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基于准相位匹配技术的高性能光参量振荡器研究

陈滔  
【摘要】:3-5μm的中波红外激光对应了大气的窗口并覆盖了多种分子的特征吸收谱线使得高功率、高亮度的中波红外激光在光电对抗、激光雷达以及生物医学检测方面有着重要应用并越来越多地受到关注。光参量振荡器(OPO)作为产生中波红外激光的常见技术手段,可以使用合适的非线性晶体将更为成熟的短波长激光转换为所需中波红外激光输出。相比于传统双折射相位匹配的非线性晶体,基于准相位匹配技术(QPM)的周期性/非周期性畴极化反转氧化镁掺杂的铌酸锂晶体(PPMgLN/APMgLN)具有有效非线性系数大、同轴输出无走离、抗损伤阈值高、输出波长可切换、设计灵活等优点使其脱颖而出,成为该领域的研究热点。因此,本论文围绕着如何优化设计OPO及其泵浦用的掺镱光纤激光器(YDFL)来产生高功率、高效率、可实用化的中波红外激光展开。主要工作内容包括了三个方面,用于泵浦OPO的主振荡—功率放大(MOPA)结构的线偏振声光调Q脉冲YDFL的实验研究、线偏振脉冲YDFL泵浦的基于PPMgLN晶体的OPO研究和基于APMgLN晶体的级联OPO研究。 在MOPA型线偏振脉冲YDFL研究中构建了随机偏振输出的声光调Q脉冲YDFL和线偏振输出的声光调Q脉冲YDFL作为种子源,分别使用大模场保偏掺镱光纤进行单级功率放大。其中,随机偏振声光调Q脉冲YDFL种子源在65kHz的调制频率下可以输出平均功率2W的稳定脉冲序列,经过光纤保偏隔离器后单级功率放大,最终获得平均功率35W、偏振消光比优于12dB的激光输出。线偏振声光调Q的YDFL种子源采用了新颖的单端光纤耦合结构并使用全保偏光纤的设计,在同样65kHz的调制频率下获得了平均功率超过2.5W、偏振消光比优于22dB的线偏振脉冲激光输出,通过保偏光纤隔离器后单级功率放大,获得了平均功率超过30W、偏振消光比优于18dB的激光输出。研制的高功率、高亮度、高偏振消光比脉冲YDFL为高性能光参量振荡器的研制提供了优质的泵浦源。 本论文针对单通单谐振(SPSR)和双通单谐振(DPSR)两种典型的OPO,在阈值、转换效率、最佳信号光反射率等关键参数方面进行了相应的数值计算;同时使用研制的线偏振脉冲光纤激光器泵浦自制PPMgLN晶体,针对两种不同类型的OPO进行了实验研究。使用多通道PPMgLN晶体研制了波长可切换的DPSR型OPO,分别在3.43μm、3.63μm、3.72μm、3.83μm和3.99μm波段获得了4.7W、4.3W、4.1W、3.3W和2.1W的中波红外激光输出。研究表明,对于闲散光波长较长的OPO,其闲散光的吸收是影响OPO在高功率运作下稳定性的主要原因。为了进一步提高OPO的稳定性和长时间可靠性,使用基于线偏振种子源的YDFL泵浦SPSR型OPO,在实验中获得了平均功率3.27W的波长3.82gm的中波红外激光输出,输出中红外激光在一小时内的峰—峰值功率不稳定性小于5.2%,竖直与水平方向的M2值分别为1.98和1.44,并已经实现了产品化。 传统OPO的转换效率由于受到门列—罗威(Manley-Rowe)关系的限制无法进一步提高,而级联OPO可以使用第一级OPO过程产生的无用信号光通过第二级光学差频(DFG)过程放大所需中波红外闲散光来实现泵浦到闲散光转换效率的提升。据此原理,我们设计了APMgLN晶体,它能同时补偿OPO和DFG过程中的相位失配。在实验中,分别使用了1.06μm波段高峰值功率的线偏振固体激光器和低峰值功率的线偏振光纤激光器做为基于APMgLN晶体的级联OPO的泵浦源。使用固体激光器泵浦时,在平均功率11W的激光泵浦下获得了超过2W的3.8μm激光输出,泵浦光到闲散光的转换效率和斜效率分别高达18.5%和21.5%。使用线偏振YDFL泵浦时,在最大24.8W的泵浦功率下获得了4.35W的3.81μm激光输出,相应的泵浦光到闲散光的转换效率和斜效率为17.5%和21.3%。实验表明,无论是高峰值功率还是低峰值功率的泵浦条件,基于级联技术的光参量振荡器均能产生高效的中波红外激光输出。


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