受激拉曼散射實(shí)驗(yàn)的研究

趙崎策，陶宗慧，夏 騰，杜 丹，王琳楠

(長春中國光學(xué)科學(xué)技術(shù)館，長春130117)

光在通過介質(zhì)的時候，會有一部分的能量偏離原來的傳播方向而向空間的其他方向彌散開來，我們把這種現(xiàn)象稱之為散射。

1928年，印度物理學(xué)家拉曼(C.V.Raman)和克利希南(K.S.Krishnan)在研究液體苯對光的散射時候，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了這種散射，所以稱它為拉曼散射。受激拉曼散射效應(yīng)的出現(xiàn)，不僅豐富了受激發(fā)射的波長，而且開拓了強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用新的領(lǐng)域。從基礎(chǔ)研究的角度來看，SRS效應(yīng)的出現(xiàn)不僅促進(jìn)了已有的拉曼散射技術(shù)的新發(fā)展，而且擴(kuò)展了產(chǎn)生強(qiáng)相干光輻射的基本物理機(jī)制。目前，受激拉曼散射是產(chǎn)生可調(diào)諧激光輻射的有效方法之一［1，2］。

1 受激拉曼散射

受激拉曼散射與自發(fā)拉曼散射相比有以下幾點(diǎn)特性［3］:

第一，受激拉曼散射有明顯的閾值性。只有當(dāng)入射的激光光強(qiáng)超過一定值以后，受激拉曼散射才會發(fā)生。而不論入射光強(qiáng)如何，自發(fā)拉曼散射總是能發(fā)生。

第二，受激拉曼散射光的方向性很好。當(dāng)入射的激光光強(qiáng)超過了激勵閾值以后，拉曼散射的光束空間發(fā)散角顯著變小，一般是可以達(dá)到和入射激光相接近的發(fā)散角。一階斯托克斯輻射的發(fā)散角約為1o～2 o，并且受激拉曼的散射光主要發(fā)生在前向和后向，而自發(fā)拉曼散射光方向性不明顯。

第三，受激拉曼散射光的強(qiáng)度很高。它的光強(qiáng)可以達(dá)到與入射激光光強(qiáng)或功率密度相比擬的程度。在一般的情況下，入射光向拉曼散射光的能量轉(zhuǎn)換效率為25%。當(dāng)入射光的強(qiáng)度達(dá)到閾值后，拉曼散射光甚至隨入射功率的增加而成指數(shù)倍的增長。

第四，受激拉曼散射光具有高階散射性。在加強(qiáng)入射光的光強(qiáng)或增加介質(zhì)長度時，便可出現(xiàn)高階散射光［4，5］。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)一:一級放大1064 nm激光實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所采用的是退壓式電光調(diào)Q方式，室溫時，電光晶體的關(guān)門電壓為946 V，合適晶壓為3460 V。未加放大級測得的1064 nm激光的輸出能量，如表1所示。

表1 1064 nm輸出能量隨注入能量的變化Tab.1 1064 nm output energy changes with the implantation energy

實(shí)驗(yàn)中所用的電源的儲能電容為C=100 μF，電源注入能量的計(jì)算公式為E=1/2*C*V2，其中V為電源注入電壓。在本振級注入能量一定時，依次加大放大級的注入能量，測得的1064 nm激光的輸出能量如表2所示。

表2 輸出1064 nm激光的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of output 1064 nm laser

2.2 實(shí)驗(yàn)二:以LBO為三混頻晶體的BN晶體受激拉曼散射的實(shí)驗(yàn)

第一，用LBO作為三混頻晶體，由于考慮到LBO的尺寸很小，實(shí)驗(yàn)中在本振級的YAG棒上加一Φ2的小孔。

圖1 實(shí)驗(yàn)光路圖Fig.1 Experimental light path diagram

小結(jié):實(shí)驗(yàn)得到了355 nm紫光，但是未觀察到受激拉曼散射現(xiàn)象，分析原因是紫光太弱。因?yàn)榧由闲】坠怅@后，只有低階橫模才能形成振蕩，高階橫模因衍射損耗掉，因此泵浦光能量很小。

第二，在上面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)稍作改動，拿去Φ2小孔，在倍頻晶體后放一1 m透鏡，將光斑聚焦到三混頻晶體LBO上。

圖2 實(shí)驗(yàn)光路圖Fig.2 Experimental optical path diagram

因考慮到晶體有一定的損傷閾值，通過透鏡聚焦后，峰值功率密度很大，為了防止損傷晶體，電源注入能量不大。在實(shí)驗(yàn)中得到355 nm的紫光，但未觀察到受激拉曼散射現(xiàn)象。

3 小結(jié)

本文簡要介紹了拉曼散射的發(fā)展過程和拉曼散射發(fā)展?fàn)顩r。以受激拉曼散射的理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一套完整的BN晶體受激拉曼散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng):泵浦源部分是采用了1064 nm激光倍頻和頻光355 nm激光;拉曼晶體部分為BN晶體。

從試驗(yàn)一中的光斑圖可看出，光斑的模式均勻性較好，無強(qiáng)點(diǎn)，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。當(dāng)光具有強(qiáng)點(diǎn)的時候，局部產(chǎn)生大的峰值功率密度，易造成晶體的損壞。加一級放大的目的是保證輸出能量有一定的余量，實(shí)驗(yàn)中若355 nm激光不足以達(dá)到BN晶體的拉曼閾值，可以通過加大注入能量使得輸出的1064 nm激光的能量進(jìn)一步加大，從而達(dá)到輸出的355 nm激光的能量加大的目的。

［1］ T.T.BASIEV，A.A.SOBOL，P.G.ZVEREV，etc.Raman spectroscopy of crystals for stimulated Raman scattering［J］.Opt.Mater，1999，11(4):307—314.［2］ P.G ZVEREV，W JIA，and H LIU.Vibrational dynamic of the Raman-active mode in barium nitrate crystal［J］.OPTICS LETTERS，1995，20(23):2378—2380.

［3］ 沈柯.激光原理［M］.北京:高等教育出版社，1986.

［4］ 葛文偉.鎢酸鋇拉曼激光晶體的生長及其性質(zhì)研究［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2007.

［5］ 劉頌豪，赫光生.強(qiáng)光光學(xué)及其應(yīng)用［M］.廣州:廣東科技出版社，1995.