Diamond Raman Lasers

金刚石拉曼激光器

基本信息

  • 批准号:
    EP/G00014X/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 78.86万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2008 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The wavelength coverage of lasers is limited by the materials nature permits. This constraint is loosened by the engineering that is enabled in epitaxial semiconductors, but gaps remain between materials systems. Thus, there is a continuing requirement to efficiently convert the wavelength of lasers, moving from spectral regions where good sources exist to those where they are scarce. This project targets one such conversion process - the Raman laser - and in particular the novel use of diamond to permit power-scaling. Efficient Raman conversion - the generation of longer wavelengths due to inelastic scatting of light in a medium - is usually considered the preserve of high power pulsed lasers or systems based on long lengths of fibre. Recent work, however, has shown that this need not be so. First in hydrogen gas (Montana State University) and then in crystals (National Academy of Sciences of Belarus; Macquarie University), it has been shown that continuous-wave lasers of modest power can be wavelength-shifted via Raman scattering: the Raman medium is placed inside the laser cavity to exploit the high intensities there in. This approach is important because it expands the wavelength palette available from compact diode-pumped solid-state lasers. Such lasers are typically based on crystals doped with metal ions and the output wavelengths are limited to the finite number of potential laser transitions in such doped-crystal systems. Raman-based approaches allow, for example, the well known 1064 nm transition in Nd:YAG to be shifted into the region around 1200 nm where tissue transmission is high. Furthermore, frequency doubling of this Raman shifted laser gives access to the applications-rich, but currently source-poor, yellow-orange region of the spectrum.So far, the output power from continuous-wave intracavity Raman lasers has been limited to a few Watts. This ceiling arises from thermal problems in the Raman medium. Removal of the heat deposited in the Raman medium due to the inelastic scattering process is seriously inhibited by the low thermal conductivity of the crystals typically used. This leads to excessive thermal lensing effects that complicate scaling to higher powers. Diamond has a higher Raman gain coefficient than most Raman media and much greater thermal conductivity than all of them. However, its use as a Raman medium is usually dismissed: due to the small sample sizes available and the expense of even these small samples. In initial studies at the Institute of Photonics, we have shown that this judgement is too hasty. First, the recent commercial availability of synthetic single crystal diamond will bring down costs and improve quality. Second, our modelling indicates that the high thermal conductivity and damage threshold of diamond means that tight focussing enables the use of short - and therefore available - crystals (<2 mm). This programme will build on this platform, targeting four demonstrations in particular:1. First CW intracavity Raman laser to be based on diamond (target: 12 W at 1240 nm; 5 W in the orange (620 nm) via intracavity second harmonic generation)2. First Raman conversion of a semiconductor disk laser (target: 200 mW at 735 nm and 2 W at 1235 nm)3. First use of adaptive optics for automated beam quality optimisation in a CW Raman laser (target: 10 W, M-squared < 1.1 at 1240 nm)4. First use of diamond micro-optics to Raman convert a compact Q-switched laser (target: 40% efficiency)Achieving these results will establish a strong presence for the UK in this important emerging area of solid-state laser engineering. Furthermore, it will open the way to a range of compact sources in new spectral regions for applications as diverse as subcutaneous photodynamic therapy, underwater vision systems, and multispectral imaging.
激光器的波长覆盖范围受到材料性质允许的限制。这种限制被外延半导体中启用的工程所放松,但材料系统之间仍然存在差距。因此,持续需要有效地转换激光器的波长,从存在良好光源的光谱区域移动到它们稀缺的光谱区域。该项目的目标之一,这样的转换过程-拉曼激光器-特别是新的使用钻石,以允许功率缩放。高效的拉曼转换-由于光在介质中的非弹性散射而产生更长的波长-通常被认为是高功率脉冲激光器或基于长光纤的系统的保留。然而,最近的研究表明,情况并非如此。首先在氢气中(蒙大拿州立大学),然后在晶体中(白俄罗斯国家科学院;麦考瑞大学),已经表明中等功率的连续波激光器可以通过拉曼散射进行波长移动:将拉曼介质放置在激光腔内以利用其中的高强度。这种方法很重要,因为它扩展了紧凑型二极管泵浦固态激光器的波长调色板。这种激光器通常基于掺杂有金属离子的晶体,并且输出波长限于这种掺杂晶体系统中的有限数量的潜在激光跃迁。基于拉曼的方法允许,例如,Nd:YAG中众所周知的1064 nm跃迁被移位到组织透射率高的1200 nm附近的区域。此外,这种拉曼频移激光器的倍频可以进入应用丰富但目前光源匮乏的黄橙色光谱区。到目前为止,连续波内腔拉曼激光器的输出功率仅限于几瓦。这种上限是由拉曼介质中的热问题引起的。由于非弹性散射过程而沉积在拉曼介质中的热量的去除被通常使用的晶体的低热导率严重抑制。这导致过度的热透镜效应,使缩放到更高的功率复杂化。金刚石具有比大多数拉曼介质更高的拉曼增益系数和比所有这些介质大得多的热导率。然而,它作为一种拉曼介质的使用通常被驳回:由于小的样品尺寸和即使是这些小样品的费用。在光子学研究所的初步研究中,我们已经证明这种判断过于仓促。首先,最近合成单晶金刚石的商业可用性将降低成本并提高质量。其次,我们的模型表明,金刚石的高导热性和损伤阈值意味着紧密聚焦可以使用短晶体(<2 mm)。该计划将建立在这个平台上,特别针对四个示范:1。第一个基于金刚石的CW腔内拉曼激光器(目标:通过腔内二次谐波产生,在1240 nm处12 W;在橙子(620 nm)中5 W)。半导体盘状激光器的第一拉曼转换(目标:在735 nm处200 mW和在1235 nm处2 W)3.在连续波拉曼激光器中首次使用自适应光学器件进行自动光束质量优化(目标:10 W,在1240 nm处M平方< 1.1)4.首次使用金刚石微光学器件对紧凑型Q开关激光器进行拉曼转换(目标:40%效率)实现这些结果将为英国在这一重要的新兴固态激光工程领域建立强大的存在。此外,它将开辟一条道路,以一系列紧凑的来源,在新的光谱区域的应用,如皮下光动力治疗,水下视觉系统和多光谱成像。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
VECSEL-pumped tunable CW Raman laser
VECSEL 泵浦可调谐连续拉曼激光器
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Daniele Carmine Parrotta (Co-Author)
  • 通讯作者:
    Daniele Carmine Parrotta (Co-Author)
Continuous-wave diamond Raman laser.
连续波金刚石拉曼激光器。
  • DOI:
    10.1364/ol.35.002994
  • 发表时间:
    2010
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Lubeigt W
  • 通讯作者:
    Lubeigt W
Second harmonic generation in a CW diamond Raman laser for tunable visible emission
连续波金刚石拉曼激光器中的二次谐波产生,用于可调谐可见光发射
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Alan Kemp (Author)
  • 通讯作者:
    Alan Kemp (Author)
16 W continuous-wave Raman laser using low-loss synthetic diamond
使用低损耗合成金刚石的 16 W 连续波拉曼激光器
  • DOI:
    10.1364/oe.19.006938
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Lubeigt W
  • 通讯作者:
    Lubeigt W
Optical Engineering of Diamond
金刚石光学工程
  • DOI:
    10.1002/9783527648603.ch11
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kemp A
  • 通讯作者:
    Kemp A
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  • 通讯作者:
    Lizette L. Koekemoer

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