基于非线性光学频率变换的人眼安全、中红外激光及太赫兹辐射源的研究

摘要

1.5-1.6μm人眼安全波段、3-5μm和8-12μm中红外波段是光学频段中三个非常重要的大气窗口,此外,近年来随着人们对太赫兹(THz)波段的逐渐了解,THz辐射也已经被广泛应用到各个基础研究与应用研究领域。实用可靠的光源是这几个波段的应用技术发展的基础。与其他方法相比,利用非线性光学频率变换方法如光学参量振荡器(OPO)、差频(DFG)等将近红外激光转换到以上几个波段,具有可实现全固态、结构紧凑、室温运转、低阈值、高效率、高功率(能量)、可调谐的相干光输出的优点。本文对人眼安全波段的KTP/KTA OPO、3-5μm的中红外KTA OPO以及利用GaSe、ZGP晶体差频实现8-12μm的中红外激光和THz辐射的技术进行了理论和实验研究,并对实验中发现的新现象进行了探索。
　　 本文的主要创新点可以归纳如下:
　　 1.对低重复频率、高脉冲能量的人眼安全波段KTP/KTA OPO进行了研究。通过对1064nm激光泵浦的KTP/KTA OPO的相位匹配关系、有效非线性系数、走离角等相关参数进行理论计算和比较,获得了OPO的最佳运转条件。在实验中对电光调Q的脉冲Nd:YAG激光器泵浦的单谐振非临界相位匹配的KTA/KTPOPO进行了研究,采用近内腔泵浦的复合腔结构,实现了高效率、高单脉冲能量的人眼安全波段激光输出。其中KTP OPO在1572nm处的单脉冲输出能量最高为66.5mJ,光光转换效率12.1％,电光转换效率4.47％;KTA OPO在1536nm的单脉冲输出能量的最高能量达74.9mJ,光光转换效率12.14％,电光转换效率4.74％。两实验结果中转换效率均为已报道类似方案的最高值。
　　 2.利用电光调Q运转的Nd:YAG激光器内腔泵浦KTA OPO实现高能量3.47μm的中红外激光输出。为了使OPO产生的中红外激光有效输出腔外,我们采用双端输出的折叠腔结构,中红外激光的输出总能量达到31mJ,光光转换效率4.76％,电光转换效率约为1.82％,从基频光到闲频光的光子转换效率达87％,这也是已报道的中红外内腔泵浦KTA OPO的最高输出能量和转换效率。
　　 3.对LD端面泵浦、声光调Q的激光器内腔泵浦的高重复频率人眼安全波段KTA OPO进行了理论和实验研究。在理论上对内腔泵浦的OPO(IOPO)谐振腔进行了分析,并在实验中利用Nd:YVO4激光器泵浦KTA OPO实现了30kHz、1.03w的1536nm激光输出,光光转换效率12.26％,泵浦阈值只有0.75W。对Nd:YLF和Nd:YVO4作为泵浦源的KTA IOPO的动力学过程进行了理论分析,并在实验中证明了上能级寿命更长的Nd:YLF晶体作为泵浦激光增益介质更有利于IOPO实现低阈值、高峰值功率的输出。
　　 4.利用LD端面泵浦、声光调Q的Nd:YVO4激光器泵浦KTA IOPO实现了高重复频率、高效率的3.47μm中红外激光输出。采用信号光在腔内振荡、闲频光单端输出的直腔结构,LD泵浦功率为9.9W时闲频光的输出功率为435mW,光光转换效率4.4％,从基频光到中红外闲频光的光子转换效率可达64％。
　　 5.在LD端面泵浦的Nd:YAG激光器泵浦KTA IOPO的实验中发现了KTA的受激拉曼散射效应,并对此现象进行了进一步研究。利用Nd:YAG激光器泵浦KTA晶体,我们首次观察到了1178nm的斯托克斯光输出,并基于KTA晶体的级联受激拉曼散射和倍频效应,实现了从可见光到近红外的多波长激光同时输出,包含573nm、1064nm、1091nm、1120nm、1146nm、1178nm六条谱线,总功率约600mW,每个波长的功率为几十到几百毫瓦。优化实验方案实现了470mW的573nm黄光输出。
　　 6.对利用GaSe和ZGP晶体差频产生8-12μm中红外激光进行了理论和实验研究。以1064nm激光泵浦的简并点附近双波长KTP OPO在GaSe及ZGP中差频产生中红外激光的理论计算为基础,通过实验在GaSe晶体中差频获得了调谐范围8.28-18.365μm的中红外激光输出,在8.76μm处最高单脉冲能量为31.7μJ,中红外激光的峰值功率为7kW,能量转换效率约为0.9％;在ZGP晶体中差频,获得了7.2-12.2μm的可调谐中红外激光输出,波长为9.22μm时最大输出能量为10μJ,中红外激光的峰值功率约为2.2kW,能量转换效率为0.45％。
　　 7.对双波长KTP OPO在GaSe晶体中差频产生THz辐射进行了理论和实验研究。通过求解差频的耦合波方程,在理论上分析了晶体吸收系数、晶体长度、泵浦强度等条件对GaSe晶体差频产生THz波过程的影响。在实验中,首次将走离补偿结构的KTP OPO作为差频泵浦源,在GaSe晶体中差频实现了THz波输出,THz波的调谐范围0.186-3.7THz,在1.68THz处峰值功率最高达到11w,OPO的阈值、稳定性以及差频产生THz波的功率等与采用普通的KTP OPO作为泵浦源时有了明显改善。
　　 8.对利用ZnTe晶体级联差频产生THz辐射的原理和过程进行了理论研究。通过对级联差频耦合波方程的求解,得出了ZnTe晶体中级联差频的最佳泵浦条件和ZnTe晶体的最佳长度,并且分析了晶体吸收、波矢失配及泵浦强度对级联差频的影响。根据我们的计算结果,当泵浦强度为50MW/mm2,泵浦光频率分别为369THz和368THz时,级联差频产生的THz波的强度可达0.815MW/mm2,与普通差频相比提高了7.7倍,能量转换效率为0.815％,光子转换效率超过600％,远远超过Manley-Rowe关系的限制。

