- 1 -
中国科技论文在线
内腔式钨酸锶反斯托克斯拉曼激光器的实
验研究#
韦卫1，张行愚1，王青圃1，王聪1，丛振华1，王伟涛1，涂朝阳2，丁双红3**
基金项目：国家自然科学基金（11174185, 11204160）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金
（20100131110064）
作者简介：韦卫（1988-），男，硕士研究生，激光物理与技术
通信联系人：张行愚（1963-），男，教授，激光物理与技术
（1. 山东大学信息科学与工程学院，山东省激光技术与应用重点实验室，济南 250100； 5
2. 中国科学院福建物质结构研究所，福州，350002；
3. 烟台大学光电信息科学技术学院，烟台 264005）
摘要：实验研究了内腔式 SrWO4 反斯托克斯拉曼激光器的特性。测量了不同泵浦电压下输出
的一阶反斯托克斯光的单脉冲能量，获得的最大输出能量为 mJ，相应的一阶斯托克斯10
和一阶反斯托克斯脉冲宽度分别为 ns 和 ns。
关键词：内腔拉曼激光器；反斯托克斯光；SrWO4 晶体；主动调 Q
中图分类号：
Experimental Research on Intracavity Pumped Strontium 15
Tungstate Anti-Stokes Raman Laser
WEI Wei
1
, ZHANG Xingyu
1
, WANG Qingpu
1
, WANG Cong
1
, CONG Zhenhua
1
,
WANG Weitao
1
, TU Chaoyang
2
, DING Shuanghong
3
(1. Information Science and Engineering School, Shandong Provincial Key Laboratory of Laser
Technology and Application, Shandong University, Jinan 250100; 20
2. Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences, Fuzhou
350002;
3. Photo-electronic Information Science and Technology College, Yantai University, Yantai
264005)
Abstract: The characteristics of an intracavity SrWO4 anti-Stokes Raman laser were 25
experimentally studied. The output first anti-Stokes single pulse energies were measured at
different pumping voltages. The maximum output energy was obtained to be mJ, and the
corresponding first Stokes and first anti-Stokes pulse widths were ns and ns, respectively.
Key words: intracavity Raman laser; anti-Stokes wave; SrWO4 crystal; active Q-switching
30
0 引言
受激拉曼散射是产生激光新波长的重要途径之一。其中，利用固体拉曼激光器实现高效斯托
克斯光转换已经比较成熟[1-5]，相对而言，利用拉曼晶体产生反斯托克斯光的报道却较少。
反斯托克斯拉曼散射可以实现频率上转换，扩展光谱范围，在许多领域具有潜在应用。例如，
以钕离子激光器倍频产生的 532 nm 激光作为基频光，产生蓝色的反斯托克斯光，在彩色全35
息、激光显示、光学干扰和海洋探测等方面都有重要的应用价值。到目前为止，绝大部分工
作都是将超短脉冲聚焦到拉曼晶体中，产生多条斯托克斯和反斯托克斯谱线[6-8]。采用这种
方法，对输出光的光谱特性缺乏有效控制，较差的光斑质量也限制了反斯托克斯光的应用。
2004 年，A. Z. Grasyuk 等人利用 20 ps 的泵浦光，通过斯托克斯光与泵浦光的非线性相位匹
配，获得 8 μJ 的 511 nm 一阶反斯托克斯光[9] 。2008 年，R. P. Mildren 等人利用纳秒脉冲泵40
- 2 -
中国科技论文在线
浦一个倾斜的钨酸钆钾 (KGd(WO4)2) 拉曼谐振腔，实现最高 270 μJ 的 508 nm 一阶反斯托
克斯光输出[10] 。相对于上述外腔结构，内腔式反斯托克斯激光器具有产生阈值低、转化效
率高等优点，且其紧凑性更利于实际应用。本文研究了内腔式 SrWO4 反斯托克斯激光器的
特性。测量了对于不同的基频光输出镜，以及在不同的氙灯泵浦电压下输出的一阶反斯托克
斯光的单脉冲能量。实验中获得的最大输出能量为 mJ，此时一阶斯托克斯和一阶反斯45
托克斯的脉冲宽度分别为 ns 和 ns。
1 实验
实验装置如图 1 所示，在 Nd:YAG 基频光谐振腔中放置一倾斜的 SrWO4 拉曼光谐振腔，
来实现基频光、一阶斯托克斯光和一阶反斯托克斯光的非共线相位匹配。基频光谐振腔由后
