雙波長光參量振蕩器及589nm拉曼黃光激光器的研究.pdf

1、非線性光學變頻技術是獲得新的、滿足實際應用需求的激光波長的一種可靠方法，是目前光學領域的重要研究內(nèi)容。在過去的幾十年時間中，研究者們對各種非線性效應都進行了深入廣泛的研究，例如，二階非線性過程倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩等，以及三階非線性過程四波混頻、受激拉曼散射、受激布里淵散射等。在諸多的非線性光學效應中，我們將目光集中在光參量振蕩和受激拉曼散射兩個方面，兩者都是高效的非線性光學過程，都可以獲得高功率激光輸出。對于光參量振蕩，我們將重

2、點研究單諧振內(nèi)腔式光參量振蕩器的輸出時間特性；對于受激拉曼散射，我們將重點關注基于晶體拉曼激光技術的鈉導星激光的實現(xiàn)，鈉導星激光在天文、國防領域有重要應用，是當前非線性光學的重要研究內(nèi)容。
　　 本論文對被動調(diào)Q的內(nèi)腔式Nd：Y3Al5O12(Nd：YAG)/KTiOAsO4(KTA)單諧振光參量振蕩器(Optical Parametric Oscillator，OPO)進行實驗研究，并通過基于速率方程模型的理論模擬和分析，對實

3、驗結(jié)果進行了合理解釋；設計了兩種倍頻晶體拉曼激光器方案，用于實現(xiàn)589 nm鈉黃光輸出，分別是倍頻c切Nd：YVO4拉曼激光器和倍頻Nd：Gd3Ga5O12(Nd：GGG)/BaWO4拉曼激光器方案，并對其運轉(zhuǎn)特性進行了詳細研究。
　　 本文的具體研究內(nèi)容為：
　　 1.用Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA光參量振蕩器架構(gòu)實現(xiàn)了1.5μm和3.5μm參量光的同時輸出。用光纖耦合半導體激光器(808 nm)作為泵浦源，

4、用Nd：YAG作為激光晶體，Cr4+：YAG作為被動調(diào)Q開關，KTA作為非線性晶體，實現(xiàn)了內(nèi)腔式單諧振光參量振蕩器。在泵浦功率為11.4 W的情況下，獲得了1.05 W的參量光總功率，其中信號光(1535 nm)和閑頻光(3467 nm)的功率分別為772 mW和278 mW。此時的脈沖重復頻率為36.5 kHz，信號光和閑頻光的脈沖寬度分別為6.7 ns和2.9 ns，即信號光脈沖寬度大于閑頻光脈沖寬度。從而實驗證明了，單諧振OPO中

5、信號光脈沖寬度要大于閑頻光的脈沖寬度。
　　 2.對上述實驗進行了理論模擬和分析。推導并建立了新的速率方程模型，使之能夠同時處理內(nèi)腔式單諧振OPO的信號光和閑頻光的輸出特性。并將該模型應用到上述Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA被動調(diào)Q內(nèi)腔式單諧振光參量振蕩器中，同時描述了其信號光及閑頻光的輸出特性。理論處理結(jié)果和實驗結(jié)果吻合較好，也顯示出，單諧振OPO中信號光脈沖寬度要大于閑頻光脈沖寬度。
　　 3.實現(xiàn)了半導體激

6、光泵浦的Nd：GGG/BaWO4晶體拉曼激光器運轉(zhuǎn)。用光纖耦合半導體激光器(808 nm)作為泵浦源，用Nd：GGG作為激光晶體，聲光調(diào)Q，拉曼增益介質(zhì)選用BaWO4晶體，實現(xiàn)了內(nèi)腔式拉曼激光器。泵浦功率為8.84 W、脈沖重復頻率為10 kH的情況下，獲得了1.4 W的1178 nm拉曼激光輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉(zhuǎn)換效率為15.8％。
　　 4.在上述研究的基礎上，選用KTiOPO4(KTP)倍頻晶體，實現(xiàn)

