光纖激光泵浦的連續(xù)波光參量振蕩器研究.pdf

1、光學(xué)參量振蕩器（Optical Parametric Oscillator，OPO）作為一種最常用的可調(diào)諧激光光源，在光電對抗、光通信、遙感和光譜學(xué)等研究領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體泵浦的固體激光器是OPO的最常用泵浦源。這類激光器在高功率運轉(zhuǎn)時為了降低熱效應(yīng)的影響往往含有較復(fù)雜的散熱機構(gòu)，不利于實用化的OPO在結(jié)構(gòu)的緊湊性、系統(tǒng)的復(fù)雜度等方面的要求。光纖激光器比傳統(tǒng)OPO所用二極管泵浦固體激光器泵浦源轉(zhuǎn)換效率高。這使得其在與其他

2、固體激光器同等輸出功率下對制冷需求大大降低。這使得采用光纖激光器泵浦的OPO能夠在縮小系統(tǒng)尺寸前提下，得到較高轉(zhuǎn)換效率的激光輸出。
　　目前周期極化晶體技術(shù)的成熟使得準(zhǔn)相位匹配連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器實現(xiàn)了中紅外波段瓦量級的輸出，采用級聯(lián)振蕩方式得到了在太赫茲波段的電磁波輸出。如何利用以光纖激光器作為泵浦源的連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器的優(yōu)勢，通過調(diào)整高性能泵浦源輸出功率、極化晶體的溫度、周期、諧振腔長等參數(shù)，得到輸出功率高、可調(diào)諧波長范圍大

3、、結(jié)構(gòu)緊湊的可調(diào)諧光源是本文研究的主要問題。論文通過理論與數(shù)值模擬分析和實驗研究等手段，針對光纖激光泵浦的連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器分別開展了高功率寬調(diào)諧連續(xù)波中紅外OPO和級聯(lián)太赫茲參量振蕩相關(guān)研究。論文的主要工作包括以下內(nèi)容：
　　1、對大功率連續(xù)波光參量振蕩器特性進行了理論分析。通過有限元分析的方法詳細(xì)分析了采用MgO:PPLN晶體的高功率連續(xù)波輸出OPO當(dāng)中的兩個主要熱效應(yīng)：熱透鏡效應(yīng)和熱致相位失配效應(yīng)。分析結(jié)果表明：基于MgO

4、:PPLN晶體的兩鏡線性腔模型，在室溫下工作，泵浦光波長為1.064μm，信號光輸出在3.3~3.4μm范圍，當(dāng)泵浦功率小于50 W時，熱透鏡影響相對較小。信號光反射率越小，熱致相位失配越小，在100 W泵浦功率下，相對完全相位匹配下轉(zhuǎn)化效率減小了近10％。
　　2、建立了光纖激光器泵浦的線性腔和環(huán)形腔 OPO實驗裝置，實驗研究了線性腔結(jié)構(gòu)的中紅外CW-OPO的輸出功率特性。在49 W線偏振光的泵浦下，得到了波長為3.414μm的

5、閑頻光最大12.09 W輸出，量子轉(zhuǎn)換效率為79.2%，波長為3.81μm的閑頻光最大4.25 W輸出，量子轉(zhuǎn)換效率為31.1%。同時實現(xiàn)了3248～3820 nm波段的連續(xù)可調(diào)諧輸出。進一步開展了四鏡線性腔和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的OPO實驗研究，給出了實驗的設(shè)計分析過程，得到了相關(guān)的功率輸出特性。
　　3、建立并推導(dǎo)了級聯(lián)連續(xù)波光參量振蕩過程的平面波分析模型。通過該模型計算得到的逆向參量過程的閾值與實驗報道的閾值基本相吻合。計算結(jié)果表明：

6、在晶體周期為24μm到30μm之間，前向參量過程的閾值為逆向過程的2.2~2.4倍。高階級聯(lián)參量過程的能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)大于存在 Manley-Rowe關(guān)系限制的非級聯(lián)非線性參量過程，級聯(lián)次數(shù)小于6的參量轉(zhuǎn)換過程的能量轉(zhuǎn)換效率大小在10-4~10-5量級范圍。
　　4、結(jié)合兩鏡線性腔結(jié)構(gòu)的OPO中的級聯(lián)參量過程，開展了連續(xù)太赫茲波的相關(guān)實驗研究。通過不同的泵浦功率，得到了相對于初始信號光分別為47，94和104 cm-1的頻移量，對應(yīng)