腔镜 M1 和输出镜 M4 组成，长度为 50 cm，其中 M1 镀有 1064 nm 光的高反膜(R>%)；50
M4 分别使用了三片不同的平镜，都镀有 969 nm 光的高透膜，在 1064 nm 光的镀膜情况见表
1。基频光谐振腔中依次放置直径 2 mm 的光阑、电光调 Q 晶体、布鲁斯特片、激光增益介
质和拉曼光谐振腔(其中有拉曼晶体 SrWO4)。激光增益介质为氙灯泵浦的 Nd:YAG 棒 (掺杂
原子数分数 1%, 尺寸 ϕ 6 mm×110 mm)。氙灯泵浦和调 Q 的频率都为 1 Hz。拉曼腔为由后
腔镜M2和输出镜M3组成的平平腔，长度为6 cm，其中M2镀有1180 nm光的高反膜(R>99%)；55
M3 对 1180 nm 的拉曼光部分透射(T=4%)。M2和 M3 放置在精度为每步 ̊ 的旋转台
(Zolix, RSA100)上，SrWO4 晶体的尺寸为 4×4×52 mm3，沿 a 轴方向切割，两端截面镀有 1180、
1064 和 969 nm 的增透膜。输出的反斯托克斯单脉冲能量由能量探头(Ophir PE9-RoHS)测量,
并由连接在探头上的能量计(Ophir NOVA II)显示。一阶斯托克斯脉冲由铟镓砷光电二极管接
收, 一阶反斯托克斯和基频脉冲由两个相同的硅光电二极管接收，接收的波形都显示在60
Tektronix 数字示波器(TDS 3052B)上; 光谱信息由光谱仪(Yokogawa, AQ6370C, 600~1700
nm) 记录。
表 1. 基频光输出镜M4在1064 nm透过率
Fundamental output coupler OC1 OC2 OC3
Transmission at 1064 nm ~17% ~% ~94%
Aperture
Pockels
cell
Brewster
plate
Gain medium
module BaWO4 Crystal
=50cm
CL
=6cm
CRL
Fundamental Cavity
M3
M4
M2
M1
Ram
an C
avity
65
图 1.内腔式 SrWO4反斯托克斯激光器实验装置
Fig. 1 Schematic diagram of the intracavity pumped SrWO4 anti-Stokes Raman laser.
2 结果与讨论
实验开始时拉曼腔与基频腔平行放置，随后逆时针缓慢转动旋转台，当两谐振腔夹角增70
加到约 ̊ 时，一阶反斯托克斯光产生，角度继续增加，直至 ̊ 时输出的一阶反斯
- 3 -
中国科技论文在线
托克斯脉冲能量达到最大。当泵浦电压远超过一阶斯托克斯产生的阈值时，利用光谱仪可以
探测到 nm 基频光、 nm 一阶反斯托克斯光以及高达三阶的斯托克斯光(波长从
低到高依次为 nm、 nm 和 nm)的光谱特性(如图 2)。谱线的频率间隔约
为 921cm-1，与 SrWO4 晶体中 WO4
−2离子团的振动模符合的很好。 75
图 2. 一阶反斯托克斯光、基频光、以及一阶、二阶和三阶斯托克斯光的光谱图。
Fig. 2 The spectra of the first anti-Stokes, the fundamental, the first Stokes, the second Stokes and the third Stokes
outputs.
80
使用能量计测量针对不同基频光输出镜M4和在不同氙灯泵浦电压下输出的一阶反斯托
克斯脉冲的能量，结果如图3中曲线A、B、C所示。可以看出，随着基频光输出镜在1064 nm
透过率的降低，反斯托克斯光的产生阈值明显降低、转化效率显著提高。采用不同的基频光
输出镜OC3、OC2、OC1，产生反斯托克斯光的阈值分别为700 V、675 V和500 V。输出的一
阶反斯托克斯单脉冲的最大能量为 mJ。 85
图 3. 针对不同基频光输出镜，一阶反斯托克斯光的单脉冲能量随氙灯泵浦电压的变化：
曲线 (A) OC1, T =17%；(B) OC2, T =%；(C) OC3, T =94%
Fig. 3 Dependences of the output first anti-Stokes energies on the pumping voltage. Curves correspond to different
output couplers as follows: (A) OC1, T =17%; (B) OC2, T =%; (C) OC3, T =94% 90
整个实验过程中没有观察到后向的反斯托克斯光(图1中紫色虚线)输出，其主要原因如
下：前向基频光进入到拉曼腔内，经受激拉曼散射和四波混频后能量被消耗，且经过耦合输
出镜后有部分透射，因而后向的基频光相对较弱。反斯托克光是由两个基频光子、一个一阶
斯托克斯光子和一个一阶反斯托克斯光子四波混频产生的，反斯托克斯光强与基频光光强的95
平方以及斯托克斯光强成正比，基频光较弱时无法有效地产生反斯托克斯光。
- 4 -
中国科技论文在线
利用示波器对基频光、一阶斯托克斯和一阶反斯托克斯光同时进行记录, 可以得到三者
的脉冲波形图, 如图4所示。从图中可以看出当调Q开关开启后, 腔内首先形成振荡的是1064
nm的基频光, 当腔内的基频光强度达到一定程度(接近其峰值)时，基频光开始迅速向斯托克
