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(xué)變頻技術(shù)是獲得新的、滿足實(shí)際應(yīng)用需求的激光波長的一種可靠方法，是目前光學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。在過去的幾十年時(shí)間中，研究者們對(duì)各種非線性效應(yīng)都進(jìn)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(xué)效應(yīng)中，我們將目光集中在光參量振蕩和受激拉曼散射兩個(gè)方面，兩者都是高效的非線性光學(xué)過程，都可以獲得高功率激光輸出。對(duì)于光參量振蕩，我們將重

2、點(diǎn)研究單諧振內(nèi)腔式光參量振蕩器的輸出時(shí)間特性；對(duì)于受激拉曼散射，我們將重點(diǎn)關(guān)注基于晶體拉曼激光技術(shù)的鈉導(dǎo)星激光的實(shí)現(xiàn)，鈉導(dǎo)星激光在天文、國防領(lǐng)域有重要應(yīng)用，是當(dāng)前非線性光學(xué)的重要研究內(nèi)容。
　　 本論文對(duì)被動(dòng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并通過基于速率方程模型的理論模擬和分析，對(duì)實(shí)

3、驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了合理解釋；設(shè)計(jì)了兩種倍頻晶體拉曼激光器方案，用于實(shí)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(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了詳細(xì)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(shí)現(xiàn)了1.5μm和3.5μm參量光的同時(shí)輸出。用光纖耦合半導(dǎo)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(dòng)調(diào)Q開關(guān)，KTA作為非線性晶體，實(shí)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(hào)光(1535 nm)和閑頻光(3467 nm)的功率分別為772 mW和278 mW。此時(shí)的脈沖重復(fù)頻率為36.5 kHz，信號(hào)光和閑頻光的脈沖寬度分別為6.7 ns和2.9 ns，即信號(hào)光脈沖寬度大于閑頻光脈沖寬度。從而實(shí)驗(yàn)證明了，單諧振OPO中

5、信號(hào)光脈沖寬度要大于閑頻光的脈沖寬度。
　　 2.對(duì)上述實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了理論模擬和分析。推導(dǎo)并建立了新的速率方程模型，使之能夠同時(shí)處理內(nèi)腔式單諧振OPO的信號(hào)光和閑頻光的輸出特性。并將該模型應(yīng)用到上述Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA被動(dòng)調(diào)Q內(nèi)腔式單諧振光參量振蕩器中，同時(shí)描述了其信號(hào)光及閑頻光的輸出特性。理論處理結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，也顯示出，單諧振OPO中信號(hào)光脈沖寬度要大于閑頻光脈沖寬度。
　　 3.實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激

6、光泵浦的Nd：GGG/BaWO4晶體拉曼激光器運(yùn)轉(zhuǎn)。用光纖耦合半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔式拉曼激光器。泵浦功率為8.84 W、脈沖重復(fù)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(duì)應(yīng)的光-光(半導(dǎo)體激光-拉曼激光)轉(zhuǎn)換效率為15.8％。
　　 4.在上述研究的基礎(chǔ)上，選用KTiOPO4(KTP)倍頻晶體，實(shí)現(xiàn)

7、了半導(dǎo)體激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4/KTP黃光激光器運(yùn)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(shù)，在泵浦功率為8.84 W、脈沖重復(fù)頻率10 kH的情況下，得到了0.82 W的589 nm黃光，對(duì)應(yīng)的光-光(半導(dǎo)體激光-黃光)轉(zhuǎn)換效率為9.3%。此時(shí)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(dǎo)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(fù)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(shí)Nd：YVO4吸收的泵浦光功率為15.8 W，對(duì)應(yīng)的光一光(半導(dǎo)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(duì)上述c-Nd：YVO4晶體自拉曼激光器進(jìn)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(fù)頻率為40 kHz的情況下

9、，獲得了1.24 W的黃光輸出，對(duì)應(yīng)的光-光(半導(dǎo)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(dǎo)體激光器(880 nm)作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)Q的c-Nd：YVO4/a-YVO4內(nèi)腔式拉曼激光器運(yùn)轉(zhuǎn)。在吸收泵浦光功率為18.1 W、脈沖重復(fù)頻率為45 kHz的情況下，獲得了2.34 W的1178 nm輸出，對(duì)應(yīng)的光-光(半導(dǎo)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(jìn)行了對(duì)比，包括輸出功率、中心波長可調(diào)諧性、光束質(zhì)量三個(gè)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(shí)驗(yàn)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.首次用Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA光參量振蕩器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1.5μm和3.5μm參量光的同時(shí)輸出，獲得了1.05 W的參量光總功率，其中信號(hào)光(1535 nm)和閑頻光(3467nm)的功率分別為772 mW和278 mW。
　　 2.首次實(shí)驗(yàn)證明了，單諧振OPO中信號(hào)光脈沖寬度要大于閑頻光的脈沖寬度。上述實(shí)驗(yàn)獲得的信號(hào)光和閑頻光的脈沖寬度分別為6.7 ns

12、和2.9 ns，即信號(hào)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(shí)處理被動(dòng)調(diào)Q內(nèi)腔式單諧振OPO的信號(hào)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(hào)光脈沖寬度要大于閑頻光脈沖寬度。
　　 4.首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)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(duì)應(yīng)的光-光(半導(dǎo)體激光-拉曼激光)轉(zhuǎn)換效率為15.8%。

13、　　 5.首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)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(duì)應(yīng)的光-光(半導(dǎo)體激光-黃光)轉(zhuǎn)換效率為9.3%。
　　 6.首次實(shí)現(xiàn)了c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器運(yùn)轉(zhuǎn)，獲得了最高功率2.34 W的1178 nm激光輸出，對(duì)應(yīng)的光-光(半導(dǎo)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