基于光參量振蕩和受激拉曼散射的新型固體激光器研究.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容。在過去的幾十年時間中，研究者們對多種非線性效應進行了深入廣泛的研究，例如，二階非線性過程如倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩等，以及三階非線性過程如四波混頻、受激拉曼散射、受激布里淵散射等。在這諸多的非線性光學效應中，光參量振蕩和受激拉曼散射是兩種高效的非線性光學過程，都可以獲得高功率激光輸出，也是目前非線性光學領域的研究熱點。然而有時這眾多

2、的非線性效應也不能滿足人們的需求，因此研究者們將兩種甚至多種非線性效應相結合，靈活多變地產(chǎn)生所需波長，極大地拓寬了現(xiàn)有光譜。例如，將受激拉曼散射技術與倍頻技術結合，能夠產(chǎn)生黃橙波段的光，將受激拉曼散射與和頻技術結合，可以得到黃綠波段的光等等。本論文將目光集中在光參量振蕩和受激拉曼散射兩種非線性過程以及將這兩種技術相結合的新手段上。
　　 本論文對信號光振蕩和閑頻光振蕩的兩種內腔式單諧振KTiOAsO4(KTA)光參量振蕩器(Op

3、tical Parametric Oscillator，OPO)進行實驗研究，并通過速率方程模型的理論模擬和分析，對實驗結果進行了合理解釋;測試了新型BaTeMo2O9(BTM)拉曼晶體的自發(fā)拉曼譜和相對拉曼散射截面，并獲得了輸出波長分別為1179 nm和1531nm的內腔式BTM拉曼激光器的穩(wěn)定運轉;采用拉曼泵浦OPO的方式，將拉曼技術和OPO技術成功結合，得到了一種新型非線性頻率變換激光器件;為了提高非線性光學過程的轉換效率，以側面

4、泵浦Nd∶YAG激光器為例，研究了熱透鏡效應對基頻光輸出特性的影響。本文研究的具體內容為:
　　 1.實現(xiàn)了信號光(1535nm)振蕩的內腔式單諧振KTA光參量振蕩器。用激光二極管端面泵浦方式，鍵合YVO4/Nd∶YVO4作為激光晶體，KTA作為非線性晶體，聲光調Q方式，在泵浦功率為25.9 W的情況下，獲得信號光和閑頻光(3467nm)的平均輸出功率分別為3.77W和1.18W。發(fā)現(xiàn)在此信號光諧振的單諧振OPO中，信號光脈沖寬

5、度大于閑頻光脈沖寬度。在最大輸出功率處兩者的脈沖寬度分別為3.8 ns和2.9 ns。光束質量因子（M2）在兩個垂直方向上分別為2.1±0.1和2.0±0.1以及9.5±0.5和8.8±0.5。
　　 2.推導并建立了新的速率方程模型，使之能夠同時處理內腔式單諧振OPO中信號光和閑頻光的輸出特性。并將該模型應用到上述信號光振蕩的Nd∶YVO4/KTA內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。理論處理結果和

6、實驗結果吻合較好，也顯示出，信號光諧振的單諧振OPO中信號光脈沖寬度要大于閑頻光脈沖寬度。
　　 3.為了改善閑頻光的光束質量，同時也為了更加深入的研究單諧振OPO中兩個參量光的時間特性，設計了一個閑頻光振蕩的單諧振OPO系統(tǒng)。采用激光二極管端面泵浦方式，聲光調Q，Nd∶YAG晶體為激光介質，KTA為OPO晶體，通過設計腔鏡鍍膜，使閑頻光發(fā)生振蕩并輸出，信號光不振蕩直接輸出。在泵浦功率為15.4 W的情況下，獲得了720 mW的

7、信號光和107 mW的閑頻光。閑頻光的光束質量因子為1.1±0.1和1.2±0.1，可見閑頻光的光束質量得到了極大改善。該實驗也顯示出在此閑頻光諧振的單諧振OPO中閑頻光脈沖寬度要大于信號光脈沖寬度。最大功率處，信號光和閑頻光的脈沖寬度分別為3.1 ns和7.2 ns。結合兩個實驗，對于單諧振OPO的時間特性，我們可以總結為哪個光發(fā)生振蕩，哪個光的脈沖寬度就偏大。
　　 4.測試了新型拉曼晶體BaTeMo2O9(BTM)沿X、Y

