全固態(tài)調(diào)Q、雙調(diào)Q激光泵浦的內(nèi)腔光參量振蕩器特性的研究.pdf

1、光學(xué)參量振蕩器(OPO)因其轉(zhuǎn)換效率高、波長覆蓋范圍寬且穩(wěn)定、能真正實(shí)現(xiàn)波長的連續(xù)調(diào)諧以及可連續(xù)和脈沖兩種方式工作等優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)研究、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及照明上具有十分重要的應(yīng)用，成為非線性光學(xué)頻率變換及激光調(diào)諧技術(shù)領(lǐng)域的重要的組成部分。光學(xué)參量振蕩器的原理是非線性過程中的參量振蕩過程，將非線性晶體放置于諧振腔中，通過非線性轉(zhuǎn)換將泵浦光轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)光和閑頻光，實(shí)現(xiàn)光學(xué)參量振蕩激光的輸出。 速率方程是描述參量振蕩器工作特性的有效工具。從19

2、68年Oshman和Harris首次推導(dǎo)給出了連續(xù)泵浦下的外腔式參量振蕩器(Extraeavity Optical ParametricOscillator)的速率方程開始，許多致力于理論工作的研究者不斷完善OPO的速率方程模型，從連續(xù)泵浦到調(diào)Q脈沖泵浦，從外腔型到內(nèi)腔型。但是，所有這些工作都是建立在平面波理論的基礎(chǔ)上，即假設(shè)基頻光、信號(hào)光和閑頻光的腔內(nèi)光子數(shù)空間分布是均勻的。對(duì)于激光二極管作為泵浦源的參量振蕩器來說，三光的腔內(nèi)空間光子

3、數(shù)應(yīng)該是更接近于高斯分布的。 信號(hào)光的脈寬是與基頻泵浦光的脈寬有關(guān)的。主動(dòng)(聲光、電光)調(diào)制下的激光可以產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖輸出，但調(diào)制脈寬通常比較大；Cr4+：YAG被動(dòng)調(diào)Q激光可以產(chǎn)生更短的脈沖，但是調(diào)制頻率并不穩(wěn)定。當(dāng)主動(dòng)和被動(dòng)調(diào)Q元件同時(shí)置于激光腔內(nèi)時(shí)，能夠得到重復(fù)率穩(wěn)定的短脈沖并具有更高的峰值功率。所以，當(dāng)用雙調(diào)Q基頻激光泵浦參量振蕩器時(shí)，應(yīng)該比主動(dòng)單調(diào)Q情況下具有更高的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生信號(hào)光的脈沖更短、峰值功率更高。

4、 在主動(dòng)調(diào)制手段方面，聲光(AO)和電光(EO)是主要的手段，聲光調(diào)制元件的發(fā)展已經(jīng)比較成熟。傳統(tǒng)的電光晶體，如DKDP(KH2PO4)和LN(LiNO3)等，通常用于比較低的調(diào)制頻率下(＜1 KHz)；作為電光晶體，BBO(β-BaB2O4)具有高的損傷閾值和低的壓電效應(yīng)，但是它的調(diào)制頻率仍然局限在幾個(gè)kHz；具有大的電光常數(shù)的KTP(KTiOPO4)晶體雖然能夠在高重復(fù)率下工作，但是其低電阻系數(shù)限制它的應(yīng)用；新型EO晶體RTP(

5、RbTiOPO4)具有高電阻率(10 10-10 12 Ω·cm)、高電光系數(shù)、高損傷閾值和低壓電效應(yīng)，逐漸得到了廣大科研工作者的關(guān)注。 在非線性晶體方面，相比于傳統(tǒng)的KTiOPO4(KTP)晶體，新型非線性晶體KTiOAsO4(KTA)具有大的非線性系數(shù)，在中紅外光(3-5 μm)范圍內(nèi)具有更大的透光率，并且具有更低的熱效應(yīng)，所有這些優(yōu)點(diǎn)使新型非線性晶體KTA成為近期研究的熱點(diǎn)。 本論文的主要工作包括： Ⅰ測量

