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全固态调Q、双调Q激光泵浦的内腔光参量振荡器特性的研究

王静  
【摘要】: 光学参量振荡器(OPO)因其转换效率高、波长覆盖范围宽且稳定、能真正实现波长的连续调谐以及可连续和脉冲两种方式工作等优点,在科学研究、导弹制导以及照明上具有十分重要的应用,成为非线性光学频率变换及激光调谐技术领域的重要的组成部分。光学参量振荡器的原理是非线性过程中的参量振荡过程,将非线性晶体放置于谐振腔中,通过非线性转换将泵浦光转变为信号光和闲频光,实现光学参量振荡激光的输出。 速率方程是描述参量振荡器工作特性的有效工具。从1968年Oshman和Harris首次推导给出了连续泵浦下的外腔式参量振荡器(Extracavity Optical ParametricOscillator)的速率方程开始,许多致力于理论工作的研究者不断完善OPO的速率方程模型,从连续泵浦到调Q脉冲泵浦,从外腔型到内腔型。但是,所有这些工作都是建立在平面波理论的基础上,即假设基频光、信号光和闲频光的腔内光子数空间分布是均匀的。对于激光二极管作为泵浦源的参量振荡器来说,三光的腔内空间光子数应该是更接近于高斯分布的。 信号光的脉宽是与基频泵浦光的脉宽有关的。主动(声光、电光)调制下的激光可以产生稳定的脉冲输出,但调制脉宽通常比较大;Cr~(4+):YAG被动调Q激光可以产生更短的脉冲,但是调制频率并不稳定。当主动和被动调Q元件同时置于激光腔内时,能够得到重复率稳定的短脉冲并具有更高的峰值功率。所以,当用双调Q基频激光泵浦参量振荡器时,应该比主动单调Q情况下具有更高的光学转换效率,产生信号光的脉冲更短、峰值功率更高。 在主动调制手段方面,声光(AO)和电光(EO)是主要的手段,声光调制元件的发展已经比较成熟。传统的电光晶体,如DKDP(KH_2PO_4)和LN(LiNO_3)等,通常用于比较低的调制频率下(1 KHz);作为电光晶体,BBO(β-BaB_2O_4)具有高的损伤阈值和低的压电效应,但是它的调制频率仍然局限在几个kHz;具有大的电光常数的KTP(KTiOPO_4)晶体虽然能够在高重复率下工作,但是其低电阻系数限制它的应用;新型EO晶体RTP(RbTiOPO44)具有高电阻率(10~(10)-10~(12)Ω·cm)、高电光系数、高损伤阈值和低压电效应,逐渐得到了广大科研工作者的关注。 在非线性晶体方面,相比于传统的KTiOPO_4(KTP)晶体,新型非线性晶体KTiOAsO_4(KTA)具有大的非线性系数,在中红外光(3-5μm)范围内具有更大的透光率,并且具有更低的热效应,所有这些优点使新型非线性晶体KTA成为近期研究的热点。 本论文的主要工作包括: Ⅰ测量了LD激光泵浦的声光(AO)单调制Nd:GdVO_4/KTP内腔光学参量振荡器(IOPO)的输出特性,主要包括平均输出功率和脉冲宽度以及输出波形。考虑腔内光子数密度、反转粒子数密度的空间高斯分布,推导出了高斯理论假设下IOPO的速率方程,理论计算值与实验值相符合。(§1) Ⅱ以RTP电光(EO)调Q为主动调制元件,实现了氙光灯泵浦的高重复率的Nd~(3+):YAG/KTP IOPO运转,调制频率范围为10 kHz-30 kHz,并以高斯理论下的速率方程分析了实验结果,通过数值求解,对实验结果进行了理论模拟。(§2) Ⅲ以声光(AO)开关为主动调Q元件,以Cr~(4+):YAG为被动调制元件,实现了激光二极管泵浦的主被动双调Q的Nd~(3+):GdVO_4/KTP IOPO运转,实验结果表明,双调O的参量振荡器能够产生更短脉冲和更高峰值功率的信号光输出,并以高斯理论下的速率方程模拟了IOPO的运转特性。(§3) Ⅳ以RTP电光(EO)调Q为主动调制元件,以Cr~(4+):YAG为被动调制元件,实现了氙灯泵浦的主被动双调Q的Nd~(3+):YAG/KTP IOPO运转,相比于主动单调制的IOPO,双调Q的参量振荡器能够产生更短脉冲和更高峰值功率的信号光输出,并以高斯理论下的速率方程分析了实验结果。测量了双调Q下的基频光到信号光的转换效率,表明双调Q具有更高的光.光转换效率。(§4) Ⅴ实现了LD泵浦Nd:GdVO_4晶体、主被动双调Q、KTAIOPO运转,测量了光学参量振荡器的输出特性,实现了同等实验条件下单调Q及Nd:GdVO_4_/KTPIOPO的运转。实验结果表明,在泵浦功率4.10-6.90 W范围内,KTA晶体比KTP晶体具有更窄的脉冲宽度和更高的峰值功率。高斯理论计算值与实验结果相符。(§5) Ⅵ测量了LD泵浦下的KTP/KTAIOPO的输出光谱特性及KTAIOPO输出光谱随晶体温度的变化。实验结果表明,在10-30℃温度范围,双调和单调的KTAIOPO输出信号光波长均在1570nm附近,略低于KTP IOPO的输出信号光波长1573nm附近。(§6) 论文的主要创新工作包括: Ⅰ考虑激光腔内的泵浦光、OPO腔内的信号光和闲频光的光子数密度、激光介质内的初始反转粒子数密度的高斯空间分布,首次推导出了高斯理论下描述IOPO运转的速率方程,理论计算值与实验结果相符,说明高斯理论下的速率方程能较好地描述IOPO的运转。 Ⅱ采用RTP晶体作为电光(EO)调Q元件,实现了高重复频率(10 kHz-30kHz)电光调制的IOPO运转。考虑到了电光开关延迟时间,采用高斯理论下的速率方程对实验结果进行了分析,数值求解的理论计算值与实验结果相符。 Ⅲ实现了LD泵浦Nd~(3+):GdVO_4晶体、声光-Cr~(4+):YAG主被动双调Q KTP IOPO运转,实验结果表明,双调Q激光泵浦的参量振荡器能够产生更短脉冲和更高峰值功率的信号光输出,高斯理论下的计算值与实验结果相符。 Ⅳ首次实现了RTP电光-Cr~(4+):YAG双调Q泵浦的IOPO运转,实验结果表明,双调Q IOPO输出光具有更低的泵浦阈值、更高的峰值功率和光光转换效率以及更窄的脉冲宽度。 Ⅴ利用KTA作为非线性晶体,对LD泵浦Nd:GdVO_4晶体、主被动双调Q IOPO进行了系统的理论和实验研究。相比于传统的OPO非线性晶体KTP,KTA作为OPO非线性转换介质具有自身的优势,理论计算值与实验结果相符。


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