8、、Z三個方向的自發(fā)拉曼散射譜。發(fā)現(xiàn)當入射光沿BTM的X和Y，方向傳播時，拉曼峰值在915 cm-1處，沿Z方向傳播時，拉曼峰值在921 cm-1處。以YVO4為參考晶體，測量了Z方向切割的BTM晶體的相對拉曼散射增益截面。
　　 5.實現(xiàn)了激光二極管端面泵浦的BTM晶體1179 nm內腔式拉曼激光器運轉。采用Nd∶YAG作為激光晶體，聲光調Q方式，X方向切割的BTM晶體為拉曼增益介質，在泵浦功率為8.6 W，脈沖重復頻率為10k

9、Hz的情況下，獲得了輸出功率為625mW的1179 nm(一)階斯托克斯光輸出。脈沖寬度為9.9 ns，峰值功率為6.3 kW。
　　 6.基于BTM晶體，實現(xiàn)了人眼安全拉曼激光器運轉。采用激光二極管端面泵浦方式，Nd∶YVO4作為激光晶體，聲光調Q，Z方向切割的BTM晶體為拉曼增益介質，在泵浦功率為10.8 W，脈沖重復頻率為25 kHz的情況下，獲得了0.83 W的1531nm拉曼激光輸出。相應的脈沖寬度為11 ns，峰值功

10、率為3.0 kW。
　　 7.提出了利用拉曼激光器作為泵浦源來泵浦光參量振蕩器的新構想，并且采用Nd∶YAG/BaWO4/KTP的架構，成功實現(xiàn)了拉曼泵浦OPO系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉。Nd∶YAG產(chǎn)生的1064nm激光通過BaWO4拉曼晶體被頻移到1180nm。1180nm斯托克斯光又作為KTP-OPO的泵浦源，通過參量轉換，輸出波長為1810nm的信號光。最終在泵浦功率為7.2 W，重復頻率為15kHz的條件下，獲得的信號光平均功率為

11、490mW，對應的半導體激光到信號光的轉換效率為6.8％。
　　 8.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，使之能夠描述內腔式拉曼泵浦OPO系統(tǒng)的所有參量，包括基頻光、拉曼光和信號光的輸出特性。實驗結果與理論結果吻合較好，同時討論了激光晶體、拉曼晶體和OPO晶體的熱透鏡效應。
　　 9.研究了晶體熱效應對基頻光運轉特性的影響。以側面泵浦Nd∶YAG棒為例，測試了該激光器輸出1123nm激光時，徑向

12、和切向這兩個不同方向的等效熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化情況。并且與該激光器輸出1064nm激光時的情況作了比較。討論了具有雙焦點特性的等效熱透鏡對激光輸出功率、穩(wěn)定性及光束質量的影響。
　　 本論文主要創(chuàng)新點如下:
　　 1.首次將端面泵浦KTA光參量振蕩器的3.5μm中紅外閑頻光輸出功率提升到瓦級。通過選用合適的介質以及合理的腔型設計，在泵浦功率為25.9 W，脈沖重復率為50 kHz的情況下，獲得了平均功率高達1.18

13、W的中紅外閑頻光。
　　 2.首次將閑頻光的運轉特性加入到單諧振OPO的速率方程組中，建立了新的速率方程模型，使之能夠同時描述內腔式單諧振OPO的信號光和閑頻光的運轉特性。
　　 3.首次實現(xiàn)了3.5μm閑頻光振蕩的單諧振KTA-OPO，且輸出閑頻光的光束質量得到極大改善。并采用此實驗驗證了單諧振OPO中信號光的脈沖寬度與閑頻光的脈沖寬度并不相等的結論，而是哪個光發(fā)生振蕩，哪個光的脈沖寬度就較大。
　　 4.首次

14、提出了利用拉曼激光器作為泵浦源來泵浦光參量振蕩器的新構想，并且采用Nd∶YAG/BaWO4/KTP的架構，成功實現(xiàn)了拉曼泵浦OPO系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉。Nd∶YAG產(chǎn)生的1064nm激光通過BaWO4晶體被頻移到1180nm。11SOnm一階斯托克斯光又作為KTP-OPO的泵浦源，通過參量轉換，最終得到波長為1810nm的信號光輸出。
　　 5.首次采用BTM晶體實現(xiàn)了人眼安全波段拉曼光的輸出。采用激光二極管端面泵浦方式，聲光調Q，N