全固態(tài)內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩及內(nèi)腔倍頻技術(shù)的研究.pdf

1、內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩(IOPO)及內(nèi)腔倍頻技術(shù)是非線(xiàn)性光學(xué)頻率變換領(lǐng)域中的兩個(gè)重要組成部分，其可以有效利用腔內(nèi)較高的功率密度，獲得高功率、高能量的激光輸出，并且具有轉(zhuǎn)換效率高、閾值低的特點(diǎn)。其中，內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩技術(shù)是獲得人眼安全波段1.5xμm激光光源的重要手段之一，該波段的激光在光通訊、激光測(cè)距、激光雷達(dá)與遙感、大氣探測(cè)、激光醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，由于THz波的特點(diǎn)，基于內(nèi)腔THz參量振蕩技術(shù)產(chǎn)生THz波輻射已成為當(dāng)

2、前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，高功率綠光激光器因其在激光材料加工、激光彩色顯示、激光醫(yī)療以及激光同位素分離等領(lǐng)域的重要應(yīng)用而成為研究的熱點(diǎn)。內(nèi)腔倍頻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高功率綠光激光器輸出的最常用的方法。
　　 本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)可歸納如下：
　　 1.從準(zhǔn)連續(xù)泵浦被動(dòng)調(diào)Q激光器的速率方程出發(fā)，首次推導(dǎo)了準(zhǔn)連續(xù)被動(dòng)調(diào)Q激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的閾值泵浦速率的計(jì)算公式，給出了在一個(gè)泵浦周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)脈沖的閾值泵浦速率及功率范圍的表達(dá)式，分析了

3、泵浦脈沖寬度、泵浦速率及輸出鏡反射率對(duì)輸出脈沖能量和脈沖寬度的影響。并且對(duì)被動(dòng)調(diào)Q激光器進(jìn)行理論上的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
　　 2.從理論上研究了主動(dòng)調(diào)Q IOPO和被動(dòng)調(diào)Q IOPO在單諧振和雙諧振時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了激光輸出鏡反射率、泵浦強(qiáng)度及被動(dòng)調(diào)Q可飽和吸收體透過(guò)率對(duì)輸出脈沖的影響。首次推導(dǎo)了單諧振內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩的閾值公式。理論分析結(jié)果為內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩的實(shí)驗(yàn)研究提供了深入和全面的理論基礎(chǔ)；
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4、.基于內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩技術(shù)，采用不同的調(diào)Q方式對(duì)1.57μm人眼安全激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)采用LD側(cè)面泵浦Nd∶YAG晶體，聲光調(diào)Q，KTP晶體作為參量振蕩晶體，獲得了重復(fù)頻率3.5kHz、平均功率1.2W、脈沖寬度4.9ns的1.57μm激光輸出，這是首次采用全固態(tài)LD側(cè)面泵浦方式實(shí)現(xiàn)1.57μm激光輸出的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)采用電光調(diào)Q方式，獲得了重復(fù)頻率10Hz、單脈沖能量31.5mJ、脈沖寬度3.48ns的1.57μm激光輸出。當(dāng)采用

5、準(zhǔn)連續(xù)LD側(cè)面泵浦Nd∶YAG晶體，Cr4+∶YAG晶體被動(dòng)調(diào)Q，獲得了重復(fù)頻率40Hz、最大單脈沖能量2.3mJ、脈沖寬度2.6ns的1.57μm激光輸出。后兩者在同類(lèi)文獻(xiàn)報(bào)道中均為最高能量輸出，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；
　　 4.總結(jié)和分析了MgO∶LiNbO3晶體在紅外、近紅外以及THz波段的色散和吸收特性，理論計(jì)算了基于MgO∶LiNbO3晶體非共線(xiàn)相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)THz波參量振蕩輸出的波長(zhǎng)調(diào)諧曲線(xiàn)。根據(jù)TPO的原理，首次推導(dǎo)

6、了雙波長(zhǎng)THz波產(chǎn)生的相關(guān)理論。實(shí)驗(yàn)中，采用電光調(diào)Q Nd∶YAG激光器內(nèi)腔泵浦TPO裝置，通過(guò)角度調(diào)諧得到了1069.4-1073.4nm的相干窄帶、連續(xù)可調(diào)的Stokes光輸出，理論計(jì)算對(duì)應(yīng)輸出THz的頻率范圍為1.4-2.5THz。
　　 5.對(duì)高功率綠光激光器進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。在理論上計(jì)算了內(nèi)腔倍頻綠光激光器中激光晶體和倍頻晶體中的溫度分布，其中，激光晶體分別采用單晶Nd∶YAG棒和復(fù)合Nd∶YAG陶瓷棒。理論計(jì)算了有

7、熱致雙折射時(shí)諧振腔的穩(wěn)區(qū)分布。采用CEO公司生產(chǎn)的1600W半導(dǎo)體側(cè)泵模塊，基于新型的復(fù)合Nd∶YAG陶瓷多晶棒，進(jìn)行了準(zhǔn)連續(xù)綠光激光器的實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)采用單聲光調(diào)Q時(shí)，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率10.6kHz，最大平均功率為104W的綠光輸出。在100W時(shí)，功率不穩(wěn)定性為0.1％，這是利用陶瓷Nd∶YAG晶體實(shí)現(xiàn)的綠光輸出最高功率；當(dāng)采用正交的雙聲光Q開(kāi)關(guān)調(diào)Q，高抗灰跡的KTP晶體倍頻，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率25kHz，最大平均功率153W的綠光輸出，光光