6、了LD激光泵浦的聲光(AO)單調(diào)制Nd：GdVO4/KTP內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩器(IOPO)的輸出特性，主要包括平均輸出功率和脈沖寬度以及輸出波形?？紤]腔內(nèi)光子數(shù)密度、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的空間高斯分布，推導(dǎo)出了高斯理論假設(shè)下IOPO的速率方程，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相符合。(§1)Ⅱ以RTP電光(EO)調(diào)Q為主動(dòng)調(diào)制元件，實(shí)現(xiàn)了氙光燈泵浦的高重復(fù)率的Nd3+：YAG/KTP IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)制頻率范圍為10 kHz-30 kHz，并以高斯理論下的速

7、率方程分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過數(shù)值求解，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。(§2)Ⅲ以聲光(AO)開關(guān)為主動(dòng)調(diào)Q元件，以Cr4+：YAG為被動(dòng)調(diào)制元件，實(shí)現(xiàn)了激光二極管泵浦的主被動(dòng)雙調(diào)Q的Nd3+：GdVO4/KTP IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙調(diào)Q的參量振蕩器能夠產(chǎn)生更短脈沖和更高峰值功率的信號(hào)光輸出，并以高斯理論下的速率方程模擬了IOPO的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。(§3)Ⅳ以RTP電光(EO)調(diào)Q為主動(dòng)調(diào)制元件，以Cr4+：YAG為被動(dòng)調(diào)制元件，實(shí)現(xiàn)了氙燈

8、泵浦的主被動(dòng)雙調(diào)Q的Nd3+：YAG/KTP IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)，相比于主動(dòng)單調(diào)制的IOPO，雙調(diào)Q的參量振蕩器能夠產(chǎn)生更短脈沖和更高峰值功率的信號(hào)光輸出，并以高斯理論下的速率方程分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測量了雙調(diào)Q下的基頻光到信號(hào)光的轉(zhuǎn)換效率，表明雙調(diào)Q具有更高的光-光轉(zhuǎn)換效率。(§4)Ⅴ實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd：GdVO4晶體、主被動(dòng)雙調(diào)Q、KTAIOPO運(yùn)轉(zhuǎn)，測量了光學(xué)參量振蕩器的輸出特性，實(shí)現(xiàn)了同等實(shí)驗(yàn)條件下單調(diào)Q及Nd：GdVO4/KTPIOPO

9、的運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在泵浦功率4.10-6.90W范圍內(nèi)，KTA晶體比KTP晶體具有更窄的脈沖寬度和更高的峰值功率。高斯理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(§5)Ⅵ測量了LD泵浦下的KTP/KTA IOPO的輸出光譜特性及KTA IOPO輸出光譜隨晶體溫度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在10-30℃溫度范圍，雙調(diào)和單調(diào)的KTAIOPO輸出信號(hào)光波長均在1570nm附近，略低于KTP IOPO的輸出信號(hào)光波長1573nm附近。(§6) 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工

10、作包括： I考慮激光腔內(nèi)的泵浦光、OPO腔內(nèi)的信號(hào)光和閑頻光的光子數(shù)密度、激光介質(zhì)內(nèi)的初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度的高斯空間分布，首次推導(dǎo)出了高斯理論下描述IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)的速率方程，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，說明高斯理論下的速率方程能較好地描述IOPO的運(yùn)轉(zhuǎn)。 Ⅱ采用RTP晶體作為電光(EO)調(diào)Q元件，實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率(10 kHz-30kHz)電光調(diào)制的IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]到了電光開關(guān)延遲時(shí)間，采用高斯理論下的速率方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行

11、了分析，數(shù)值求解的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 III實(shí)現(xiàn)了LD泵浦Nd3+：GdV04晶體、聲光-Cr4+：YAG主被動(dòng)雙調(diào)Q KTP IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙調(diào)Q激光泵浦的參量振蕩器能夠產(chǎn)生更短脈沖和更高峰值功率的信號(hào)光輸出，高斯理論下的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 IV首次實(shí)現(xiàn)了RTP電光-Cr4+:YAG雙調(diào)Q泵浦的IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙調(diào)Q IOPO輸出光具有更低的泵浦閾值、更高的峰值功率和光光轉(zhuǎn)換效率以