谷歌学者
21. R. J. Williams, J. Nold, M. Strecker等，“金刚石中高功率光纤激光器的有效拉曼频率转换”，激光与光子学评论，第9卷，第5期。4, pp. 405-411, 2015。查看：出版商的网站|谷歌学者
22. 白志明，R. J. Williams, O. Kitzler等人，“可见光中的钻石布里渊激光”，APL光子学，第5卷，第5期。3、2020年第031301条。查看：出版商的网站|谷歌学者
23. S. Antipov, A. Sabella, R. J. Williams, O. Kitzler, D. J. Spence，和R. P. Mildren，“12千瓦准稳态金刚石拉曼激光器由一个米²= 15梁。”光学信，第44卷，第5期。10, pp. 2506-2509, 2019。查看：出版商的网站|谷歌学者

版权

版权所有©2021郝景杰等人。这是一篇发布在知识共享署名许可协议，允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，但必须正确引用原作。