金剛石作為自然界*堅(jiān)硬的物質(zhì),其出色的光學(xué)和熱物性使之在電子、工業(yè)制造和熱管理等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。此外,作為拉曼增益介質(zhì),金剛石晶體的高拉曼增益系數(shù)(~10 cm/GW@1 μm)和大拉曼頻移(1332.3 cm-1)使得金剛石拉曼激光器在產(chǎn)生高功率特殊波長激光方面展現(xiàn)了突出優(yōu)勢。
報(bào)道顯示,人們僅利用mm2的通光口徑的金剛石就已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)功率高達(dá)千瓦的單一波長和百瓦的多波長拉曼激光輸出。目前,光學(xué)級金剛石晶體有限的尺寸成為制約金剛石激光器功率提升的關(guān)鍵,特別在短脈沖、高峰值功率的泵浦條件下,其輸出的單脈沖能量往往僅在nJ至mJ量級。
我國是全球*大的人造金剛石生產(chǎn)國,壟斷了全球90%以上工業(yè)金剛石的市場份額。如今,國產(chǎn)的人工單晶金剛石晶體尺寸已達(dá)到了1 cm3量級,且生長成本也逐年降低,這為推動金剛石激光器的國產(chǎn)化和激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要支撐。
近日,河北工業(yè)大學(xué)呂志偉和白振旭教授團(tuán)隊(duì)與寧波晶鉆科技股份有限公司合作,利用國產(chǎn)4×4×7 mm3大尺寸光學(xué)級CVD單晶金剛石晶體作為拉曼增益介質(zhì),通過設(shè)計(jì)大口徑的光泵浦振蕩器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了峰值功率大于1.5 MW的納秒拉曼激光輸出。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)為了提高金剛石的泵浦光負(fù)載,利用透鏡組將泵浦光尺寸調(diào)節(jié)成直徑約為2.5 mm的平行光,拉曼振蕩器采用平平腔結(jié)構(gòu),腔長僅為15 mm。采用電光調(diào)Q的1064 nm納秒激光器作為泵浦,在*大泵浦能量為45 mJ時(shí),得到了波長1240 nm、單脈沖能量11.2 mJ的拉曼激光輸出,轉(zhuǎn)換效率約為25%。*大輸出能量時(shí)的拉曼脈寬約為7 ns,對應(yīng)的*大峰值功率達(dá)1.6 MW。
該工作*報(bào)道了國產(chǎn)大尺寸金剛石在納秒脈沖泵浦的條件下實(shí)現(xiàn)單脈沖能量大于10 mJ的拉曼激光輸出,系目前國際上報(bào)道的*高能量和*高峰值功率的短脈沖金剛石拉曼激光器。結(jié)果證明了國產(chǎn)大尺寸人造光學(xué)級CVD金剛石晶體在實(shí)現(xiàn)高功率拉曼激光輸出上的可行性。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面向國家對高功率特殊波長激光的重大需求,以項(xiàng)目為牽引、應(yīng)用為導(dǎo)向,通過校企聯(lián)合的方式,共同探索大尺寸金剛石晶體的光學(xué)特性,研究影響金剛石激光器輸出參數(shù)的核心要素,進(jìn)而提高我國光學(xué)級金剛石晶體的自主可控能力和自研金剛石激光器的性能,推動高功率特殊波長激光技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
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