自種子注入雙固體標準具耦合腔高效脈沖中紅外光參量振蕩器技術(shù)研究.pdf

1、3-5μm中紅外激光在大氣污染物監(jiān)測、目標特征探測、激光醫(yī)療以及高分辨率光譜學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其窄譜寬可調(diào)諧的激光系統(tǒng)是滿足此類應(yīng)用的理想光源。例如在3μm的附近波段，大氣環(huán)境檢測領(lǐng)域中，溫室氣體N2O（笑氣）的吸收峰在2.85μm附近，大氣污染物C2H2的吸收峰在3.05μm等。采用光參量振蕩(OPO)技術(shù)實現(xiàn)寬調(diào)諧中紅外相干激光輸出是一種有效的技術(shù)手段，基于此技術(shù)的固體激光光源具備壽命長、效率高、可靠穩(wěn)定性高等優(yōu)點。在O

2、PO技術(shù)所用到的非線性晶體中，摻氧化鎂的周期性疇極化鈮酸鋰(PPMgLN)晶體因采用準相位匹配技術(shù)而具備高增益、寬調(diào)諧、低閾值等優(yōu)點，且其優(yōu)良的光譜透過性使其可用到高效且技術(shù)成熟的lμm光纖激光器泵浦源，此類泵浦源具有高緊湊性和高便捷性等優(yōu)點，因此，光纖激光器泵浦的寬調(diào)諧脈沖中紅外PPMgLN-OPO光源因具有高峰值功率、低閾值等優(yōu)點更受到科研工作者的青睞。但是，受到泵浦光譜寬和PPMgLN增益譜寬等因素的影響，通常情況下，中紅外OPO

3、光源自由振蕩激光輸出的光譜寬度（譜寬）很寬，一般高達十幾納米甚至幾十納米，難以滿足在實際應(yīng)用窄譜寬(＜0.5nm)激光光源的需求;因此，獲取寬調(diào)諧、窄譜寬高效中紅外輸出具有重要的意義。本文針對在中紅外脈沖激光譜寬控制、波長調(diào)諧以及轉(zhuǎn)換效率等方面遇到的難以整合的問題，分別開展了理論和實驗研究，獲得了寬調(diào)諧、窄譜寬高效3μm附近的中紅外脈沖激光輸出。
　　在理論方面:(1)從相位匹配理論出發(fā)，理論分析并計算了PPMgLN-OPO的周期

4、輸出波長調(diào)諧和溫度波長輸出調(diào)諧特性，為實現(xiàn)可調(diào)諧中紅外激光提供基本理論依據(jù)。(2)基于激光諧振腔理論，分析了腔參數(shù)對振蕩信號光模式的影響;同時，在雙程泵浦情況下，分析了返程泵浦光的光斑對OPO閾值和轉(zhuǎn)換效率的影響;基于此理論分析進一步優(yōu)化了OPO腔結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)OPO低閾值高效的運轉(zhuǎn)。(3)從光色散基本理論出發(fā)，理論分析了在參量系統(tǒng)中，泵浦光的譜寬、泵浦光發(fā)散角、參量噪聲、高增益等因素對參量系統(tǒng)閑散光譜寬的影響;在單諧振OPO系統(tǒng)中，分析

5、并推導(dǎo)了自由振蕩OPO閑散光譜寬隨泵浦光超閾值倍數(shù)的變化關(guān)系，據(jù)此得出實現(xiàn)窄譜寬中紅外參量激光輸出的必備因素，為光譜寬度控制元件（全息體光柵、標準具）的技術(shù)參數(shù)提供依據(jù);同時，為下一步實驗獲取窄譜寬高效中紅外激光輸出提供理論依據(jù)。(4)根據(jù)研究課題目標要求，理論分析并模擬實驗中選頻元件（全息體光柵、標準具）的光譜選擇性，為實驗奠定理論基礎(chǔ)。
　　在實驗方面:(1)根據(jù)實驗的需求，設(shè)計并制作了高精度溫控爐。(2)采用單頻脈沖光纖激光

6、器作為PPMgLN-OPO的泵浦源，采用凹凸彎月鏡在保證信號光和泵浦光模式匹配的情況下聚焦返程泵浦光，獲得了高效中紅外激光輸出，為實現(xiàn)下一步窄譜寬高效中紅外激光輸出奠定了基礎(chǔ)。(3)在被動閑散光譜寬控制的技術(shù)路線下，采用優(yōu)化設(shè)計的反射式全息體光柵作為信號光譜寬的壓窄元件，在約14W的泵浦功率下，將振蕩信號譜寬度從約10nm（自由振蕩情況下）壓窄到0.1nm，間接地將閑散光從自由振蕩時的40nm壓窄到0.42nm，解決了閑散光無法直接被壓

7、窄的問題，同時，中紅外激光的光光轉(zhuǎn)換達到了18.1％，驗證了此方案間接實現(xiàn)高效窄譜寬閑散光的正確性:但是，僅實現(xiàn)了約為8nm的中紅外閑散光的波長調(diào)諧。(4)為了克服因為反射型布拉格對溫度調(diào)諧的不敏感性和使用環(huán)境溫度范圍的局限性。在間接獲取中紅外閑散光的技術(shù)路線下，采用單縱模光纖激光器泵浦PPMgLN，將標準具設(shè)計作為OPO的腔鏡，有效地對振蕩信號光的增益譜寬進行調(diào)制和控制;同時，采用種子自注入技術(shù)和雙固體標準具耦合腔，使振蕩信號光微弱邊