內(nèi)腔光參量振蕩器及新波長固體激光器的研究.pdf

1、光參量振蕩(Optical Parametric Oscillation，OPO)是一種實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率變換的有效途徑，它利用非線性晶體的混頻特性，通過相位匹配獲得信號(hào)光與閑頻光兩個(gè)波長，可實(shí)現(xiàn)寬頻可調(diào)諧的激光輸出。對(duì)于光參量振蕩器的研究目前主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)以最常用的1.06μm激光作為泵浦源，通過光參量振蕩產(chǎn)生1.5μm左右的人眼安全激光輸出；(2)以1.06μm激光泵涌磷鍺鋅光參量振蕩(ZGP-OPO)，產(chǎn)生2μm的激光輸

2、出。由于2μm激光對(duì)大氣和煙霧的穿透能力強(qiáng)，因而在激光雷達(dá)、激光測(cè)距、遙控傳感及醫(yī)學(xué)和光通訊等方面都有著重要的應(yīng)用；(3)通過非線性頻率變換實(shí)現(xiàn)中紅外3-5μm的激光輸出。由于3-5μm是一個(gè)重要的大氣窗口波段，位于這一波段的激光對(duì)大霧、煙塵等都具有較強(qiáng)的穿透力，因此在雷達(dá)系統(tǒng)、光譜測(cè)量、激光測(cè)距、紅外遙感和醫(yī)學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。中紅外光參量振蕩器一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，它具有調(diào)諧范圍寬、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、全固化等優(yōu)點(diǎn)，且隨著各種

3、新型優(yōu)質(zhì)的中紅外非線性晶體的出現(xiàn)，使中紅外光參量振蕩器向世人展示出了其越來越廣泛的發(fā)展前景。
　　 受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)屬于三階非線性效應(yīng)，也是實(shí)現(xiàn)激光頻率變換，產(chǎn)生新波長的重要途徑之一，頻率轉(zhuǎn)換后的激光波長由泵浦光波長和拉曼介質(zhì)決定。通過選擇不同波長的泵浦光和不同材質(zhì)不同頻移的拉曼介質(zhì)，可以得到從紫外到近紅外范圍的受激拉曼散射光譜。與傳統(tǒng)的氣體和液體拉曼介質(zhì)相比較，固體

4、拉曼介質(zhì)具有粒子濃度大、體積小、拉曼增益高、熱傳導(dǎo)性好、機(jī)械性能好、易于和全固態(tài)激光技術(shù)相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。以晶體作為拉曼介質(zhì)的固體拉曼激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、醫(yī)療、交通、信息和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。目前，美國、俄羅斯、澳大利亞，及中國臺(tái)灣等國家和地區(qū)的研究者都在積極地參與固體拉曼激光器的研究，其中，俄羅斯的科學(xué)家在拉曼晶體生長和特性研究方面做了許多開創(chuàng)性的工作。我國在晶體生長領(lǐng)域也居世界領(lǐng)先水平，這為我國的固

5、態(tài)拉曼激光器的研究提供了便利的條件。
　　 本論文主要分兩部分，一部分是以Nd：YAG產(chǎn)生的1064 nm激光作為泵浦源，對(duì)內(nèi)腔式砷酸鈦氧鉀(KTiOAsO4，KTA)晶體中紅外波段光參量振蕩器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究；另一部分是對(duì)兩種新波長激光器的實(shí)驗(yàn)研究。本文的研究內(nèi)容主要有：
　　 1.對(duì)光參量振蕩中的三波互作用的基本理論進(jìn)行了分析，對(duì)KTA晶體的相位匹配角和有效非線性系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)非臨界相位匹配理論做了介紹。<

6、br>　　 2.以Nd：YAG晶體作為激光介質(zhì)，KTA晶體作為非線性晶體，采用聲光調(diào)Q，研究了LD端而泵浦主動(dòng)調(diào)Q內(nèi)腔式中紅外KTA光參量振蕩器的輸出特性。主要包括光譜特性、功率特性、脈沖特性以及光束質(zhì)量等。用1064 nm的激光泵浦Ⅱ類非臨界相位匹配(NCPM)的KTA晶體時(shí)，獲得的信號(hào)光波長為1535 nm，獲得的中紅外閑頻光波長為3469 nm。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同重復(fù)頻率下，中紅外閑頻光的平均輸出功率、脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系。

7、當(dāng)LD泵浦功率為14.93 W，脈沖重復(fù)頻率為40 kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的中紅外閑頻光的最高平均輸出功率為0.46 W，最高總輸出功率為1.83 W，相應(yīng)的由LD到參量光的光-光轉(zhuǎn)換效率為12.3％。測(cè)得此時(shí)的閑頻光脈寬為4 ns，獲得的峰值功率為2.9 kW。此時(shí)閑頻光的光束質(zhì)量為12左右。
　　 3.對(duì)LD端泵、聲光調(diào)Q的Nd：YAG/KTA內(nèi)腔式OPO進(jìn)行了理論分析，將初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和腔內(nèi)光子數(shù)密度在腔內(nèi)分布看作是高斯分

8、布，而非平面波近似分布，建立了速率方程理論模型；并在求解過程中考慮了晶體的熱透鏡效應(yīng)問題，計(jì)算了Nd：YAG晶體的熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化趨勢(shì)，最終對(duì)速率方程進(jìn)行了數(shù)值求解，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，這也證明了我們這個(gè)速率方程理論模型的正確性。
　　 4.實(shí)現(xiàn)了在雙棒串接的LD側(cè)面泵浦的條件下，以Nd：YAG晶體作為激光介質(zhì)，以X切KTA晶體作為非線性晶體，采用聲光調(diào)Q的內(nèi)腔式KTA光參量振蕩器的高效運(yùn)

