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基于环型腔的泵浦光增强型光参量放大研究

许金山  
【摘要】: 由于超短超强脉冲激光在物理、生物和化学领域的巨大应用前景,超短脉冲放大已经成为当前最热门的研究领域之一。光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术以其单程增益高,增益带宽大,预脉冲水平低及无热畸变、光束质量好等优点,迅速成为激光脉冲能量放大的主要方法。 本文主要对长脉宽泵浦光抽运下的光参量放大系统进行研究,着重解决脉宽不匹配OPA系统中泵浦光利用率低、增益饱和和反泵浦等问题。针对这此问题,本文提出了一种基于环型腔的泵浦光增强型光参量再生放大方法。环型腔结构为高增益、高转化效率光参量放大(OPA)的进行提供了很好的条件:因为参量增益、转化效率不仅和泵浦光强有关,还和晶体的长度及泵浦光与种子光的时间匹配有关,在基于环型腔结构的OPA系统中,一方面环型腔的特殊结构增加光了泵浦光强,降低的饱和增益的阀值;另一方面光脉冲在腔内传播一周后又回到原来的位置上,可以和非线性晶体进行多次作用,使得泵浦光能量得到充分利用,提高了抽运效率。本论文的研究工作主要包括以下几个方面: 1.在深入分析光参量放大原理的基础上,研究了相位匹配条件、参量带宽对放大脉冲输出能量、压缩能力等的影响。理论研究及数值实验表明,在非共线结构下,OPA只有运行在近简并状态下,才能具有最大的参量带宽。 2.相位匹配是光参量作用有效进行的必要条件。本论文分析了参量作用中相位匹配的基本原理,并通过数值法计算了常见非线性晶体在共线、非共线结构下的相位匹配角。 3.针对OPA系统中的脉宽不匹配问题,本论文提出了一种基于环型腔的多通光参量放大方法。通过对两腔夹角的设计,实现了具有最佳参量带宽的OPA系统。 4.针对多通参量过程中的增益饱和问题,运用光叠加原理,提出了利用环型腔对泵浦光脉冲进行叠加增强的方法,并在理论上分析了该方法的合理性,同时给出了腔长的设计原理。数值实验表明该方法能够显著地提高系统的增益量:相同泵浦光强下增益量增加2.2倍,同时达到相同增益量所需的晶体长度大大减少。 5.提出了一种新型的激光脉冲能量放大方法:泵浦光增强型多通光参量啁啾脉冲再生放大方法。通过数值实验表明,该方法对以Nd:YAG为泵浦源的OPA系统能明显提高转化效率,达到32%。


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