一种基于自适应时间同步的高效钻石拉曼放大方案

《Advanced Photonics Research》：An Efficient Diamond Raman Amplification Scheme Based on Adaptive Temporal Synchronization

拉曼放大自适应同步现象及周期性放大架构研究。实验利用金刚石介质实现17.8ns脉宽、3.69mJ Stokes脉冲能量输出，转换效率达17.03%。通过数值模拟与实验验证，发现延迟条件下Stokes脉冲自动漂移至泵浦峰值，形成能量高效传输机制。提出交替拉曼与能量级增益的周期性放大方案，消除传统多级系统的主动延迟控制需求，显著提升泵能利用率与整体效率。研究揭示了脉冲动态耦合规律，为高功率激光系统设计提供新策略。

　　Raman放大技术作为一种能够选择性增强特定频谱范围内光信号的强效手段，在高功率激光系统、光通信和非线性频率转换等领域展现出广泛的应用前景。然而，在时间延迟条件下，泵浦与斯托克斯脉冲之间的不对齐会对能量转换产生显著影响，而其背后的脉冲动力学机制仍不够清晰。本研究首次报道了在延迟Raman放大过程中观察到的一种自适应时间同步现象。通过数值模拟与实验验证相结合，发现斯托克斯脉冲能够自主向泵浦峰值区域漂移，从而即使在存在较大初始延迟的情况下也能实现能量转换效率的提升。利用金刚石作为Raman介质，研究团队成功实现了单脉冲斯托克斯能量达到3.69毫焦耳，脉冲宽度为17.8纳秒，能量转换效率高达17.03%。基于这一发现，提出了一个无需主动延迟控制即可实现延迟容忍的Raman放大方案，该方案通过周期性操作交替进行Raman放大与能量级增益阶段，从而提升整体效率，同时实现泵浦能量的循环利用。这项研究为先进激光系统中实现稳健且自同步的非线性放大提供了新的策略。

Raman放大技术在实现高功率激光输出方面具有独特优势，尤其在拓宽激光可调谐波长范围方面。传统激光器依赖于增益介质中的离散能级结构，这在一定程度上限制了其发射波长的选择性，使得许多关键谱区难以被利用。相比之下，受激Raman散射（SRS）通过利用泵浦光子与光学声子之间的非弹性散射过程，实现了对波长的灵活调控。这种机制使得激光可以在传统增益介质无法实现的波长范围内产生输出，从而满足不同应用场景对特定波长的吸收特性需求。例如，在2015年，山东大学的Men等人利用脉冲1064纳米Nd:YAG激光作为泵浦源，CaWO?晶体作为Raman介质，成功将2瓦单频连续波1178纳米种子激光放大至26.7毫焦耳，脉冲持续时间为2.9纳秒，线宽低于10兆赫兹。为了实现高效的第二阶段放大，他们引入了可调光学延迟线以确保种子脉冲与泵浦脉冲的时间同步。同时，将泵浦光束分为三个脉冲序列进行分阶段放大，提高了整体能量提取效率。该系统不仅实现了高效的谱域转换，还保持了良好的光束质量。

尽管Raman放大技术在提升激光输出功率和扩展可调谐波长范围方面表现优异，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，传统的Raman振荡器和放大器受限于腔体设计和热效应，导致输出功率受限和增益饱和问题。此外，在多阶段放大系统中，为了维持种子与泵浦脉冲的精确时间重叠，通常需要在每个阶段前引入专门的延迟控制单元，这不仅增加了系统的复杂性，还对光学对准提出了更高要求。同时，由于泵浦光束在每次放大后部分能量未被完全利用，导致整体转换效率下降。因此，探索在非同步泵浦条件下的高效能量转换机制成为当前研究的重要方向。

本研究通过建立Raman放大的数值模型，深入分析了时间延迟条件下脉冲演化过程，并在实验中使用金刚石作为Raman介质进行验证。研究结果表明，斯托克斯脉冲在放大过程中会自发地向泵浦脉冲的峰值区域移动，从而提高能量转换效率。这一自适应同步现象为构建更高效、更稳定的Raman放大系统提供了理论依据。通过引入周期性操作，研究团队设计了一种新型的放大架构，该架构交替进行Raman放大与能量级增益阶段，实现了泵浦能量的高效回收与利用，从而在不依赖主动延迟控制的情况下维持斯托克斯脉冲的持续放大。该方案有效克服了传统多阶段放大的局限，显著提升了整体系统的转换效率。

在实验中，研究团队构建了一个基于金刚石的Raman放大装置，其结构如图2所示。该装置采用1064纳米脉冲激光器作为泵浦源，重复频率为200赫兹。通过半波片调节泵浦光的偏振状态，并利用两个透镜对泵浦光进行准直和聚焦，以优化金刚石介质中的斯托克斯增益。实验结果表明，在不同的种子能量条件下，斯托克斯脉冲的放大效率和输出能量呈现出良好的一致性。例如，当输入种子能量为1.61毫焦耳时，斯托克斯脉冲被放大至2.66毫焦耳，能量转换效率达到20.9%。而在更高种子能量（2.61毫焦耳）条件下，放大后的斯托克斯脉冲能量达到3.69毫焦耳，对应的转换效率为17.03%。尽管种子能量较高时转换效率略有下降，但并未出现增益饱和现象，这表明通过优化实验参数，如增强光束重叠、优化脉冲形状和精确对准晶体，可以进一步提升转换效率。此外，模拟结果与实验数据高度吻合，显示出系统设计的合理性与可靠性。

