全固態(tài)調Q、雙調Q激光泵浦的內腔光參量振蕩器特性的研究.pdf

1、光學參量振蕩器(OPO)因其轉換效率高、波長覆蓋范圍寬且穩(wěn)定、能真正實現波長的連續(xù)調諧以及可連續(xù)和脈沖兩種方式工作等優(yōu)點，在科學研究、導彈制導以及照明上具有十分重要的應用，成為非線性光學頻率變換及激光調諧技術領域的重要的組成部分。光學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，通過非線性轉換將泵浦光轉變?yōu)樾盘柟夂烷e頻光，實現光學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Q脈沖泵浦，從外腔型到內腔型。但是，所有這些工作都是建立在平面波理論的基礎上，即假設基頻光、信號光和閑頻光的腔內光子數空間分布是均勻的。對于激光二極管作為泵浦源的參量振蕩器來說，三光的腔內空間光子

3、數應該是更接近于高斯分布的。 信號光的脈寬是與基頻泵浦光的脈寬有關的。主動(聲光、電光)調制下的激光可以產生穩(wěn)定的脈沖輸出，但調制脈寬通常比較大；Cr4+：YAG被動調Q激光可以產生更短的脈沖，但是調制頻率并不穩(wěn)定。當主動和被動調Q元件同時置于激光腔內時，能夠得到重復率穩(wěn)定的短脈沖并具有更高的峰值功率。所以，當用雙調Q基頻激光泵浦參量振蕩器時，應該比主動單調Q情況下具有更高的光學轉換效率，產生信號光的脈沖更短、峰值功率更高。

4、 在主動調制手段方面，聲光(AO)和電光(EO)是主要的手段，聲光調制元件的發(fā)展已經比較成熟。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，但是它的調制頻率仍然局限在幾個kHz；具有大的電光常數的KTP(KTiOPO4)晶體雖然能夠在高重復率下工作，但是其低電阻系數限制它的應用；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、高損傷閾值和低壓電效應，逐漸得到了廣大科研工作者的關注。 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，在中紅外光(3-5 μm)范圍內具有更大的透光率，并且具有更低的熱效應，所有這些優(yōu)點使新型非線性晶體KTA成為近期研究的熱點。 本論文的主要工作包括： Ⅰ測量

6、了LD激光泵浦的聲光(AO)單調制Nd：GdVO4/KTP內腔光學參量振蕩器(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。考慮腔內光子數密度、反轉粒子數密度的空間高斯分布，推導出了高斯理論假設下IOPO的速率方程，理論計算值與實驗值相符合。(§1)Ⅱ以RTP電光(EO)調Q為主動調制元件，實現了氙光燈泵浦的高重復率的Nd3+：YAG/KTP IOPO運轉，調制頻率范圍為10 kHz-30 kHz，并以高斯理論下的速

7、率方程分析了實驗結果，通過數值求解，對實驗結果進行了理論模擬。(§2)Ⅲ以聲光(AO)開關為主動調Q元件，以Cr4+：YAG為被動調制元件，實現了激光二極管泵浦的主被動雙調Q的Nd3+：GdVO4/KTP IOPO運轉，實驗結果表明，雙調Q的參量振蕩器能夠產生更短脈沖和更高峰值功率的信號光輸出，并以高斯理論下的速率方程模擬了IOPO的運轉特性。(§3)Ⅳ以RTP電光(EO)調Q為主動調制元件，以Cr4+：YAG為被動調制元件，實現了氙燈

8、泵浦的主被動雙調Q的Nd3+：YAG/KTP IOPO運轉，相比于主動單調制的IOPO，雙調Q的參量振蕩器能夠產生更短脈沖和更高峰值功率的信號光輸出，并以高斯理論下的速率方程分析了實驗結果。測量了雙調Q下的基頻光到信號光的轉換效率，表明雙調Q具有更高的光-光轉換效率。(§4)Ⅴ實現了LD泵浦Nd：GdVO4晶體、主被動雙調Q、KTAIOPO運轉，測量了光學參量振蕩器的輸出特性，實現了同等實驗條件下單調Q及Nd：GdVO4/KTPIOPO

9、的運轉。實驗結果表明，在泵浦功率4.10-6.90W范圍內，KTA晶體比KTP晶體具有更窄的脈沖寬度和更高的峰值功率。高斯理論計算值與實驗結果相符。(§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。實驗結果表明，在10-30℃溫度范圍，雙調和單調的KTAIOPO輸出信號光波長均在1570nm附近，略低于KTP IOPO的輸出信號光波長1573nm附近。(§6) 論文的主要創(chuàng)新工

10、作包括： I考慮激光腔內的泵浦光、OPO腔內的信號光和閑頻光的光子數密度、激光介質內的初始反轉粒子數密度的高斯空間分布，首次推導出了高斯理論下描述IOPO運轉的速率方程，理論計算值與實驗結果相符，說明高斯理論下的速率方程能較好地描述IOPO的運轉。 Ⅱ采用RTP晶體作為電光(EO)調Q元件，實現了高重復頻率(10 kHz-30kHz)電光調制的IOPO運轉?？紤]到了電光開關延遲時間，采用高斯理論下的速率方程對實驗結果進行

11、了分析，數值求解的理論計算值與實驗結果相符。 III實現了LD泵浦Nd3+：GdV04晶體、聲光-Cr4+：YAG主被動雙調Q KTP IOPO運轉，實驗結果表明，雙調Q激光泵浦的參量振蕩器能夠產生更短脈沖和更高峰值功率的信號光輸出，高斯理論下的計算值與實驗結果相符。 IV首次實現了RTP電光-Cr4+:YAG雙調Q泵浦的IOPO運轉，實驗結果表明，雙調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換效率以