高功率金刚石激光技术研究进展（特邀）

白振旭; 杨学宗; 陈晖; 金舵; 丁洁; 齐瑶瑶; 李森森; 闫秀生; 王雨雷; 吕志伟

doi:doi:10.3788/IRLA20201076

红外与激光工程, 2020, 49 (12): 20201076, 网络出版: 2021-01-14

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Research progress of high-power diamond laser technology (Invited)

白振旭 ¹杨学宗 ¹陈晖 ²金舵 ²丁洁 ²齐瑶瑶 ²李森森 ³闫秀生 ³王雨雷 ²吕志伟 ²

作者单位

¹ 河北工业大学先进激光技术研究中心，天津 300401；河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401；麦考瑞大学光子学研究中心，悉尼 2109

² 河北工业大学先进激光技术研究中心，天津 300401；河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401

³ 光电信息控制和安全技术重点实验室，天津 300308

图 & 表

图 1. Applications of diamond in industry and scientific research^[20-28]金刚石在工业及科研领域的应用^[20-28]

Fig. 1.

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图 2. Timeline of the major advances of diamond lasers^{[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]}金刚石激光器的主要发展历程^{[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]}

Fig. 2.

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图 3. Atomic structure diagram of diamond crystal金刚石晶体原子结构图

Fig. 3.

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图 4. Transmission range of diamond (un-coated)金刚石晶体透射光谱范围（未镀膜）

Fig. 4.

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图 5. Schematic of high-power diamond Raman laser: (a) 114 W second-order diamond Raman laser^[72], (b) 1.2 kW diamond Raman laser^[39]高功率金刚石拉曼激光器示意图：（a） 114 W二阶金刚石拉曼激光器^[72]，（b） 1.2 kW金刚石拉曼激光器^[39]

Fig. 5.

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图 6. Comparison of output power between diamond Raman laser and other Raman lasers^{[26, 70]}金刚石拉曼激光器输出功率与其他拉曼激光器的对比^{[26, 70]}

Fig. 6.

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图 7. Schematic diagram of single longitudinal mode diamond Raman laser: (a) 1486 nm second-order single longitudinal mode diamond Raman laser^[77], (b) 7.2 W single longitudinal mode diamond Raman laser^[46], (c) 589 nm sodium guide star diamond Raman laser^[45]单纵模金刚石拉曼激光器示意图：（a） 1486 nm二阶单纵模金刚石拉曼激光器^[77]，（b） 7.2 W单纵模金刚石拉曼激光器^[46]，（c） 589 nm钠导星金刚石拉曼激光器^[45]

Fig. 7.

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图 8. First-order and second-order diamond Raman laser brightness enhancement^[80-81]一阶、二阶金刚石拉曼激光器亮度增强^[80-81]

Fig. 8.

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图 9. (a) Picosecond pumped diamond Raman laser^[40], (b) Femtosecond pumped diamond Raman laser^[42](a)皮秒泵浦金刚石拉曼激光器^[40]， (b)飞秒泵浦金刚石拉曼激光器^[42]

Fig. 9.

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图 10. Monolithic diamond Raman oscillator^[49] (a) schematic diagram, (b) experimental setup 单片式的金刚石拉曼振荡器^[49]：（a）原理图，（b）装置图

Fig. 10.

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图 11. Schematic diagram of diamond Raman beam forming device^[50]金刚石拉曼组束装置示意图^[50]

Fig. 11.

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图 12. The external cavity diamond Raman generating Brillouin laser output^[51]: (a) schematic diagram, (b) frequency shift 外腔金刚石拉曼产生布里渊激光输出^[51]：（a）原理图，（b）频移示意图

Fig. 12.

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图 13. The experimental diagram of the directly pumped diamond Brillouin laser^[27]直接泵浦金刚石布里渊激光器实验结构图^[27]

Fig. 13.