研究团队进一步通过数值模拟分析了周期性脉冲放大架构的性能。模拟结果显示，当泵浦与种子脉冲在强度匹配条件下进行同步注入时，斯托克斯脉冲的能量在周期性操作中呈现逐步增长的趋势，而泵浦脉冲的能量则在放大与耗尽之间周期性变化。这一现象表明，周期性操作能够有效利用残留的泵浦能量，实现斯托克斯脉冲的持续放大。而在时间偏移条件下，泵浦与种子脉冲的不对齐会导致残余泵浦脉冲在时间上出现明显的凹陷形变，从而影响整体放大效率。相比之下，周期性放大架构在保持脉冲强度匹配的同时，通过自适应同步机制实现了更稳定的能量转移过程。例如，在6.7纳秒的时间延迟条件下，斯托克斯脉冲在周期性操作中逐步向泵浦脉冲峰值区域移动，而泵浦脉冲的前缘则向后漂移，从而逐渐减少脉冲之间的延迟。这一过程使得能量转换效率在周期性操作中持续提升，同时保持了泵浦和斯托克斯脉冲的近高斯形状，有利于稳定放大。

实验结果还表明，当时间延迟较小时，斯托克斯脉冲的初始位置位于泵浦脉冲的时间包络之外，但在放大过程中会逐渐向泵浦峰值区域移动。同时，泵浦脉冲的峰值也会因与斯托克斯脉冲的重叠而向相反方向漂移。这种相互作用使得能量转换更加高效，但同时也可能导致泵浦脉冲在中心区域的过度消耗，从而影响后续放大阶段的稳定性。因此，在周期性放大架构中，保持一定的时间延迟有助于维持泵浦和斯托克斯脉冲的高斯形状，避免因过度重叠而导致的凹陷形变。这一发现对于优化周期性放大系统的性能具有重要意义。

本研究还通过对比不同时间延迟条件下的脉冲演化过程，进一步验证了周期性放大架构的优势。在低延迟条件下，斯托克斯脉冲与泵浦脉冲的重叠区域较大，导致能量转换效率较高。然而，随着延迟时间的增加，斯托克斯脉冲的中心区域能量提取效率下降，而其边缘区域的增益则相对较低。这种不平衡会导致泵浦脉冲的中心区域出现明显的凹陷形变，从而影响系统的稳定性。相比之下，周期性放大架构通过合理控制脉冲的强度比和时间延迟，使得能量转换过程更加均匀，避免了中心区域的过度消耗。实验结果表明，在3纳秒的延迟条件下，斯托克斯脉冲的峰值能够有效嵌入泵浦脉冲的时间包络内，从而实现更高效的能量提取，同时维持泵浦脉冲的高斯形状，减少因凹陷形变带来的负面影响。

此外，研究团队还通过模拟不同延迟条件下的脉冲演化过程，分析了周期性放大架构在不同参数设置下的性能表现。模拟结果显示，当初始延迟较大时，斯托克斯脉冲的中心区域能量提取效率较低，而其边缘区域的增益则相对较高。这一现象使得斯托克斯脉冲在放大过程中逐渐向泵浦脉冲的峰值区域移动，从而实现能量的更高效利用。然而，当延迟时间减小时，斯托克斯脉冲的峰值与泵浦脉冲的中心区域重叠，导致泵浦脉冲的中心区域能量迅速耗尽，而边缘区域的增益相对较低。这种不对称的能量提取过程可能引发泵浦脉冲的凹陷形变，进而影响后续放大阶段的稳定性。因此，在周期性放大架构中，保持适当的延迟对于维持系统的稳定性和高效率至关重要。

研究团队还探讨了周期性放大架构在不同输入条件下的能量转换效率。实验结果显示，随着泵浦能量的增加，斯托克斯脉冲的输出能量和转换效率均有所提升。然而，当泵浦能量过高时，斯托克斯脉冲与泵浦脉冲之间的能量转移效率可能受到限制，导致整体系统效率的下降。因此，优化泵浦能量与种子能量的比例对于实现高效能量转换至关重要。此外，研究还发现，周期性放大架构能够有效利用残留泵浦能量，从而减少对高功率泵浦源的依赖。这种设计不仅降低了系统的复杂性，还提高了操作的稳定性和可靠性。

本研究提出的周期性脉冲放大架构为高功率激光系统提供了一种新的解决方案。与传统的多阶段放大系统相比，该架构通过周期性操作实现了泵浦能量的循环利用，从而提升了整体系统的能量转换效率。同时，该方案无需依赖复杂的主动延迟控制模块，降低了系统的对准难度和运行成本。实验结果表明，在适当的参数设置下，周期性放大架构能够实现稳定的能量转换过程，同时保持泵浦和斯托克斯脉冲的高斯形状，避免因凹陷形变导致的效率下降。此外，该架构还能够在不同延迟条件下保持较高的能量转换效率，显示出其良好的适应性和鲁棒性。

通过本研究，团队不仅揭示了Raman放大过程中斯托克斯与泵浦脉冲之间的自适应同步机制，还提出了一种新型的周期性放大架构，为未来高功率激光系统的开发提供了理论支持和实验验证。这一成果有望在光通信、激光加工和非线性光学等领域得到广泛应用。此外，该研究还为理解Raman放大过程中的非线性动力学行为提供了新的视角，有助于进一步优化Raman放大技术，提高其在实际应用中的性能和可靠性。