7、了半導體激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4/KTP黃光激光器運轉(zhuǎn)，并獲得了589 nm鈉黃光輸出。倍頻激光器的研究采用內(nèi)腔式倍頻技術，在泵浦功率為8.84 W、脈沖重復頻率10 kH的情況下，得到了0.82 W的589 nm黃光，對應的光-光(半導體激光-黃光)轉(zhuǎn)換效率為9.3%。此時的黃光脈沖寬度為9 ns，峰值功率為9.1 kW。
　　 5.用光纖耦合半導體激光器(880 nm)作為泵浦源，研究了聲光調(diào)Q的c切Nd：YVO4

8、(c-Nd：YVO4)晶體自拉曼激光器的輸出特性。在重復頻率45 kH的情況下，我們獲得了1178 nm拉曼激光的最高輸出功率2.14 W，此時Nd：YVO4吸收的泵浦光功率為15.8 W，對應的光一光(半導體激光-拉曼激光)轉(zhuǎn)換效率為13.5%。
　　 6.仍選用KTP作為倍頻晶體，對上述c-Nd：YVO4晶體自拉曼激光器進行腔內(nèi)倍頻，獲得了589 nm鈉黃光。在吸收泵浦光功率為12.4 W、脈沖重復頻率為40 kHz的情況下

9、，獲得了1.24 W的黃光輸出，對應的光-光(半導體激光-黃光)轉(zhuǎn)換效率為10%。其光束質(zhì)量因子(M2)分別為2.78(水平方向)、3.01(豎直方向)。
　　 7.用光纖耦合半導體激光器(880 nm)作為泵浦源，實現(xiàn)了聲光調(diào)Q的c-Nd：YVO4/a-YVO4內(nèi)腔式拉曼激光器運轉(zhuǎn)。在吸收泵浦光功率為18.1 W、脈沖重復頻率為45 kHz的情況下，獲得了2.34 W的1178 nm輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉(zhuǎn)

10、換效率為12.9%。
　　 8.將上述c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器輸出特性與c-Nd：YVO4晶體自拉曼激光器進行了對比，包括輸出功率、中心波長可調(diào)諧性、光束質(zhì)量三個方面。通過控制a-YVO4拉曼晶體的溫度，我們研究了該晶體拉曼激光器的輸出波長隨拉曼晶體溫度的調(diào)諧特性。實驗結(jié)果顯示，相比較于c-Nd：YVO4晶體自拉曼激光器，c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器在輸出功率、輸出波長可調(diào)諧性、光束質(zhì)量等方面均占

11、優(yōu)勢。
　　 本論文主要創(chuàng)新點如下：
　　 1.首次用Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA光參量振蕩器架構(gòu)實現(xiàn)了1.5μm和3.5μm參量光的同時輸出，獲得了1.05 W的參量光總功率，其中信號光(1535 nm)和閑頻光(3467nm)的功率分別為772 mW和278 mW。
　　 2.首次實驗證明了，單諧振OPO中信號光脈沖寬度要大于閑頻光的脈沖寬度。上述實驗獲得的信號光和閑頻光的脈沖寬度分別為6.7 ns

12、和2.9 ns，即信號光脈沖寬度大于閑頻光脈沖寬度。
　　 3.建立了新的速率方程模型，使之能夠同時處理被動調(diào)Q內(nèi)腔式單諧振OPO的信號光和閑頻光的輸出特性。首次通過理論模擬證明了單諧振OPO中信號光脈沖寬度要大于閑頻光脈沖寬度。
　　 4.首次實現(xiàn)了半導體激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4拉曼激光器，獲得了最高功率1.4 W的1178 nm拉曼激光輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉(zhuǎn)換效率為15.8%。

13、　　 5.首次實現(xiàn)了半導體激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4/KTP倍頻拉曼激光器，獲得了最高功率0.82 W的鈉黃光輸出，對應的光-光(半導體激光-黃光)轉(zhuǎn)換效率為9.3%。
　　 6.首次實現(xiàn)了c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器運轉(zhuǎn)，獲得了最高功率2.34 W的1178 nm激光輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉(zhuǎn)換效率為12.9%。
　　 7.將c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器與c-Nd