全固态内腔光学参量振荡及内腔倍频技术的研究

摘要

内腔光学参量振荡(IOPO)及内腔倍频技术是非线性光学频率变换领域中的两个重要组成部分，其可以有效利用腔内较高的功率密度，获得高功率、高能量的激光输出，并且具有转换效率高、阈值低的特点。其中，内腔光学参量振荡技术是获得人眼安全波段1.5xμm激光光源的重要手段之一，该波段的激光在光通讯、激光测距、激光雷达与遥感、大气探测、激光医疗等领域有着广泛的应用前景。在此基础上，由于THz波的特点，基于内腔THz参量振荡技术产生THz波辐射已成为当前的一个研究热点。目前，高功率绿光激光器因其在激光材料加工、激光彩色显示、激光医疗以及激光同位素分离等领域的重要应用而成为研究的热点。内腔倍频技术是实现高功率绿光激光器输出的最常用的方法。
　　 本文的主要内容和创新点可归纳如下：
　　 1.从准连续泵浦被动调Q激光器的速率方程出发，首次推导了准连续被动调Q激光器运转的阈值泵浦速率的计算公式，给出了在一个泵浦周期内产生一个或多个脉冲的阈值泵浦速率及功率范围的表达式，分析了泵浦脉冲宽度、泵浦速率及输出镜反射率对输出脉冲能量和脉冲宽度的影响。并且对被动调Q激光器进行理论上的优化设计；
　　 2.从理论上研究了主动调Q IOPO和被动调Q IOPO在单谐振和双谐振时的动力学方程，并进行了数值模拟。分析了激光输出镜反射率、泵浦强度及被动调Q可饱和吸收体透过率对输出脉冲的影响。首次推导了单谐振内腔光学参量振荡的阈值公式。理论分析结果为内腔光学参量振荡的实验研究提供了深入和全面的理论基础；
　　 3.基于内腔光学参量振荡技术，采用不同的调Q方式对1.57μm人眼安全激光器进行了实验研究。当采用LD侧面泵浦Nd∶YAG晶体，声光调Q，KTP晶体作为参量振荡晶体，获得了重复频率3.5kHz、平均功率1.2W、脉冲宽度4.9ns的1.57μm激光输出，这是首次采用全固态LD侧面泵浦方式实现1.57μm激光输出的实验研究。当采用电光调Q方式，获得了重复频率10Hz、单脉冲能量31.5mJ、脉冲宽度3.48ns的1.57μm激光输出。当采用准连续LD侧面泵浦Nd∶YAG晶体，Cr4+∶YAG晶体被动调Q，获得了重复频率40Hz、最大单脉冲能量2.3mJ、脉冲宽度2.6ns的1.57μm激光输出。后两者在同类文献报道中均为最高能量输出，达到国际领先水平；
　　 4.总结和分析了MgO∶LiNbO3晶体在红外、近红外以及THz波段的色散和吸收特性，理论计算了基于MgO∶LiNbO3晶体非共线相位匹配技术实现THz波参量振荡输出的波长调谐曲线。根据TPO的原理，首次推导了双波长THz波产生的相关理论。实验中，采用电光调Q Nd∶YAG激光器内腔泵浦TPO装置，通过角度调谐得到了1069.4-1073.4nm的相干窄带、连续可调的Stokes光输出，理论计算对应输出THz的频率范围为1.4-2.5THz。
　　 5.对高功率绿光激光器进行理论和实验研究。在理论上计算了内腔倍频绿光激光器中激光晶体和倍频晶体中的温度分布，其中，激光晶体分别采用单晶Nd∶YAG棒和复合Nd∶YAG陶瓷棒。理论计算了有热致双折射时谐振腔的稳区分布。采用CEO公司生产的1600W半导体侧泵模块，基于新型的复合Nd∶YAG陶瓷多晶棒，进行了准连续绿光激光器的实验研究。当采用单声光调Q时，实现了重复频率10.6kHz，最大平均功率为104W的绿光输出。在100W时，功率不稳定性为0.1％，这是利用陶瓷Nd∶YAG晶体实现的绿光输出最高功率；当采用正交的双声光Q开关调Q，高抗灰迹的KTP晶体倍频，实现了重复频率25kHz，最大平均功率153W的绿光输出，光光转换效率为14.27％。当输出功率为130W时，功率不稳定性为0.6％。该输出功率达到国际先进水平。
　　 6.对单频绿光激光器进行理论和实验研究。采用KTP晶体与布氏板组成的双折射滤光片进行单频选择；利用琼斯矩阵分析了不同KTP晶体长度和Nd∶YVO4晶体长度对选频能力的影响，并且分析了温度对频率漂移的影响。实验中采用简单的驻波腔，单KTP/单布氏板结构，在8W的泵浦功率下获得了0.37W的单频绿光输出。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1全固态激光器的发展历史及现状

