国产金刚石拉曼激光器峰值功率突破兆瓦

近日，河北工业大学先进激光技术研究中心吕志伟和白振旭教授团队与宁波晶钻科技股份有限公司合作，利用国产的大尺寸光学级CVD单晶金刚石，实现了峰值功率大于1．5 MW的纳秒拉曼激光输出。该工作首次报道了单脉冲能量大于10 mJ的纳秒脉冲拉曼激光输出，无论在能量和峰值功率方面均达到国际最高指标。相关研究成果以“国产金刚石实现峰值功率MW的拉曼激光输出”为题于2023年12月以简报形式发表在《中国激光》上。

作为一种重要的“碳材料”，金刚石不仅是天然存在中最坚硬的物质，同时拥有极高的热导率、极宽的光谱透过范围和极高的物理和化学稳定性，被誉为“最硬最锋利的工业牙齿”和“终极半导体材料”，目前已被广泛用于光学窗口、金刚石压砧、热管理、抛光研磨和电离辐射探测等领域。此外，结合其独特的非线性光学特性，金刚石激光器在拉曼和布里渊激光领域展现出极为突出的优势，为高功率激光的发展提供了新的机遇。

金刚石晶体拥有极高的高拉曼增益系数和已知晶体中最大的拉曼频移，因此金刚石拉曼激光器被认为是“突破激光器功率和波长极限的新路径”为了获得高效率且高光束质量的金刚石激光运转，需要采用光学级的人造金刚石晶体作为增益介质，但是科研人员在过去研究中采用的单晶金刚石晶体大多均依赖进口。我国是全球最大的人造金刚石生产国，尤其是在工业级金刚石方面在国际上拥有定价权。因此，如何提升国产的单晶金刚石晶体的质量和生长尺寸，并将其应用最大限度地拓展至激光领域，是目前亟需突破的关键问题。

图1 实验装置图

研究人员近日利用国产的大尺寸光学级CVD单晶金刚石（4×4×7 mm3）作为拉曼增益介质，通过1 μm脉冲激光作为泵浦源，在腔长仅为15 mm的振荡器中，获得了波长1．2 μm、单脉冲能量11．2 mJ的拉曼激光转换。输出的拉曼激光脉冲宽度为7 ns，对应最大峰值功率达1．6 MW。

图2 拉曼激光输出特性（a）能量曲线（b）波形及光谱

该研究首次报道了国产金刚石拉曼激光器在高功率泵浦下的运转结果，输出的峰值功率首次突破兆瓦量级，达到国际最高指标。该成果不仅证明国产光学级金刚石晶体在工艺方面的显著提升，同时也为科研人员通过金刚石激光技术进一步突破特殊波长激光的功率极限，以及拓展其应用提供了新的思路。

来源：河北工业大学