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(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為了降低熱效應(yīng)的影響往往含有較復(fù)雜的散熱機(jī)構(gòu)，不利于實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)了中紅外波段瓦量級(jí)的輸出，采用級(jí)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(shì)，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(zhǎng)等參數(shù)，得到輸出功率高、可調(diào)諧波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)研究等手段，針對(duì)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(jí)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(duì)大功率連續(xù)波光參量振蕩器特性進(jìn)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(gè)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(zhǎng)為1.064μm，信號(hào)光輸出在3.3~3.4μm范圍，當(dāng)泵浦功率小于50 W時(shí)，熱透鏡影響相對(duì)較小。信號(hào)光反射率越小，熱致相位失配越小，在100 W泵浦功率下，相對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)實(shí)現(xiàn)了3248～3820 nm波段的連續(xù)可調(diào)諧輸出。進(jìn)一步開展了四鏡線性腔和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的OPO實(shí)驗(yàn)研究，給出了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(jí)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(jì)算得到的逆向參量過程的閾值與實(shí)驗(yàn)報(bào)道的閾值基本相吻合。計(jì)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(jí)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(jí)聯(lián)非線性參量過程，級(jí)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(jí)范圍。
　　4、結(jié)合兩鏡線性腔結(jié)構(gòu)的OPO中的級(jí)聯(lián)參量過程，開展了連續(xù)太赫茲波的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。通過不同的泵浦功率，得到了相對(duì)于初始信號(hào)光分別為47，94和104 cm-1的頻移量，對(duì)應(yīng)