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表 1
Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials
金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

Table1.
Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials
金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

	Gas (H₂、D₂、CH₄)	Crystal (WO₄、VO₄、NO₃)	Optical fiber (SiO₄、GeO、As₂S₃)	Group-IV materials
	Gas (H₂、D₂、CH₄)	Crystal (WO₄、VO₄、NO₃)	Optical fiber (SiO₄、GeO、As₂S₃)	Silicon	Diamond
Thermal conductivity/W∙m⁻¹∙K⁻¹	0.2	5-10	1	150	2000
Transmission spectrum range/μm	Broad	0.3-5	<2.5	1-6	>0.23
Raman gain coefficient /cm∙GW⁻¹	1	1-10	0.01-0.1	1-10	10
Raman shift/cm⁻¹	4000	400-1000	400-600	521	1332.3

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表 2
Comparison of laser performance parameters between diamond and other solid Brillouin gain media
金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比

Table2.
Comparison of laser performance parameters between diamond and other solid Brillouin gain media
金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比

Media	Transmission spectrum range/μm	Brillouin gain coefficient/cm∙GW⁻¹	Brillouin linewidth/MHz	Brillouin shift @1.5 μm/GHz
Fused silica	0.25-3.6	4.52	16	11
CaF₂	0.13-10	4.11	45.6	37.1
TeO₂	0.33-5	100	8.6±2.4	11.4±2.2
As₂S₃	1-8	74	19	7.7
Silicon	>1.2	0.24	320	40
Diamond	>0.23	79±12	11.9±4.3	56

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白振旭, 杨学宗, 陈晖, 金舵, 丁洁, 齐瑶瑶, 李森森, 闫秀生, 王雨雷, 吕志伟. 高功率金刚石激光技术研究进展（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201076. Zhenxu Bai, Xuezong Yang, Hui Chen, Duo Jin, Jie Ding, Yaoyao Qi, Sensen Li, Xiusheng Yan, Yulei Wang, Zhiwei Lv. Research progress of high-power diamond laser technology (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(12): 20201076.

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图 1. Applications of diamond in industry and scientific research^[20-28]金刚石在工业及科研领域的应用^[20-28]

Fig. 1.

图 2. Timeline of the major advances of diamond lasers^{[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]}金刚石激光器的主要发展历程^{[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]}

Fig. 2.

图 3. Atomic structure diagram of diamond crystal金刚石晶体原子结构图

Fig. 3.

图 4. Transmission range of diamond (un-coated)金刚石晶体透射光谱范围（未镀膜）

Fig. 4.

图 5. Schematic of high-power diamond Raman laser: (a) 114 W second-order diamond Raman laser^[72], (b) 1.2 kW diamond Raman laser^[39]高功率金刚石拉曼激光器示意图：（a） 114 W二阶金刚石拉曼激光器^[72]，（b） 1.2 kW金刚石拉曼激光器^[39]

Fig. 5.

图 6. Comparison of output power between diamond Raman laser and other Raman lasers^{[26, 70]}金刚石拉曼激光器输出功率与其他拉曼激光器的对比^{[26, 70]}

Fig. 6.

Fig. 7.

图 8. First-order and second-order diamond Raman laser brightness enhancement^[80-81]一阶、二阶金刚石拉曼激光器亮度增强^[80-81]

Fig. 8.

图 9. (a) Picosecond pumped diamond Raman laser^[40], (b) Femtosecond pumped diamond Raman laser^[42](a)皮秒泵浦金刚石拉曼激光器^[40]， (b)飞秒泵浦金刚石拉曼激光器^[42]

Fig. 9.

图 10. Monolithic diamond Raman oscillator^[49] (a) schematic diagram, (b) experimental setup 单片式的金刚石拉曼振荡器^[49]：（a）原理图，（b）装置图

Fig. 10.

图 11. Schematic diagram of diamond Raman beam forming device^[50]金刚石拉曼组束装置示意图^[50]

Fig. 11.

图 12. The external cavity diamond Raman generating Brillouin laser output^[51]: (a) schematic diagram, (b) frequency shift 外腔金刚石拉曼产生布里渊激光输出^[51]：（a）原理图，（b）频移示意图

Fig. 12.

图 13. The experimental diagram of the directly pumped diamond Brillouin laser^[27]直接泵浦金刚石布里渊激光器实验结构图^[27]

Fig. 13.

表 1
Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials
金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

Table1.
Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials
金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

表 2
Comparison of laser performance parameters between diamond and other solid Brillouin gain media
金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比

Table2.
Comparison of laser performance parameters between diamond and other solid Brillouin gain media
金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比

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图 1. Applications of diamond in industry and scientific research[20-28]金刚石在工业及科研领域的应用[20-28]

Fig. 1.

图 2. Timeline of the major advances of diamond lasers[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]金刚石激光器的主要发展历程[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]

Fig. 2.

