基于MgO-PPLN的中紅外連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器技術(shù)的研究.pdf

1、3-5μm波段中紅外相干光源是三個(gè)大氣紅外窗口（1-3μm、3-5μm和8-12μm）中在大氣中衰減最小的，并且該波段涵蓋了許多原子和分子的吸收峰，因此該波段在光電對(duì)抗、激光光譜學(xué)、大氣監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)以及空間光通信等領(lǐng)域有著越來(lái)越重要的應(yīng)用價(jià)值和前景。中紅外光學(xué)參量振蕩器（OPO）作為一種寬調(diào)諧相干光源，具有其它固體激光器不可替代的優(yōu)點(diǎn)，已成為許多研究領(lǐng)域不可或缺的光源。尤其是連續(xù)波中紅外光學(xué)參量振蕩器適合應(yīng)用于高精度的光譜

2、分析。本論文在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)基于摻雜氧化鎂周期極化鈮酸鋰晶體（MgO:PPLN）的連續(xù)波中紅外光學(xué)參量振蕩器進(jìn)行了研究。
　　理論方面，根據(jù)光學(xué)參量振蕩器的基本理論，討論了單諧振光學(xué)參量振蕩器的閾值以及閾值與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系等，分析了影響參量光線寬的各種因素如泵浦光線寬、泵浦光發(fā)散角等；分析了基于周期極化晶體的準(zhǔn)相位匹配理論，討論了基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的允許參量，理論分析了基于MgO:PPLN晶體的連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器輸出波長(zhǎng)的調(diào)

3、諧特性；對(duì)實(shí)驗(yàn)中用到的Nd:YVO4晶體的熱分布以及由于熱梯度引起的熱焦距進(jìn)行了分析；并討論了OPO諧振腔的穩(wěn)定性，分析了臂長(zhǎng)、腔鏡的曲率半徑以及非線性晶體的熱透鏡效應(yīng)等因素對(duì)OPO諧振腔穩(wěn)定性的影響。
　　實(shí)驗(yàn)方面，首先對(duì)激光二極管（LD）端面泵浦的連續(xù)波單頻Nd:YVO4激光器進(jìn)行研究。諧振腔采用入射角較小的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)在腔內(nèi)插入法拉第旋光器、二分之一波片等保證激光器單向運(yùn)轉(zhuǎn)從而消除空間燒孔效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率

4、達(dá)13W的連續(xù)波單頻1064nm激光輸出，滿(mǎn)足了連續(xù)波單頻MgO:PPLN OPO對(duì)泵浦源的要求。
　　然后，進(jìn)行了內(nèi)腔連續(xù)波MgO:PPLN OPO實(shí)驗(yàn)研究。泵浦源為Nd:YVO4激光器，采用的是對(duì)稱(chēng)四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)。OPO為對(duì)稱(chēng)的四鏡直腔結(jié)構(gòu)，非線性晶體為MgO:PPLN晶體，采用信號(hào)光單諧振方式，通過(guò)晶體的周期調(diào)諧和溫度調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)腔OPO連續(xù)波3-4μm中紅外激光輸出。選用的激光晶體為低摻雜濃度的鍵合Nd:YVO4晶體，有

5、效改善了晶體熱效應(yīng)。并且泵浦光為線偏振輸出，避免了腔內(nèi)插入偏元件和二分之一波片引起的損耗，這大大降低了OPO閾值，提高了參量光的轉(zhuǎn)換效率。該裝置最大特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，易于小型化。
　　接下來(lái)，進(jìn)行了外腔連續(xù)波MgO:PPLN OPO實(shí)驗(yàn)研究。在理論分析的基礎(chǔ)上采用對(duì)稱(chēng)的四鏡腔結(jié)構(gòu)，對(duì)基于MgO:PPLN晶體的OPO進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用信號(hào)光單諧振的方式，泵浦源為波長(zhǎng)1064nm的連續(xù)波Yb光纖激光器。并考慮泵浦光的最佳聚焦條件以及利

6、用非線性晶體最大的非線性系數(shù)，從而提高OPO參量光轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)非線性晶體的溫度調(diào)諧（30-160°C）以及周期調(diào)諧（28.5-31.5μm，共7個(gè)周期），實(shí)現(xiàn)了OPO寬調(diào)諧連續(xù)波中紅外激光輸出，閑頻光波長(zhǎng)從2.9μm到4.1μm范圍連續(xù)可調(diào)。當(dāng)泵浦光功率40W時(shí)，波長(zhǎng)3.004μm的閑頻光輸出功率達(dá)到了10.2W。并利用信號(hào)光輸出耦合鏡代替一腔鏡，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)光和閑頻光的同時(shí)輸出：當(dāng)泵浦功率為25W時(shí)，OPO輸出的參量光總功率達(dá)到了10

7、.7W，參量光的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了42.8％；1.53μm信號(hào)光和3.47μm閑頻光輸出功率分別為7.2W和3.5W。為獲得高功率3.8μm附近激光輸出，對(duì)OPO腔型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用對(duì)稱(chēng)的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)Yb光纖激光器注入的泵浦功率為44W時(shí)，MgO:PPLN OPO獲得了最大輸出功率為4.9W的3.87μm閑頻光輸出。
　　最后，進(jìn)行了連續(xù)波單頻中紅外光學(xué)參量振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究。泵浦源為連續(xù)波單頻Nd:YVO4激光器，OPO采