自種子注入雙固體標(biāo)準(zhǔn)具耦合腔高效脈沖中紅外光參量振蕩器技術(shù)研究.pdf

1、3-5μm中紅外激光在大氣污染物監(jiān)測(cè)、目標(biāo)特征探測(cè)、激光醫(yī)療以及高分辨率光譜學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其窄譜寬可調(diào)諧的激光系統(tǒng)是滿足此類應(yīng)用的理想光源。例如在3μm的附近波段，大氣環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域中，溫室氣體N2O（笑氣）的吸收峰在2.85μm附近，大氣污染物C2H2的吸收峰在3.05μm等。采用光參量振蕩(OPO)技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧中紅外相干激光輸出是一種有效的技術(shù)手段，基于此技術(shù)的固體激光光源具備壽命長(zhǎng)、效率高、可靠穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。在O

2、PO技術(shù)所用到的非線性晶體中，摻氧化鎂的周期性疇極化鈮酸鋰(PPMgLN)晶體因采用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)而具備高增益、寬調(diào)諧、低閾值等優(yōu)點(diǎn)，且其優(yōu)良的光譜透過(guò)性使其可用到高效且技術(shù)成熟的lμm光纖激光器泵浦源，此類泵浦源具有高緊湊性和高便捷性等優(yōu)點(diǎn)，因此，光纖激光器泵浦的寬調(diào)諧脈沖中紅外PPMgLN-OPO光源因具有高峰值功率、低閾值等優(yōu)點(diǎn)更受到科研工作者的青睞。但是，受到泵浦光譜寬和PPMgLN增益譜寬等因素的影響，通常情況下，中紅外OPO

3、光源自由振蕩激光輸出的光譜寬度（譜寬）很寬，一般高達(dá)十幾納米甚至幾十納米，難以滿足在實(shí)際應(yīng)用窄譜寬(＜0.5nm)激光光源的需求;因此，獲取寬調(diào)諧、窄譜寬高效中紅外輸出具有重要的意義。本文針對(duì)在中紅外脈沖激光譜寬控制、波長(zhǎng)調(diào)諧以及轉(zhuǎn)換效率等方面遇到的難以整合的問(wèn)題，分別開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，獲得了寬調(diào)諧、窄譜寬高效3μm附近的中紅外脈沖激光輸出。
　　在理論方面:(1)從相位匹配理論出發(fā)，理論分析并計(jì)算了PPMgLN-OPO的周期

4、輸出波長(zhǎng)調(diào)諧和溫度波長(zhǎng)輸出調(diào)諧特性，為實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧中紅外激光提供基本理論依據(jù)。(2)基于激光諧振腔理論，分析了腔參數(shù)對(duì)振蕩信號(hào)光模式的影響;同時(shí)，在雙程泵浦情況下，分析了返程泵浦光的光斑對(duì)OPO閾值和轉(zhuǎn)換效率的影響;基于此理論分析進(jìn)一步優(yōu)化了OPO腔結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)OPO低閾值高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。(3)從光色散基本理論出發(fā)，理論分析了在參量系統(tǒng)中，泵浦光的譜寬、泵浦光發(fā)散角、參量噪聲、高增益等因素對(duì)參量系統(tǒng)閑散光譜寬的影響;在單諧振OPO系統(tǒng)中，分析

5、并推導(dǎo)了自由振蕩OPO閑散光譜寬隨泵浦光超閾值倍數(shù)的變化關(guān)系，據(jù)此得出實(shí)現(xiàn)窄譜寬中紅外參量激光輸出的必備因素，為光譜寬度控制元件（全息體光柵、標(biāo)準(zhǔn)具）的技術(shù)參數(shù)提供依據(jù);同時(shí)，為下一步實(shí)驗(yàn)獲取窄譜寬高效中紅外激光輸出提供理論依據(jù)。(4)根據(jù)研究課題目標(biāo)要求，理論分析并模擬實(shí)驗(yàn)中選頻元件（全息體光柵、標(biāo)準(zhǔn)具）的光譜選擇性，為實(shí)驗(yàn)奠定理論基礎(chǔ)。
　　在實(shí)驗(yàn)方面:(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求，設(shè)計(jì)并制作了高精度溫控爐。(2)采用單頻脈沖光纖激光

6、器作為PPMgLN-OPO的泵浦源，采用凹凸彎月鏡在保證信號(hào)光和泵浦光模式匹配的情況下聚焦返程泵浦光，獲得了高效中紅外激光輸出，為實(shí)現(xiàn)下一步窄譜寬高效中紅外激光輸出奠定了基礎(chǔ)。(3)在被動(dòng)閑散光譜寬控制的技術(shù)路線下，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的反射式全息體光柵作為信號(hào)光譜寬的壓窄元件，在約14W的泵浦功率下，將振蕩信號(hào)譜寬度從約10nm（自由振蕩情況下）壓窄到0.1nm，間接地將閑散光從自由振蕩時(shí)的40nm壓窄到0.42nm，解決了閑散光無(wú)法直接被壓

7、窄的問(wèn)題，同時(shí)，中紅外激光的光光轉(zhuǎn)換達(dá)到了18.1％，驗(yàn)證了此方案間接實(shí)現(xiàn)高效窄譜寬閑散光的正確性:但是，僅實(shí)現(xiàn)了約為8nm的中紅外閑散光的波長(zhǎng)調(diào)諧。(4)為了克服因?yàn)榉瓷湫筒祭駥?duì)溫度調(diào)諧的不敏感性和使用環(huán)境溫度范圍的局限性。在間接獲取中紅外閑散光的技術(shù)路線下，采用單縱模光纖激光器泵浦PPMgLN，將標(biāo)準(zhǔn)具設(shè)計(jì)作為OPO的腔鏡，有效地對(duì)振蕩信號(hào)光的增益譜寬進(jìn)行調(diào)制和控制;同時(shí)，采用種子自注入技術(shù)和雙固體標(biāo)準(zhǔn)具耦合腔，使振蕩信號(hào)光微弱邊