图 3. Atomic structure diagram of diamond crystal金刚石晶体原子结构图

Fig. 3.

图 4. Transmission range of diamond (un-coated)金刚石晶体透射光谱范围（未镀膜）

Fig. 4.

图 5. Schematic of high-power diamond Raman laser: (a) 114 W second-order diamond Raman laser[72], (b) 1.2 kW diamond Raman laser[39]高功率金刚石拉曼激光器示意图：（a） 114 W二阶金刚石拉曼激光器[72]，（b） 1.2 kW金刚石拉曼激光器[39]

Fig. 5.

图 6. Comparison of output power between diamond Raman laser and other Raman lasers[26, 70]金刚石拉曼激光器输出功率与其他拉曼激光器的对比[26, 70]

Fig. 6.

Fig. 7.

图 8. First-order and second-order diamond Raman laser brightness enhancement[80-81]一阶、二阶金刚石拉曼激光器亮度增强[80-81]

Fig. 8.

图 9. (a) Picosecond pumped diamond Raman laser[40], (b) Femtosecond pumped diamond Raman laser[42](a)皮秒泵浦金刚石拉曼激光器[40]， (b)飞秒泵浦金刚石拉曼激光器[42]

Fig. 9.

图 10. Monolithic diamond Raman oscillator[49] (a) schematic diagram, (b) experimental setup 单片式的金刚石拉曼振荡器[49]：（a）原理图，（b）装置图

Fig. 10.

图 11. Schematic diagram of diamond Raman beam forming device[50]金刚石拉曼组束装置示意图[50]

Fig. 11.

图 12. The external cavity diamond Raman generating Brillouin laser output[51]: (a) schematic diagram, (b) frequency shift 外腔金刚石拉曼产生布里渊激光输出[51]：（a）原理图，（b）频移示意图

Fig. 12.

图 13. The experimental diagram of the directly pumped diamond Brillouin laser[27]直接泵浦金刚石布里渊激光器实验结构图[27]

Fig. 13.

表 1Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

Table1. Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

表 2Comparison of laser performance parameters between diamond and other solid Brillouin gain media金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比

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图 1. Applications of diamond in industry and scientific research^[20-28]金刚石在工业及科研领域的应用^[20-28]

图 2. Timeline of the major advances of diamond lasers^{[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]}金刚石激光器的主要发展历程^{[27, 28, 32-34, 38, 45, 48-63]}

图 5. Schematic of high-power diamond Raman laser: (a) 114 W second-order diamond Raman laser^[72], (b) 1.2 kW diamond Raman laser^[39]高功率金刚石拉曼激光器示意图：（a） 114 W二阶金刚石拉曼激光器^[72]，（b） 1.2 kW金刚石拉曼激光器^[39]

图 6. Comparison of output power between diamond Raman laser and other Raman lasers^{[26, 70]}金刚石拉曼激光器输出功率与其他拉曼激光器的对比^{[26, 70]}

图 8. First-order and second-order diamond Raman laser brightness enhancement^[80-81]一阶、二阶金刚石拉曼激光器亮度增强^[80-81]

图 9. (a) Picosecond pumped diamond Raman laser^[40], (b) Femtosecond pumped diamond Raman laser^[42](a)皮秒泵浦金刚石拉曼激光器^[40]， (b)飞秒泵浦金刚石拉曼激光器^[42]

图 10. Monolithic diamond Raman oscillator^[49] (a) schematic diagram, (b) experimental setup 单片式的金刚石拉曼振荡器^[49]：（a）原理图，（b）装置图

图 11. Schematic diagram of diamond Raman beam forming device^[50]金刚石拉曼组束装置示意图^[50]

图 12. The external cavity diamond Raman generating Brillouin laser output^[51]: (a) schematic diagram, (b) frequency shift 外腔金刚石拉曼产生布里渊激光输出^[51]：（a）原理图，（b）频移示意图

图 13. The experimental diagram of the directly pumped diamond Brillouin laser^[27]直接泵浦金刚石布里渊激光器实验结构图^[27]

表 1
Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials
金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

Table1.
Comparison of laser performance parameters between diamond and other Raman gain materials
金刚石与其他拉曼增益材料的参数对比

表 2
Comparison of laser performance parameters between diamond and other solid Brillouin gain media
金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比

Table2.
Comparison of laser performance parameters between diamond and other solid Brillouin gain media
金刚石与其他固体布里渊增益材料的参数对比