高效非線性光學(xué)頻率變換研究.pdf

1、非線性光學(xué)變頻技術(shù)是獲得新的、滿足實際應(yīng)用需求的激光波長的可靠方法，是目前光學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容及研究熱點之一。光參量振蕩(Optical Parametric Oscillation，OPO)和受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，SRS)是兩種高效的非線性光學(xué)過程，都可以獲得高功率激光輸出。兩者相比較，前者利用晶體的二階非線性效應(yīng)，通過相位匹配獲得信號光和閑頻光兩個波長，優(yōu)點是可獲得波長可調(diào)諧的激光輸

2、出；后者利用晶體的三階非線性效應(yīng)，獲得固定頻移的新的波長，優(yōu)點是不需相位匹配即可獲得高效率轉(zhuǎn)換。全固體光參量振蕩器和拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、穩(wěn)定性好，在信息、交通、測量、醫(yī)療、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。 本論文以Nd：YAG激光器作為泵浦源，對內(nèi)腔式KTiOPO4(KTP)、KTiOAsO4(KTA)晶體人眼安全波段光參量振蕩器進(jìn)行大量的實驗研究，并建立速率方程模型來描述、分析其運轉(zhuǎn)特性，從而對內(nèi)腔式OPO進(jìn)行理論研

3、究；在對KTA光參量振蕩器進(jìn)行實驗研究的過程中，發(fā)現(xiàn)該晶體的高效受激拉曼散射；分別實現(xiàn)一階、二階斯托克斯(Stokes)KTA拉曼激光器的高效運轉(zhuǎn)；為了提高非線性光學(xué)過程的轉(zhuǎn)換效率，對基頻光源的電光調(diào)Q技術(shù)進(jìn)行研究，對硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14，LGS)晶體電光調(diào)Q過程的理論研究，為該新型電光Q開關(guān)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。本文研究的具體內(nèi)容為： 1.基于對LGS晶體特性的分析，在研究過程中創(chuàng)新性地引入瓊斯矩陣(Jones m

4、atrix)方法，推導(dǎo)了描述LGS晶體特性的瓊斯矩陣形式，使得同時考慮旋光性和電光效應(yīng)對入射光偏振態(tài)的影響成為可能；首次從理論上解釋了LGS電光開關(guān)的開、關(guān)門工作原理，模擬了LGS電光開關(guān)的開、關(guān)門過程，為正確設(shè)計LGS電光開關(guān)提供了理論依據(jù)；另外，基于瓊斯矩陣法的分析，對LGS的電光系數(shù)r11進(jìn)行了正確測量，其結(jié)果為2.2pm/V。 2. 以Nd：YAG晶體作為激光介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q，研究激光二極管(LD)端面泵浦主動調(diào)Q內(nèi)腔

5、式人眼安全KTP光參量振蕩器的輸出特性。對光譜的測量顯示，用1064.2nm激光泵浦按X方向切割的KTP晶體時，獲得的信號光的波長為1572nm。實驗測量了在不同的脈沖重復(fù)率下，信號光的平均輸出功率、脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系。在LD泵浦功率6.93W、脈沖重復(fù)頻率15kHz情況下，用20mm長的KTP晶體獲得了信號光功率0.72W，相對于LD泵浦功率的轉(zhuǎn)換效率(光—光轉(zhuǎn)換效率)為10.4％，此時峰值功率為7.7kW。并且對實驗中觀察

6、到的兩種不同類型的脈沖串現(xiàn)象進(jìn)行了描述與分析。 3.對LD端泵、聲光調(diào)Q的Nd：YAG/KTP內(nèi)腔式OPO進(jìn)行了理論分析，考慮初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和腔內(nèi)光子數(shù)密度的空間高斯分布，建立了速率方程理論模型：求解過程中較精細(xì)地考慮Nd：YAG激光晶體的熱透鏡效應(yīng)，計算了其熱透鏡焦距、熱致?lián)p耗、腔內(nèi)光束尺寸等參數(shù)隨泵浦功率的變化等；較準(zhǔn)確地確定了初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度；最終理論模型能夠較準(zhǔn)確地描述該OPO的輸出功率特性，對同類型的OPO實驗有

7、一定的指導(dǎo)意義。 4.以Nd：YAG晶體作為激光介質(zhì)，采用聲光調(diào)Q，實現(xiàn)了LD側(cè)面泵浦主動調(diào)Q內(nèi)腔式KTA光參量振蕩器的高效運轉(zhuǎn)，獲得的信號光波長為1535nm。研究了該OPO的輸出功率、脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系。在LD泵浦功率為96.3W、重復(fù)頻率10kHz情況下，用22mm長的KTA晶體獲得了信號光功率2.54W，相對于LD泵浦功率的轉(zhuǎn)換效率為2.6％。此時測得的脈沖寬度為5.01ns，可得峰值功率為50.7kW。 5.