斯光转换。与此同时，一阶反斯托克斯光通过与基频光、一阶斯托克斯光的四波混频相互作100
用，也迅速产生。产生的基频光、一阶斯托克斯光和一阶反斯托克斯光的脉冲宽度分别为
ns、 ns和 ns。
图 4. 基频光、一阶斯托克斯光和一阶反斯托克斯光的脉冲波形图
Fig. 4 Pulse profiles of the first anti-Stokes, the fundamental and the first Stokes waves. 105
3 结论
本文报道了内腔式 SrWO4 反斯托克斯拉曼激光器的特性。通过在 Nd:YAG 基频光谐振
腔中放置一倾斜的 SrWO4 拉曼光谐振腔，实现了两个基频光子、一个一阶斯托克斯光子和
一个一阶反斯托克斯光子四波混频的非共线相位匹配，进而实现一阶反斯托克斯光的输出。
测量了对于不同的基频光输出镜，以及在不同的氙灯泵浦电压下输出的 969 nm 一阶反斯托110
克斯光的单脉冲能量。获得的最大输出能量为 mJ，相应的一阶斯托克斯和一阶反斯托
克斯脉冲的宽度分别为 ns 和 ns。随着基频光输出镜在 1064 nm 处透过率的降低，反
斯托克斯光的产生阈值明显降低、转化效率显著提高。进一步实验优化可以通过改变拉曼腔
腔镜的曲率半径和对不同波长的透过率，来有效地增加反斯托克斯光的产生。
[参考文献] (References)115
[1] PASK H M. The design and operation of solid-state Raman lasers[J]. Prog. Quantum Electron., 2003, 27(1):
3-56.
[2] CERNY P, JELINKOVA H, ZVEREV P G, BASIEV T T. Solid state lasers with Raman frequency
conversion[J]. Prog. Quantum Electron., 2004, 28(2): 113-143.
[3] CHEN Y F. Compact efficient all-solid-state eye-safe laser with self-frequency Raman conversion in a 120
Nd:YVO4 crystal[J]. Opt. Lett., 2004, 29(18): 2172-2174.
[4] 丛振华，张行愚，王青圃，李述涛，陈晓寒，张晓磊. 主动调 Q 内腔式 Nd:YAG/GdVO4 拉曼激光器[J].
中国激光，2009，36（1）：19-22.
[5] FEVE J P M, SHORTOFF K E, BOHN M J, BRASSEUR J K. High average power diamond Raman laser[J].
Opt. Express, 2011, 19(2): 913-922. 125
[6] KAMINSKII A A, EICHLER H J, UEDA K, KLASSEN N V, REDKIN B S, LI L E, FINDEISEN J, JAQUE
D, GARCÍA-SOLE J, FERNÁNDEZ J, BALDA R. Properties of Nd3+-doped and undoped tetragonal PbWO4,
NaY(WO4)2, CaWO4, and undoped monoclinic ZnWO4 and CdWO4 as laser-active and stimulated Raman
scattering-active crystals[J]. Appl. Opt., 1999, 38(21): 4533-4547.
[7] HU D W, WANG Z P, ZHANG H J, XU X G, WANG J Y, SHAO Z S. Picosecond stimulated Raman 130
scattering of SrWO4 Crystal[J]. Chinese Phys. Lett., 2006, 23(10): 2766-2769.
[8] KAMINSKII A A, RHEE H, EICHLER H J, BOHATY L, BECKER P, TAKAICHI K. Wide-band Raman
Stokes and anti-Stokes comb lasing in a BaF2 single crystal under picosecond pumping. Laser Phys. Lett., 2008,
- 5 -
中国科技论文在线
5(4): 304-310.
[9] GRASIUK A Z, KURBASOV S V, LOSEV L L. Picosecond parametric Raman laser based on KGd(WO4)2 135
crystal. Opt. Commun., 2004, 240(4-6): 239-244.
[10] MILDREN R P, COUTTS D W, SPENCE D J. All-solid-state parametric Raman anti-Stokes laser at 508
nm[J]. Opt. Express, 2009, 17(2): 810-818.