目录

文摘

英文文摘

第一章 综述

1.1 人眼安全波段激光源的发展状况

1.2 中红外激光源的发展综述

1.2.1 中红外非线性晶体

1.2.2 基于非线性频率变换的3-5μm中红外激光源的发展状况

1.2.3 基于非线性频率变换的8-12μm中红外激光源的研究状况

1.3 THz辐射源的研究现状

1.4 本文的主要内容

第二章 光学差频及参量过程的基本理论

2.1 三波共线互作用的非线性耦合波方程组

2.2 光学差频过程

2.3 光学参量放大(OPA)

2.4 光学参量产生(OPG)及光学参量振荡(OPO)

2.4.1 光学参量产生(OPG)

2.4.2 光学参量振荡的阈值

2.4.3 双共振参量振荡器

2.4.4 单谐振参量振荡器(SRO)

2.4.5 单谐振参量振荡器的转换效率

2.4.6 参量振荡器的频率调谐

2.5 本章小结

第三章 电光调Q人眼安全与中红外波段KTP/KTA OPO的研究

3.1 KTP和KTA晶体的性质比较

3.2 KTP OPO与KTA OPO的比较

3.3 高能量人眼安全波段KTP/KTA OPO的实验研究

3.3.1 实验装置

3.3.2 电光调QNd:YAG激光器的输出特性

3.3.3 1572nm人眼安全KTP OPO的实验研究

3.3.4 1536nm人眼安全KTA OPO的实验研究

3.4 高能量中红外波段KTA OPO的实验研究

3.4.1 实验装置

3.4.2 3.47μm中红外KTA OPO的实验结果与分析

3.4.3 与KTP OPO及其他实验方案的比较

3.5 本章小结

第四章 声光调Q人眼安全与中红外波段KTA OPO的研究

4.1 端面泵涌IOPO谐振腔的理论研究

4.1.1 实验模型

4.1.2 IOPO谐振腔的分析

4.1.3 IOPO的阈值分析

4.2 高重复频率人眼安全KTA OPO的实验研究

4.3 Nd:YVO4与Nd:YLF泵浦的KTA IOPO的比较

4.3.1 单谐振IOPO的动力学过程

4.3.2 数值模拟

4.3.3 Nd:YVO4与Nd:YLF泵浦的KTA OPO的实验结果与分析

4.4 高重复频率中红外KTA OPO的实验研究

4.5 本章小结

第五章 端面泵浦KTA拉曼激光器的研究

5.1 拉曼激光器的基本原理

5.2 常用的拉曼晶体

5.3 受激拉曼散射的阈值与高阶受激拉曼散射的产生

5.4 基于KTA晶体中级联受激拉曼散射和自倍频的多波长激光器

5.4.1 KTA的自发拉曼散射光谱

5.4.2 KTA多波长拉曼激光器的实验装置

5.4.3 多波长KTA拉曼激光器的实验结果

5.4.4 KTA晶体自倍频产生573nm黄光

5.5 本章小结

第六章 GaSe和ZGP晶体差频产生8.12μm中红外激光的研究

6.1 非线性差频晶体GaSe及ZGP的性质

6.2 实验装置及差频泵浦源的输出特性

6.3 差频过程的相关理论计算

6.4 GaSe晶体差频产生中红外激光的实验研究

6.5 ZGP晶体差频产生中红外激光的实验研究

6.6 实验结果分析与方案的改进

6.7 本章小节

第七章 GaSe晶体差频产生THz辐射的研究

7.1 差频过程的理论分析

7.1.1 晶体吸收对差频产生THz波的影响

7.1.2 差频产生THz辐射三波互作用过程的理论分析

7.2 GaSe晶体差频产生THz辐射的实验研究

7.2.1 实验装置

7.2.2 走离补偿KTP OPO的输出特性

7.2.3 差频产生THz波的实验结果

7.3 本章小结

第八章 级联差频产生THz辐射的理论研究

8.1 级联差频的基本原理

8.2 级联差频过程的耦合波方程

8.3 ZnTe晶体级联差频产生THz波的最佳条件

8.3.1 级联过程的近似计算方法

8.3.2 最佳泵浦波长的计算

8.3.3 晶体吸收及波矢失配的影响

8.3.4 泵浦能量对级联差频过程的影响

8.4 周期反转GaAs晶体准相位匹配级联差频产生THz辐射

8.5 本章小结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