从分子振动到激光输出：拉曼激光器的物理之旅

从分子振动到激光输出：拉曼激光器的物理之旅

拉曼激光器是一种基于受激拉曼散射效应的非线性光学器件，其核心原理是通过光子与介质分子振动能级的相互作用产生频移光，并通过谐振腔的反馈增强形成激光输出。与传统激光器依赖居量反转不同，拉曼激光器通过能量转移实现波长转换，具有波长灵活性高、热管理优势显著等特点。

拉曼激光器以高功率泵浦激光（通常为532nm、1064nm等波长）作为输入光源，泵浦光通过光学系统聚焦后进入拉曼增益介质（如晶体、光纤或气体）。此时，泵浦光的光子与介质分子发生非弹性碰撞，部分光子将能量转移给分子振动能级，自身能量降低并产生斯托克斯光，波长较泵浦光红移。  

受激拉曼散射的放大过程​  

当斯托克斯光的强度达到阈值时，受激拉曼散射效应被激活。介质中分子振动形成的光学声子与泵浦光子持续相互作用，产生大量相干斯托克斯光子。这一过程遵循非线性光学方程，增益系数与介质的拉曼散射截面成正比，金刚石等材料因高拉曼增益系数成为理想选择。  

谐振腔的反馈与模式锁定​  

产生的斯托克斯光在谐振腔内往返传播，通过反射镜（通常为部分透射镜）形成光学反馈。腔内光场通过模式竞争形成稳定的单纵模或多纵模输出。为抑制寄生振荡（如受激布里渊散射），常采用空间滤波、腔长锁定或引入非线性损耗（如腔内倍频）等技术。  

波长转换与输出调控​  

通过级联拉曼散射可实现多波长输出）。此外，利用光栅、棱镜或声光调制器等波长选择元件，可对输出波长进行精细调谐，覆盖可见光至中红外波段。