基于双损耗调制激光泵浦的光参量振荡特性研究

摘要

非线性光学频率变换技术作为一种获取不同相干光波段的方法，自实现起就受到了人们的广泛关注。到目前为止，多种光学非线性效应已经被发现并研究，例如，多种三波相互作用过程包括倍频、差频、和频、光参量振荡等，多种四波相互作用过程包括受激拉曼散射、四波混频、受激布里渊散射等。随着非线性光学晶体的不断发展，基于优秀非线性晶体的各种光学频率变换技术得到了研究者们的广泛研究，其中，光参量振荡(Optical Parametric Oscillation，OPO)技术和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)技术作为获取中红外波段相干光源的有效手段而受到了研究者们更多的关注。
　　由二极管泵浦的全固态调Q和调Q锁模激光器有着结构简单和转换效率高等特点，在光纤通信、激光测距、机械加工和激光医疗等领域有着重要应用。由于单损耗调制的调Q或者调Q锁模激光器存在着脉冲宽度较宽、脉冲峰值功率较低以及脉冲稳定性较差等问题，其在许多领域的应用受到了限制。随着双损耗调制技术的出现，由二极管泵浦的全固态双损耗调制的调Q和调Q锁模激光极大地压缩了脉冲宽度并提高了脉冲的峰值功率，此外脉冲的稳定也有了很大的提高。本文即结合双损耗调制技术与光参量振荡技术，以此来获得高峰值功率、窄脉宽和高稳定性的OPO输出。
　　本论文以半导体激光二级管为泵浦源，以键合YVO4/Nd∶YVO4为激光晶体，得到了以声光调制器和Cr4+∶YAG双损耗调制的调Q锁模和调Q基频激光，并分别以此作为泵浦源泵浦基于KTP晶体和KTA晶体的OPO，此外还分别建立了耦合速率方程，通过理论模拟和分析，得到的模拟结果与实验结果相符;实现了以声光调Q激光泵浦的同时存在的OPO和SRS运转，并建立了相关的耦合速率方程，其理论模拟结果与实验结果相符;实现了基于声光调制器和单臂碳纳米管(SWCNT)可饱和吸收体双调Q和双调Q锁模激光泵浦的光参量振荡运转，分别得到了输出脉宽为1.18ns信号光脉冲以及输出脉宽仅为119ps的信号光锁模脉冲;分别实现了基于声光调制器和单层石墨烯可饱和吸收体、MoS2可饱和吸收体以及WS2可饱和吸收体双调Q激光泵浦的光参量振荡运转，得到了最窄脉冲宽度分别为1.24ns、850ps以及810ps的信号光脉冲。本论文的主要研究内容和创新点总结如下:
　　(1)研究了以声光和Cr4+∶YAG双调Q锁模激光泵浦的内腔式KTP-OPO的信号光输出特性以及随Cr4+∶YAG的小信号透过率和信号光输出镜透过率的变化。研究发现在泵浦光功率为8.3W、声光重复频率为15kHz时，选择信号光输出镜透过率为15％、Cr4+∶YAG的小信号透过率为93％时，可以得到最窄脉宽为220ps的单个锁模信号光脉冲。此外，理论模拟结果与实验结果相符。
　　(2)首次实现了以声光和Cr4+∶YAG双调Q激光泵浦的闲频光单谐振的KTA-OPO，获得了波长分别为1535nm的信号光和3467nm的闲频光输出。与单声光调Q激光泵浦的OPO相比，双调Q激光泵浦OPO可以得到更短脉宽的信号光和闲频光输出，最窄脉宽分别为898ps和2.9ns。此外，建立了相关参量的耦合速率方程，数值模拟与实验结果相符。
　　(3)首次实现了以声光调Q的Nd∶LGGG激光泵浦的基于KTP晶体的同时产生OPO和SRS的过程，得到了波长为1570nm的信号光和波长分别为1093.2nm和1125.8nm的一阶、二阶斯托克斯光。在泵浦功率为9.25W，声光调制器重复频率为3kHz时，得到了375mW的信号光输出和98mW的一阶、二阶斯托克斯光输出，对应的总的光-光转换效率为5.1％。此外，数值模拟与实验结果相符。
　　(4)首次实现了以声光和SWCNT双调Q激光泵浦的KTP-OPO运转。在泵浦光功率为8.3W和声光重复频率为20kHz时，得到了375mW的信号光输出，对应的光-光转换效率为4.5％。在相同的泵浦功率和10kHz的重复频率下，得到了最窄脉宽为1.18ns的信号光输出。与单声光调Q激光泵浦的KTP-OPO相比，双调Q激光泵浦的OPO的信号光脉宽更窄、峰值功率更高、脉冲更稳定。
　　(5)首次实现了以声光和SWCNT双调Q锁模激光泵浦的KTP-OPO运转。在泵浦功率为8.3W,声光重复频率为2kHz时，得到了信号光调Q包络中仅有单个锁模脉冲，最短脉冲宽度仅为119ps，对应的最高单脉冲能量为124μJ，最高峰值功率为1.04MW。
　　(6)首次实现了以声光和单层石墨烯双调Q激光泵浦的KTP-OPO运转。在泵浦光功率为11.7W和声光重复频率为10kHz时，得到了最窄脉宽为1.24ns的信号光输出，相应的单脉冲能量和峰值功率分别为9.5μJ和7.9kW。与单声光调Q激光泵浦的KTP-OPO相比，双调Q激光泵浦的IOPO可以得到更窄的脉宽和更高的峰值功率。
　　(7)通过把用液相分离法得到的层状MoS2作为可饱和吸收体运用到全固态1μm激光波段，在泵浦功率6.54W时，得到了最高输出功率为1.15W，最窄脉宽为70.6ns的1064nm脉冲。此外，结合双损耗调制技术，首次实现了以声光和MoS2双调Q激光泵浦的KTP-OPO运转。在泵浦功率为1O.2W和声光重复频率为10kHz时，得到了183mW的信号光输出，对应的最窄脉宽仅为850ps。
　　(8)研究了用液相分离法得到的WS2饱和吸收体在1μm波段的吸收特性，在泵浦功率为6.54W时，得到了1.18W的脉冲输出，对应的最短脉冲宽度仅为53ns。然后结合双损耗调制技术，首次实现了以声光和WS2双调Q激光泵浦的KTP-IOPO运转。在泵浦功率为10.2W和声光重复频率为10kHz时，得到了233mW的信号光输出，对应的最窄脉宽仅为810ps。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

