双波长光参量振荡器及589nm拉曼黄光激光器的研究

摘要

非线性光学变频技术是获得新的、满足实际应用需求的激光波长的一种可靠方法，是目前光学领域的重要研究内容。在过去的几十年时间中，研究者们对各种非线性效应都进行了深入广泛的研究，例如，二阶非线性过程倍频、和频、差频、光参量振荡等，以及三阶非线性过程四波混频、受激拉曼散射、受激布里渊散射等。在诸多的非线性光学效应中，我们将目光集中在光参量振荡和受激拉曼散射两个方面，两者都是高效的非线性光学过程，都可以获得高功率激光输出。对于光参量振荡，我们将重点研究单谐振内腔式光参量振荡器的输出时间特性；对于受激拉曼散射，我们将重点关注基于晶体拉曼激光技术的钠导星激光的实现，钠导星激光在天文、国防领域有重要应用，是当前非线性光学的重要研究内容。
　　 本论文对被动调Q的内腔式Nd：Y3Al5O12(Nd：YAG)/KTiOAsO4(KTA)单谐振光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator，OPO)进行实验研究，并通过基于速率方程模型的理论模拟和分析，对实验结果进行了合理解释；设计了两种倍频晶体拉曼激光器方案，用于实现589 nm钠黄光输出，分别是倍频c切Nd：YVO4拉曼激光器和倍频Nd：Gd3Ga5O12(Nd：GGG)/BaWO4拉曼激光器方案，并对其运转特性进行了详细研究。
　　 本文的具体研究内容为：
　　 1.用Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA光参量振荡器架构实现了1.5μm和3.5μm参量光的同时输出。用光纤耦合半导体激光器(808 nm)作为泵浦源，用Nd：YAG作为激光晶体，Cr4+：YAG作为被动调Q开关，KTA作为非线性晶体，实现了内腔式单谐振光参量振荡器。在泵浦功率为11.4 W的情况下，获得了1.05 W的参量光总功率，其中信号光(1535 nm)和闲频光(3467 nm)的功率分别为772 mW和278 mW。此时的脉冲重复频率为36.5 kHz，信号光和闲频光的脉冲宽度分别为6.7 ns和2.9 ns，即信号光脉冲宽度大于闲频光脉冲宽度。从而实验证明了，单谐振OPO中信号光脉冲宽度要大于闲频光的脉冲宽度。
　　 2.对上述实验进行了理论模拟和分析。推导并建立了新的速率方程模型，使之能够同时处理内腔式单谐振OPO的信号光和闲频光的输出特性。并将该模型应用到上述Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA被动调Q内腔式单谐振光参量振荡器中，同时描述了其信号光及闲频光的输出特性。理论处理结果和实验结果吻合较好，也显示出，单谐振OPO中信号光脉冲宽度要大于闲频光脉冲宽度。
　　 3.实现了半导体激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4晶体拉曼激光器运转。用光纤耦合半导体激光器(808 nm)作为泵浦源，用Nd：GGG作为激光晶体，声光调Q，拉曼增益介质选用BaWO4晶体，实现了内腔式拉曼激光器。泵浦功率为8.84 W、脉冲重复频率为10 kH的情况下，获得了1.4 W的1178 nm拉曼激光输出，对应的光-光(半导体激光-拉曼激光)转换效率为15.8％。
　　 4.在上述研究的基础上，选用KTiOPO4(KTP)倍频晶体，实现了半导体激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4/KTP黄光激光器运转，并获得了589 nm钠黄光输出。倍频激光器的研究采用内腔式倍频技术，在泵浦功率为8.84 W、脉冲重复频率10 kH的情况下，得到了0.82 W的589 nm黄光，对应的光-光(半导体激光-黄光)转换效率为9.3%。此时的黄光脉冲宽度为9 ns，峰值功率为9.1 kW。
　　 5.用光纤耦合半导体激光器(880 nm)作为泵浦源，研究了声光调Q的c切Nd：YVO4(c-Nd：YVO4)晶体自拉曼激光器的输出特性。在重复频率45 kH的情况下，我们获得了1178 nm拉曼激光的最高输出功率2.14 W，此时Nd：YVO4吸收的泵浦光功率为15.8 W，对应的光一光(半导体激光-拉曼激光)转换效率为13.5%。
　　 6.仍选用KTP作为倍频晶体，对上述c-Nd：YVO4晶体自拉曼激光器进行腔内倍频，获得了589 nm钠黄光。在吸收泵浦光功率为12.4 W、脉冲重复频率为40 kHz的情况下，获得了1.24 W的黄光输出，对应的光-光(半导体激光-黄光)转换效率为10%。其光束质量因子(M2)分别为2.78(水平方向)、3.01(竖直方向)。
　　 7.用光纤耦合半导体激光器(880 nm)作为泵浦源，实现了声光调Q的c-Nd：YVO4/a-YVO4内腔式拉曼激光器运转。在吸收泵浦光功率为18.1 W、脉冲重复频率为45 kHz的情况下，获得了2.34 W的1178 nm输出，对应的光-光(半导体激光-拉曼激光)转换效率为12.9%。
　　 8.将上述c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器输出特性与c-Nd：YVO4晶体自拉曼激光器进行了对比，包括输出功率、中心波长可调谐性、光束质量三个方面。通过控制a-YVO4拉曼晶体的温度，我们研究了该晶体拉曼激光器的输出波长随拉曼晶体温度的调谐特性。实验结果显示，相比较于c-Nd：YVO4晶体自拉曼激光器，c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器在输出功率、输出波长可调谐性、光束质量等方面均占优势。
　　 本论文主要创新点如下：
　　 1.首次用Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA光参量振荡器架构实现了1.5μm和3.5μm参量光的同时输出，获得了1.05 W的参量光总功率，其中信号光(1535 nm)和闲频光(3467nm)的功率分别为772 mW和278 mW。
　　 2.首次实验证明了，单谐振OPO中信号光脉冲宽度要大于闲频光的脉冲宽度。上述实验获得的信号光和闲频光的脉冲宽度分别为6.7 ns和2.9 ns，即信号光脉冲宽度大于闲频光脉冲宽度。
　　 3.建立了新的速率方程模型，使之能够同时处理被动调Q内腔式单谐振OPO的信号光和闲频光的输出特性。首次通过理论模拟证明了单谐振OPO中信号光脉冲宽度要大于闲频光脉冲宽度。
　　 4.首次实现了半导体激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4拉曼激光器，获得了最高功率1.4 W的1178 nm拉曼激光输出，对应的光-光(半导体激光-拉曼激光)转换效率为15.8%。
　　 5.首次实现了半导体激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4/KTP倍频拉曼激光器，获得了最高功率0.82 W的钠黄光输出，对应的光-光(半导体激光-黄光)转换效率为9.3%。
　　 6.首次实现了c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器运转，获得了最高功率2.34 W的1178 nm激光输出，对应的光-光(半导体激光-拉曼激光)转换效率为12.9%。
　　 7.将c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器与c-Nd：YVO4晶体自拉曼激光器进行了输出特性对比，包括输出功率、中心波长、光束质量三个方面。首次得出结论：相比较于c-Nd：YVO4晶体自拉曼激光器，c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器在输出功率、输出波长可调谐性、光束质量等方面均占优势。