1064nm主振蕩功率放大泵浦PPMgLN中紅外光學(xué)參量振蕩器研究.pdf

1、高重頻、納秒級可調(diào)諧中紅外（3-5μm）激光在軍事對抗、大氣環(huán)境監(jiān)測等軍民領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是近年來激光技術(shù)的一個重要研究分支。以高重頻、窄脈寬1064nm主振蕩功率放大（MOPA）泵浦的 PPMgLN光參量振蕩器(OPO)是一種提高中紅外激光運轉(zhuǎn)重頻、壓窄脈寬、實現(xiàn)高功率輸出的有效方法，該方面的研究對于中紅外激光器的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。本論文以準(zhǔn)相位匹配和光參量振蕩技術(shù)理論研究為切入點，分析了高重頻、窄脈寬中紅外激光轉(zhuǎn)換效率提升

2、的影響因素，重點開展了1064nm-MOPA泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計與PPMgLN-OPO器件參數(shù)優(yōu)化，最終實現(xiàn)了高重頻、窄脈寬、可調(diào)諧中紅外激光穩(wěn)定輸出。具體開展的研究工作和取得的主要研究成果如下：
　　理論方面：從準(zhǔn)相位匹配和光參量振蕩原理出發(fā)，推導(dǎo)了涵蓋偏振態(tài)變化的三波互作用耦合方程，分析了偏振態(tài)耦合和逆轉(zhuǎn)換問題對準(zhǔn)相位匹配光參量振蕩器轉(zhuǎn)換效率的影響；基于PPMgLN極化晶體，對PPMgLN-OPO的不同調(diào)諧方式進(jìn)行了模擬研究。

3、　　設(shè)計方面：分別針對高重頻、窄脈寬1064nm主振蕩功率放大器與PPMgLN光參量振蕩器開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計與器件參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)四能級速率方程研究了不同器件及結(jié)構(gòu)參數(shù)對1064nm主振蕩器重復(fù)頻率、脈寬的影響，優(yōu)化設(shè)計了高密度LD端面泵浦耦合Nd:YVO4裝置，通過對Nd:YVO4增益介質(zhì)的熱效應(yīng)理論分析和熱焦距模擬計算，綜合考慮泵浦與諧振光斑模式匹配，優(yōu)化設(shè)計了1064nm主振蕩器諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時，從增益飽和效應(yīng)及放大模式匹配原理入手

4、，完成了模塊化1064nm放大級結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計；在此基礎(chǔ)上，對單諧振外腔泵浦PPMgLN-OPO的增益、閾值、轉(zhuǎn)換效率、振蕩過程的 PPMgLN晶體熱效應(yīng)進(jìn)行了理論分析和模擬計算，并由理論分析結(jié)果，確定了耦合腔鏡曲率及膜系透過率、泵浦光斑與振蕩參量光斑比值、腔型尺寸等重要參數(shù)的最佳取值范圍。
　　實驗方面：首先對PPMgLN-OPO高重頻、窄脈寬1064nm主振蕩功率放大器泵浦源進(jìn)行了實驗研究，主振蕩器諧振腔采用L型折疊腔結(jié)構(gòu)，并在

5、腔內(nèi)置入垂直狹縫進(jìn)行光斑模式限制，放大級采用二級功率放大結(jié)構(gòu)，在聲光調(diào)Q重復(fù)頻率70kHz下實現(xiàn)了40.1W平均功率、9.82ns窄脈寬的1064nm脈沖激光輸出。應(yīng)用以上泵浦結(jié)構(gòu)，開展了外腔泵浦PPMgLN-OPO實驗研究，采用極化周期29μm、3mm厚度的PPMgLN晶體作為參量變頻介質(zhì)，實現(xiàn)了最高3.84μm閑頻光3.24W和1.47μm信號光9.01W的功率輸出。通過分析實驗中出現(xiàn)的能量逆轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，進(jìn)一步改變 OPO輸出鏡透過率

6、，調(diào)節(jié)泵浦光偏振態(tài)優(yōu)化模式匹配，獲得了4.86W的3.84μm中紅外激光輸出，脈沖寬度為9.56ns，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15.5％，并有效抑制了逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)。最后，分別開展了 PPMgLN-OPO周期調(diào)諧和溫度調(diào)諧的實驗研究，采用間隔0.5μm的28.5~31.5μm多周期PPMgLN晶體，通過改變晶體極化周期實現(xiàn)了中紅外激光波長從2965.5~4173.5nm范圍內(nèi)的可調(diào)諧輸出，調(diào)諧帶寬達(dá)到1208nm。隨后采用29μm單周期PPMgL