1064nm主振荡功率放大泵浦PPMgLN中红外光学参量振荡器研究

摘要

高重频、纳秒级可调谐中红外（3-5μm）激光在军事对抗、大气环境监测等军民领域有着广泛的应用，是近年来激光技术的一个重要研究分支。以高重频、窄脉宽1064nm主振荡功率放大（MOPA）泵浦的 PPMgLN光参量振荡器(OPO)是一种提高中红外激光运转重频、压窄脉宽、实现高功率输出的有效方法，该方面的研究对于中红外激光器的发展有着重要的指导意义。本论文以准相位匹配和光参量振荡技术理论研究为切入点，分析了高重频、窄脉宽中红外激光转换效率提升的影响因素，重点开展了1064nm-MOPA泵浦结构设计与PPMgLN-OPO器件参数优化，最终实现了高重频、窄脉宽、可调谐中红外激光稳定输出。具体开展的研究工作和取得的主要研究成果如下：
　　理论方面：从准相位匹配和光参量振荡原理出发，推导了涵盖偏振态变化的三波互作用耦合方程，分析了偏振态耦合和逆转换问题对准相位匹配光参量振荡器转换效率的影响；基于PPMgLN极化晶体，对PPMgLN-OPO的不同调谐方式进行了模拟研究。
　　设计方面：分别针对高重频、窄脉宽1064nm主振荡功率放大器与PPMgLN光参量振荡器开展了结构设计与器件参数优化，根据四能级速率方程研究了不同器件及结构参数对1064nm主振荡器重复频率、脉宽的影响，优化设计了高密度LD端面泵浦耦合Nd:YVO4装置，通过对Nd:YVO4增益介质的热效应理论分析和热焦距模拟计算，综合考虑泵浦与谐振光斑模式匹配，优化设计了1064nm主振荡器谐振腔结构参数，同时，从增益饱和效应及放大模式匹配原理入手，完成了模块化1064nm放大级结构参数设计；在此基础上，对单谐振外腔泵浦PPMgLN-OPO的增益、阈值、转换效率、振荡过程的 PPMgLN晶体热效应进行了理论分析和模拟计算，并由理论分析结果，确定了耦合腔镜曲率及膜系透过率、泵浦光斑与振荡参量光斑比值、腔型尺寸等重要参数的最佳取值范围。
　　实验方面：首先对PPMgLN-OPO高重频、窄脉宽1064nm主振荡功率放大器泵浦源进行了实验研究，主振荡器谐振腔采用L型折叠腔结构，并在腔内置入垂直狭缝进行光斑模式限制，放大级采用二级功率放大结构，在声光调Q重复频率70kHz下实现了40.1W平均功率、9.82ns窄脉宽的1064nm脉冲激光输出。应用以上泵浦结构，开展了外腔泵浦PPMgLN-OPO实验研究，采用极化周期29μm、3mm厚度的PPMgLN晶体作为参量变频介质，实现了最高3.84μm闲频光3.24W和1.47μm信号光9.01W的功率输出。通过分析实验中出现的能量逆转换现象，进一步改变 OPO输出镜透过率，调节泵浦光偏振态优化模式匹配，获得了4.86W的3.84μm中红外激光输出，脉冲宽度为9.56ns，光-光转换效率达到15.5％，并有效抑制了逆转换效应。最后，分别开展了 PPMgLN-OPO周期调谐和温度调谐的实验研究，采用间隔0.5μm的28.5~31.5μm多周期PPMgLN晶体，通过改变晶体极化周期实现了中红外激光波长从2965.5~4173.5nm范围内的可调谐输出，调谐带宽达到1208nm。随后采用29μm单周期PPMgLN晶体，通过改变晶体工作温度从25~200℃，得到中红外光谱连续变化范围3765~3974nm。

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第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2中红外光参量振荡器研究现状与发展趋势

1.3 高重频、窄脉宽中红外光参量振荡器的应用

1.4 基于PPMgLN的高重频、窄脉宽中红外光参量振荡器研究进展

1.5 本论文主要研究内容

第二章 基于PPMgLN的中红外光参量振荡器理论研究

2.1 引言

2.2 准相位匹配技术

2.3 准相位匹配光学参量振荡器理论

2.4周期极化晶体基本特性

2.5 准相位匹配PPMgLN光参量振荡器波长调谐特性

2.6 准相位匹配PPMgLN光参量振荡器转换效率的影响因素分析

2.7 本章小结

第三章 高重频、窄脉宽PPMgLN中红外光参量振荡器结构设计与优化

3.1 引言

3.2 PPMgLN-OPO高重频、窄脉宽1064nm泵浦源结构设计

3.3 PPMgLN-OPO输出特性分析及器件参数优化

3.4 本章小结

第四章 高重频、窄脉宽PPMgLN中红外光参量振荡器实验研究

4.1 引言

4.2 高重频、窄脉宽1064nm主振荡功率放大器实验研究

4.3 高重频、窄脉宽1064nm泵浦PPMgLN-OPO实验研究

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 论文主要结论

5.2 论文创新点

5.3 研究展望

致谢

参考文献

博士期间学术成果情况