金刚石基光子源

钻石是一种极具吸引力的激光材料，因为它承诺的能力远远超过可能的其他材料，根据其极端的性质。亚博网站下载几乎所有科学和技术领域现在都在某种程度上受亚博老虎机网登录益于激光技术，而且对满足新兴需求的执行装置的需求仍在继续，特别是在医药和反恐等领域。

因此，激光正在以不断提高的性能和缩小的尺寸发展，寻找新的替代光学增益材料是激光性能的基础，这一过程至关重要。虽然金刚石并不是一种新材料，但随着高光学质量材料合成生长的进展，近年来在激光中利用金刚石的机会大大增加。

我们最近在MQ光电子研究中心的研究旨在探索未掺杂金刚石作为拉曼激光材料。这与之前专注于掺杂金刚石色心激光器的其他工作形成对比¹、半导体二极管激光器²以及掺稀土激光器^3.．虽然金刚石的大带隙和高热导率对激光主体来说是非常有吸引力的特性，但由于在紧密结合的晶格中加入合适浓度的中心或活性激光离子的困难，这些技术都没有特别成功。

到目前为止，最有希望的是依靠氮空位的光激发的钻石色中心激光器，这种激光器的光-光转换效率仅高达15%左右¹．另一方面，拉曼激光器依赖于由基本晶格振动产生的受激散射。尽管光学放大的原理不同于依赖于粒子反转的激光器，但拉曼激光器在许多方面与其他激光器有相似的基本特性。拉曼激光器可以被认为是激光转换器，带来一个频率下降和改善光束质量。这一领域主要是由传统激光介质无法满足的对激光波长的需求驱动的，这些需求在电信、医学、生物诊断、国防和遥感等不同领域得到了应用。

金刚石的优异性能有几个立即吸引喇曼激光器的设计师(图1)。钻石所有已知材料的拉曼增益系数最高(超过1.5倍高于大多数其他拉曼晶体)和优秀的导热系数(高出两个数量级亚博网站下载其他拉曼晶体)和光透射范围(从0.23 μ m扩展到100 μ m以上，除了3-6 μ m外)。

图1．概述金刚石的突出性能。

这些特性预示着将大大提高小型设备的平均输出功率，并将光谱范围扩展到可见光和近红外之外。高拉曼增益系数放松了对泵浦强度、光学涂层性能、寄生损耗和晶体长度的限制（后者目前很幸运，因为只有相对较小的高质量晶体可用）。

由于SRS将热量沉积到拉曼材料中，高热导率对于缓解热诱导的透镜效应和应力至关重要，应力会在高能或平均功率下引入双折射或导致灾难性的破坏。钻石的广泛的传输范围使其产生的波长在其他物质的紫外和红外光谱的范围之外的兴趣。亚博网站下载

我们最近展示了在可见光中以脉冲方式工作的高效金刚石拉曼激光器^4,5,7．这项工作受益于金刚石化学气相沉积的最新进展，这使得大单晶金刚石可以重复生长，其尺寸和质量非常适合在拉曼激光器中使用。

基于CVD金刚石单晶的拉曼激光器将调q (8 ns脉宽)532 nm频率倍增的Nd:YAG激光器转换为573 nm的第一个斯托克斯黄色波长。我们获得的最佳性能是使用低双折射特殊技术生长的布儒斯特切割晶体⁶. 对于输入脉冲能量高达0.4 mJ的5 kHz泵浦激光器，拉曼激光阈值约为0.1 mJ，输出线性增加，斜率效率为74.9%，最大输出脉冲能量为0.24 mJ，最大平均功率为1.2 W。

最大能量下的转换效率为63.5%，斜率效率约为75%，这是其他材料所能达到的最高值。我们还演示了一种同步泵浦的金刚石拉曼激光器，该激光器在80 MHz重复频率下有效地转换皮秒脉冲，平均功率高达2.2 W⁷．

到目前为止，我们已经证明的金刚石拉曼激光器的性能与在其他材料中看到的非常相似。亚博网站下载然而，发展在很大程度上还处于起步阶段。与“传统”材料相比，金刚石的光学和热性能截然不同，这有望极大地扩展拉曼激光的能力。亚博网站下载利用这些特性的新设备很可能会迅速出现，因为我们已经获得了外腔金刚石拉曼激光器的高效率，并借助拉曼激光器的庞大现有知识库。最值得注意的机遇在于高功率和高亮度拉曼激光器，以及其他材料无法很好服务的波长范围。亚博网站下载然而，钻石的高度不寻常的性质也为拉曼激光和非线性光学器件的重大创新提供了广阔的竞争环境。

工具书类

1. S.C. Rand和L.G. DeShazer, Opt. Lett. 10,481(1985)。
2. 约翰，《科学》29亚博老虎机网登录2,1847-1848(2001)。
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6. I. Friel, S.L. Clewes, H.K. Dhillon, N. Perkins, D.J. Twitchen, G.A. Scarsbrook, Diamond and Related 亚博网站下载Materials 18,808 -815，(2009)。
7. D.J.斯彭斯，E.格拉纳多斯和R.P.米尔德伦，Opt。莱特。35，文档ID:120582，于2010年1月14日发布。