§1．1 激光脉冲调制技术

§1．2 激光频率变换技术

§1．3 本文的研究内容

参考文献

第二章 AOM-Cr4+：YAG双损耗激光泵浦的IOPO以及基于AOM泵浦的OPO和SRS特性研究

§2．1、AOM-Cr4+：YAG调Q锁模激光泵浦的IOPO及其理论分析

§2．2 AOM-Cr4+：YAG调Q激光泵浦的闲频光振荡的IOPO及其理论分析

§2．3 AOM调Q激光泵浦的OPO和SRS及其理论分析

参考文献

第三章 基于碳纳米管可饱和吸收体双损耗调制激光器泵浦的OPO特性研究

§3．1 SWCNT可饱和吸收体的制备

§3．2 基于AOM-SWCNT双调Q激光泵浦的IOPO

§3．3 基于AOM-SWCNT双调Q锁模激光泵浦的单锁模IOPO

参考文献

第四章 基于二维材料可饱和吸收体双调Q激光泵浦OPO特性研究

§4．1 基于AOM-monolayer graphene双调Q激光泵浦的内腔式KTP-OPO

§4．2 基于声光-MoS2双调Q激光泵浦的内腔式KTP OPO

§4．3 基于声光-WS2双调Q激光泵浦的内腔式KTP OPO

参考文献

第五章 全文总结

§5．1 本文的主要研究内容

§5．2 待研究的问题和不足

致谢

攻读学位期间参加的项目、获得的奖励及发表的论文

附