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基于MgO:PPLN的中红外连续波光学参量振荡器技术的研究

赵家群  
【摘要】:3-5μm波段中红外相干光源是三个大气红外窗口(1-3μm、3-5μm和8-12μm)中在大气中衰减最小的,并且该波段涵盖了许多原子和分子的吸收峰,因此该波段在光电对抗、激光光谱学、大气监测、医疗卫生、无线光网络以及空间光通信等领域有着越来越重要的应用价值和前景。中红外光学参量振荡器(OPO)作为一种宽调谐相干光源,具有其它固体激光器不可替代的优点,已成为许多研究领域不可或缺的光源。尤其是连续波中红外光学参量振荡器适合应用于高精度的光谱分析。本论文在理论分析的基础上对基于掺杂氧化镁周期极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)的连续波中红外光学参量振荡器进行了研究。 理论方面,根据光学参量振荡器的基本理论,讨论了单谐振光学参量振荡器的阈值以及阈值与转换效率的关系等,分析了影响参量光线宽的各种因素如泵浦光线宽、泵浦光发散角等;分析了基于周期极化晶体的准相位匹配理论,讨论了基于准相位匹配技术的允许参量,理论分析了基于MgO:PPLN晶体的连续波光学参量振荡器输出波长的调谐特性;对实验中用到的Nd:YVO_4晶体的热分布以及由于热梯度引起的热焦距进行了分析;并讨论了OPO谐振腔的稳定性,分析了臂长、腔镜的曲率半径以及非线性晶体的热透镜效应等因素对OPO谐振腔稳定性的影响。 实验方面,首先对激光二极管(LD)端面泵浦的连续波单频Nd:YVO_4激光器进行研究。谐振腔采用入射角较小的四镜环形腔结构,通过在腔内插入法拉第旋光器、二分之一波片等保证激光器单向运转从而消除空间烧孔效应,最终实现了最大输出功率达13W的连续波单频1064nm激光输出,满足了连续波单频MgO:PPLN OPO对泵浦源的要求。 然后,进行了内腔连续波MgO:PPLN OPO实验研究。泵浦源为Nd:YVO_4激光器,采用的是对称四镜环形腔结构。OPO为对称的四镜直腔结构,非线性晶体为MgO:PPLN晶体,采用信号光单谐振方式,通过晶体的周期调谐和温度调谐,实现了内腔OPO连续波3-4μm中红外激光输出。选用的激光晶体为低掺杂浓度的键合Nd:YVO_4晶体,有效改善了晶体热效应。并且泵浦光为线偏振输出,避免了腔内插入起偏元件和二分之一波片引起的损耗,这大大降低了OPO阈值,提高了参量光的转换效率。该装置最大特点是结构紧凑,易于小型化。 接下来,进行了外腔连续波MgO:PPLN OPO实验研究。在理论分析的基础上采用对称的四镜腔结构,对基于MgO:PPLN晶体的OPO进行了实验研究。采用信号光单谐振的方式,泵浦源为波长1064nm的连续波Yb光纤激光器。并考虑泵浦光的最佳聚焦条件以及利用非线性晶体最大的非线性系数,从而提高OPO参量光转换效率。通过非线性晶体的温度调谐(30-160°C)以及周期调谐(28.5-31.5μm,共7个周期),实现了OPO宽调谐连续波中红外激光输出,闲频光波长从2.9μm到4.1μm范围连续可调。当泵浦光功率40W时,波长3.004μm的闲频光输出功率达到了10.2W。并利用信号光输出耦合镜代替一腔镜,实现了信号光和闲频光的同时输出:当泵浦功率为25W时,OPO输出的参量光总功率达到了10.7W,参量光的转换效率达到了42.8%;1.53μm信号光和3.47μm闲频光输出功率分别为7.2W和3.5W。为获得高功率3.8μm附近激光输出,对OPO腔型结构进行优化设计,采用对称的四镜环形腔结构,当Yb光纤激光器注入的泵浦功率为44W时,MgO:PPLN OPO获得了最大输出功率为4.9W的3.87μm闲频光输出。 最后,进行了连续波单频中红外光学参量振荡器的实验研究。泵浦源为连续波单频Nd:YVO_4激光器,OPO采用对称的四镜环形腔结构和信号光单谐振的谐振方式。通过腔内插入标准具,对腔内振荡的信号光线宽进行压缩,从而实现了连续波单频中红外激光输出。该连续波单频中红外光学参量振荡器可用于高精度的光谱分析。


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