1.2内腔光学参量振荡技术的发展现状

1.3人眼安全1.5xμm激光器的国内外研究现状

1.3.1人眼安全波段1.5xμm激光的优点

1.3.2人眼安全波段1.5xμm激光器的实现方法

1.3.3基于内腔光学参量振荡技术产生1.5xμm波段的发展概述

1.4基于THz参量振荡(TPO)技术产生THz波的国内外研究状况

1.5全固态高功率绿光激光器的发展概况

1.6全固态单频绿光激光器的发展概况

1.7论文的主要内容

第二章被动调Q激光器的理论研究

2.1可饱和吸收体基本理论

2.2常见的被动调Q材料

2.2.1几种常见的被动调Q材料

2.2.2 Cr4+：YAG的晶体结构和光谱特性

2.3连续LD泵浦的被动调Q激光器的理论研究

2.4准连续LD泵浦的被动调Q激光器的理论研究

2.5被动调Q激光器的优化设计理论

2.6本章小结

第三章内腔光学参量振荡的理论研究

3.1内腔光学参量振荡三波互作用的耦合波方程

3.1.1非线性光学耦合波方程

3.1.2内腔光学参量振荡三波互作用的耦合波方程

3.2主动调Q单谐振内腔光学参量振荡的研究

3.2.1主动调Q单谐振IOPO的动力学模型

3.2.2主动调Q单谐振IOPO的阈值

3.2.3主动调Q单谐振IOPO动力学模型的数值模拟

3.3被动调Q双谐振IOPO的理论研究

3.3.1被动调Q双谐振IOPO的耦合波方程

3.3.2被动调Q IOPO耦合波方程的数值模拟

3.4被动调Q单谐振IOPO耦合波方程的理论研究

3.5本章小结

第四章基于内腔光学参量振荡技术产生人眼安全1.57μ m的实验研究

4.1声光调Q内腔光学参量振荡的实验研究

4.1.1实验结构

4.1.2实验结果与分析

4.1.3 IOPO阈值计算

4.2电光调Q内腔光学参量振荡的实验研究

4.2.1实验结构

4.2.2实验结果与分析

4.3准连续LD泵浦被动调Q内腔光学参量振荡的实验研究

4.3.1准连续LD泵浦被动调Q Nd：YAG激光器的实验研究

4.3.2准连续LD泵浦被动调Q内腔光学参量振荡的实验研究

4.4本章小结

第五章基于内腔TPO技术产生THz波的研究

5.1 MgO：LiNbO3晶体的特性

5.1.1 MgO：LiNbO3晶体在红外波段的色散特性

5.1.2 MgO：LiNbO3晶体在THz波段的色散和吸收特性

5.2基于MgO：LN晶体实现THz波参量振荡的理论研究

5.3基于TPO技术产生双波长THz波的理论研究

5.4基于内腔TPO技术产生THz波的实验研究

5.4.1实验装置

5.4.2实验结果及分析

5.5本章小结

第六章高功率全固态陶瓷绿光激光器的研究

6.1高功率绿光激光器中晶体的热效应分析

6.1.1激光介质中的热效应分析

6.1.2非线性晶体中的热效应分析

6.2高功率陶瓷绿光激光器谐振腔的设计

6.2.1复合Nd：YAG陶瓷棒热透镜焦距的测量

6.2.2高功率陶瓷绿光激光器谐振腔的研究

6.3高功率全固态陶瓷绿光激光器的实验研究

6.3.1单声光Q开关调Q绿光激光器

6.3.2双声光Q开关调Q绿光激光器

6.4本章小结

第七章全固态单频绿光激光器的研究

7.1 KTP与布氏板组成的双折射滤光片选频原理

7.1.1双折射滤光片选频原理

7.1.2琼斯矩阵运算

7.2全固态单频绿光激光器的实验研究

7.2.1激光器输出线宽的测量方法

7.2.2全固态单频绿光激光器的实验研究

7.3本章小结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