8、實現(xiàn)了LD端泵、聲光調(diào)Q、內(nèi)腔式Nd：YAG/KTA光參量振蕩器的高效運轉(zhuǎn)(信號光波長為1.535nm)。研究了該OPO的輸出功率、脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系。在LD泵浦功率為7.43W、重復(fù)頻率15kHz情況下，用22mm長的KTA獲得了信號光功率0.93W，相對于LD泵浦功率的轉(zhuǎn)換效率為12.5％。 6.在研究LD端泵、聲光調(diào)Q、內(nèi)腔式Nd：YAG/KTA光參量振蕩器的運轉(zhuǎn)特性時，用長度30mm的KTA晶體同時實現(xiàn)了基頻光

9、的參量轉(zhuǎn)換及受激拉曼散射。在LD泵浦功率為7.43W、重復(fù)頻率20kHz情況下，參量信號光輸出功率為0.92W，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.4％，同時有0.17 W的一階斯托克斯光(1091.4 nm)輸出。 7.研究了KTA晶體的自發(fā)拉曼散射特性。通過測量泵浦光沿其X方向傳播時的背向拉曼散射譜，得到了增益最強(qiáng)的拉曼頻移(234cm-1)及其增益線寬(5.8cm-1)，另一增益較強(qiáng)的拉曼頻移為670cm-1，其增益線寬為19cm-1

10、；通過對同尺寸KTA和YVO4晶體拉曼譜的測量、比較，得到了KTA的相對拉曼散射截面。 8.實現(xiàn)了KTA晶體一階斯托克斯拉曼激光器的高效運轉(zhuǎn)，該拉曼激光器采用內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)，以LD端泵、聲光調(diào)Q的Nd：YAG激光器作為泵浦源。在泵浦功率8.11W、脈沖重復(fù)頻率25kHz時，用30mm長的KTA晶體獲得了一階斯托克斯光(1091.4nm)的最大功率1.38W，光-光轉(zhuǎn)換效率為17％，此時脈沖寬度為6.5ns，峰值功率為8.5kW。

11、 9.實現(xiàn)了KTA晶體二階斯托克斯拉曼激光器高效運轉(zhuǎn)，泵浦源仍為LD端泵、聲光調(diào)Q的Nd：YAG激光器。在泵浦功率6.7W、重復(fù)頻率20kHz的情況下，用30mm長的KTA晶體獲得了二階斯托克斯光(1120.0nm)的最大功率0.63W，光-光轉(zhuǎn)換效率為9.4％，此時脈沖寬度為23.5ns，峰值功率1.3kW。 本論文主要創(chuàng)新點如下： 1.在LGS研究過程中創(chuàng)新性地引入瓊斯矩陣方法，使得同時考慮LGS的旋光性與電光效

12、應(yīng)對入射光偏振態(tài)的影響成為可能；首次理論模擬了LGS電光開關(guān)的開、關(guān)門過程，為正確設(shè)計LGS電光開關(guān)提供了理論依據(jù)；另外，基于瓊斯矩陣法的分析，對LGS的電光系數(shù)，r11進(jìn)行了正確測量。 2.首次報道LD端泵、聲光調(diào)Q的Nd：YAG/KTP內(nèi)腔式人眼安全波段OPO，并獲得10.4％的光-光轉(zhuǎn)換效率。 3.對LD端泵、內(nèi)腔式主動調(diào)Q的光參量振蕩器，首次建立正確考慮初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和腔內(nèi)光子數(shù)密度空間高斯分布的速率方程模型，并進(jìn)行

13、較準(zhǔn)確的求解，理論模擬與實驗結(jié)果基本符合。 4.實現(xiàn)LD側(cè)泵、聲光調(diào)Q、Nd：YAG/KTA內(nèi)腔式人眼安全波段OPO，在LD泵浦功率為96.3 W、重復(fù)頻率10 kHz情況下，獲得了信號光功率2.54 W，相對于LD泵浦功率的轉(zhuǎn)換效率為2.6％，此為LD側(cè)泵KTA光參量振蕩器的國際最高效率。 5.首次實現(xiàn)LD端泵、聲光調(diào)Q、內(nèi)腔式Nd：YAG/KTA光參量振蕩器的高效運轉(zhuǎn)(信號光波長為1535nm)。在LD泵浦功率為7.

14、43 W、重復(fù)頻率15kHz情況下，獲得了信號光功率0.93W，光-光轉(zhuǎn)換效率為12.5％，此為內(nèi)腔式KTA光參量振蕩器的國際最高效率。 6.首次測量KTA晶體的相對拉曼散射截面；首次實現(xiàn)KTA晶體拉曼激光器運轉(zhuǎn)，獲得的一階、二階斯托克斯光波長分別為1091.4nm、1120.0nm，最高功率分別為1.38W、0.63W，其光-光轉(zhuǎn)換效率分別為17％、9.4％。 7.首次在同一塊非線性晶體中同時觀察到基頻光的參量轉(zhuǎn)換和受