9、轉(zhuǎn)，獲得的閑頻光波長為3469 nm。采用串接兩個(gè)相同的LD側(cè)向泵浦Nd：YAG棒作為泵浦源，中間放入90°石英旋光片以補(bǔ)償熱致雙折射，采用平凸腔的設(shè)計(jì)以增加穩(wěn)區(qū)范圍并減輕腔內(nèi)高泵浦功率下熱效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同重復(fù)頻率下，中紅外閑頻光以及信號(hào)光的平均輸出功率、脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系。當(dāng)LD泵浦功率為208 W，脈沖重復(fù)頻率為12.5 kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的中紅外閑頻光的最高平均輸出功率為3.4 W，此時(shí)測(cè)得的脈寬為19 ns，

10、獲得的峰值功率為14 kW。當(dāng)LD泵浦功率為208 W，脈沖重復(fù)頻率為7.5 kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的信號(hào)光功率為12.7 W，閑頻光功率為3.1 W，相應(yīng)的由LD到總的參量光的光.光轉(zhuǎn)換效率為7.6％，這是目前LD側(cè)面泵浦聲光調(diào)Q KTA內(nèi)腔式光參量振蕩的最高轉(zhuǎn)換效率。
　　 5.首次實(shí)現(xiàn)了一種基于BaWO4晶體332cm-1頻移的1103 nm的內(nèi)腔拉曼激光器。以LD端面泵浦Nd：YAG晶體產(chǎn)生1064 nm激光作為泵浦光，選用

11、拉曼頻移為332 cm-1的46 mm長的BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q，產(chǎn)生了波長為1103 nm的激光。在LD泵浦功率為7.55 W，脈沖重復(fù)率為17 kHz的條件下，獲得最高的拉曼光功率為1.23 W，相應(yīng)的由LD到拉曼光的轉(zhuǎn)換效率為16.3％，此時(shí)拉曼光在水平和豎直方向的光束質(zhì)量因子分別為2.0±0.2和1.8±0.2。同時(shí)，關(guān)于BaWO4晶體的熱透鏡效應(yīng)問題也在給出了相應(yīng)的分析。
　　 6.首次實(shí)現(xiàn)了氙燈泵浦

12、的自由運(yùn)轉(zhuǎn)的1073.8 nm激光輸出。采用平凹腔結(jié)構(gòu)，用氙閃光燈泵浦尺寸為φ6 mm×110 mm的Nd：YAG晶體，產(chǎn)生了1073.8 nm的激光輸出。當(dāng)輸入泵浦能量為69.6 J，脈沖重復(fù)率為1 Hz時(shí)，獲得的最高脈沖能量為487 mJ。
　　 本論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.設(shè)計(jì)優(yōu)化了LD端面泵浦聲光調(diào)Q的中紅外KTA內(nèi)腔光參量振蕩器，當(dāng)泵浦功率為14.93 W時(shí)，獲得了1.83 W的總輸出功率，包括1.37

13、W的信號(hào)光(1.54μm)功率和0.46 W的中紅外閑頻光(3.47μm)功率，相應(yīng)的總光.光轉(zhuǎn)換效率為12.3％，這也是目前所報(bào)道的LD端泵聲光調(diào)Q的中紅外KTA-IOPO的最高轉(zhuǎn)換效率。
　　 2.首次實(shí)現(xiàn)了雙側(cè)泵Nd：YAG聲光調(diào)Q的KTA內(nèi)腔光參量振蕩器。兩個(gè)完全相同的LD側(cè)向泵浦Nd：YAG棒模塊串接放置，且在兩模塊中放入90°石英旋光片以補(bǔ)償熱致雙折射，這些作為泵浦源。優(yōu)化了泵浦光，為下面的實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。
　　

14、 3.實(shí)現(xiàn)LD雙側(cè)泵、聲光調(diào)Q、Nd：YAG/KTA內(nèi)腔式中紅外OPO。在LD泵浦功率為208 W，脈沖重復(fù)頻率為7.5 kHz時(shí)，獲得的總輸出功率為15.8 W，其中信號(hào)光功率為12.7 W，閑頻光功率為3.1 W，相應(yīng)的由LD到總的參量光的光.光轉(zhuǎn)換效率為7.6％，這是目前LD側(cè)面泵浦聲光調(diào)Q KTA內(nèi)腔式光參量振蕩的最高轉(zhuǎn)換效率。
　　 4.首次實(shí)現(xiàn)了一種基于BaWO4晶體332cm-1頻移的1103 nm內(nèi)腔拉曼激光器

15、。采用LD端面泵浦Nd：YAG晶體，以按X(ZZ)X配置的BaWO4晶體作為拉曼介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了332 cm-1頻移的受激拉曼散射。在激光二極管泵浦功率為7.55W，聲光Q開關(guān)工作頻率為17 kHz的條件下，獲得最高平均功率為1.23 W的拉曼光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到16.3％，并估算了此時(shí)BaWO4晶體的熱透鏡焦距值。首次觀察到了LD側(cè)面泵浦的基于BaWO4晶體332cm-1頻移的1103nm的拉曼激光輸出。
　　 5.首次實(shí)現(xiàn)了