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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)偏振聲光調(diào)Q脈沖YDFL的實(shí)驗(yàn)研究、線(xiàn)偏振脈沖YDFL泵浦的基于PPMgLN晶體的OPO研究和基于A(yíng)PM

3、gLN晶體的級(jí)聯(lián)OPO研究。
　　在MOPA型線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)偏振固體激光器和低峰值功率的線(xiàn)偏振光纖激光器做為基于A(yíng)PMgLN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