基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的高性能光參量振蕩器研究.pdf

1、3-5μm的中波紅外激光對(duì)應(yīng)了大氣的窗口并覆蓋了多種分子的特征吸收譜線使得高功率、高亮度的中波紅外激光在光電對(duì)抗、激光雷達(dá)以及生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)方面有著重要應(yīng)用并越來(lái)越多地受到關(guān)注。光參量振蕩器(OPO)作為產(chǎn)生中波紅外激光的常見(jiàn)技術(shù)手段，可以使用合適的非線性晶體將更為成熟的短波長(zhǎng)激光轉(zhuǎn)換為所需中波紅外激光輸出。相比于傳統(tǒng)雙折射相位匹配的非線性晶體，基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)(QPM)的周期性/非周期性疇極化反轉(zhuǎn)氧化鎂摻雜的鈮酸鋰晶體（PPMgLN/

2、APMgLN）具有有效非線性系數(shù)大、同軸輸出無(wú)走離、抗損傷閾值高、輸出波長(zhǎng)可切換、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)使其脫穎而出，成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。因此，本論文圍繞著如何優(yōu)化設(shè)計(jì)OPO及其泵浦用的摻鐿光纖激光器(YDFL)來(lái)產(chǎn)生高功率、高效率、可實(shí)用化的中波紅外激光展開(kāi)。主要工作內(nèi)容包括了三個(gè)方面，用于泵浦OPO的主振蕩—功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)的線偏振聲光調(diào)Q脈沖YDFL的實(shí)驗(yàn)研究、線偏振脈沖YDFL泵浦的基于PPMgLN晶體的OPO研究和基于APM

3、gLN晶體的級(jí)聯(lián)OPO研究。
　　在MOPA型線偏振脈沖YDFL研究中構(gòu)建了隨機(jī)偏振輸出的聲光調(diào)Q脈沖YDFL和線偏振輸出的聲光調(diào)Q脈沖YDFL作為種子源，分別使用大模場(chǎng)保偏摻鐿光纖進(jìn)行單級(jí)功率放大。其中，隨機(jī)偏振聲光調(diào)Q脈沖YDFL種子源在65kHz的調(diào)制頻率下可以輸出平均功率2W的穩(wěn)定脈沖序列，經(jīng)過(guò)光纖保偏隔離器后單級(jí)功率放大，最終獲得平均功率35W、偏振消光比優(yōu)于12dB的激光輸出。線偏振聲光調(diào)Q的YDFL種子源采用了新穎的

4、單端光纖耦合結(jié)構(gòu)并使用全保偏光纖的設(shè)計(jì)，在同樣65kHz的調(diào)制頻率下獲得了平均功率超過(guò)2.5W、偏振消光比優(yōu)于22dB的線偏振脈沖激光輸出，通過(guò)保偏光纖隔離器后單級(jí)功率放大，獲得了平均功率超過(guò)30W、偏振消光比優(yōu)于18dB的激光輸出。研制的高功率、高亮度、高偏振消光比脈沖YDFL為高性能光參量振蕩器的研制提供了優(yōu)質(zhì)的泵浦源。
　　本論文針對(duì)單通單諧振(SPSR)和雙通單諧振(DPSR)兩種典型的OPO，在閾值、轉(zhuǎn)換效率、最佳信號(hào)光

5、反射率等關(guān)鍵參數(shù)方面進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算;同時(shí)使用研制的線偏振脈沖光纖激光器泵浦自制PPMgLN晶體，針對(duì)兩種不同類(lèi)型的OPO進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。使用多通道PPMgLN晶體研制了波長(zhǎng)可切換的DPSR型OPO，分別在3.43μm、3.63μm、3.72μm、3.83μm和3.99μm波段獲得了4.7W、4.3W、4.1W、3.3W和2.1W的中波紅外激光輸出。研究表明，對(duì)于閑散光波長(zhǎng)較長(zhǎng)的OPO，其閑散光的吸收是影響OPO在高功率運(yùn)作下穩(wěn)定性

6、的主要原因。為了進(jìn)一步提高OPO的穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間可靠性，使用基于線偏振種子源的YDFL泵浦SPSR型OPO，在實(shí)驗(yàn)中獲得了平均功率3.27W的波長(zhǎng)3.82μm的中波紅外激光輸出，輸出中紅外激光在一小時(shí)內(nèi)的峰—峰值功率不穩(wěn)定性小于5.2％，豎直與水平方向的M2值分別為1.98和1.44，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。
　　傳統(tǒng)OPO的轉(zhuǎn)換效率由于受到門(mén)列—羅威（Manley-Rowe）關(guān)系的限制無(wú)法進(jìn)一步提高，而級(jí)聯(lián)OPO可以使用第一級(jí)OPO

7、過(guò)程產(chǎn)生的無(wú)用信號(hào)光通過(guò)第二級(jí)光學(xué)差頻(DFG)過(guò)程放大所需中波紅外閑散光來(lái)實(shí)現(xiàn)泵浦到閑散光轉(zhuǎn)換效率的提升。據(jù)此原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了APMgLN晶體，它能同時(shí)補(bǔ)償OPO和DFG過(guò)程中的相位失配。在實(shí)驗(yàn)中，分別使用了1.06μm波段高峰值功率的線偏振固體激光器和低峰值功率的線偏振光纖激光器做為基于APMgLN晶體的級(jí)聯(lián)OPO的泵浦源。使用固體激光器泵浦時(shí)，在平均功率11W的激光泵浦下獲得了超過(guò)2W的3.8μm激光輸出，泵浦光到閑散光的轉(zhuǎn)換效率