高亮度多级固体激光放大系统及光参量振荡技术的研究

摘要

本论文主要研究内容包含两部分:基于球差补偿理论的高功率、高光束质量主振荡放大(MOPA)激光器的设计与实现;高功率、高斜效率的光参量振荡器(OPO)的研究与实现。
　　高功率光参量振荡器的实现离不开高功率、高光束质量的激光泵浦源。本文采用的主振荡放大激光器是一种非常常见的高功率激光器实现方案。而高功率固体激光器在进行激光放大的同时往往伴随着光束质量的恶化，本文对热致球差现象进行了理论分析，分析结果表明热致球差是引起光束质量恶化的一个重要原因。通过数值模拟，还发现光束的波前球差将随着激光光束的传播而发生变化，甚至由正球差转变为负球差。利用这一特性，可以使用热致球差来补偿激光光束波前自身的球差。实验中分别选取了输出光束质量较好的侧面泵浦激光器和光纤激光器作为主振荡器，使用端面泵浦激光放大器进行功率放大。两个相同的激光放大器成为一组，激光光束波前在经过第一个放大器后引入正球差，经过一定距离的传播后球差转负，再使用相同的放大器进行球差补偿。通过波前球差补偿技术，在侧面泵浦-端面泵浦混合MOPA和光纤-固体混合MOPA实验中获得了高功率、高光束质量的激光输出，其中光纤-固体混合MOPA实验中，通过两级光纤预放大、四级端面泵浦固体激光功率放大，获得了百瓦级、百兆赫兹重复频率、纳秒脉冲1.064μm激光输出，光束质量因子M2控制在1.5以内。
　　使用上述侧面泵浦-端面泵浦混合MOPA系统作为泵浦源构建了高功率光参量振荡器。本文从三波混频耦合波方程出发，使用分步傅里叶算法对光参量振荡器进行了数值模拟。数值模拟中通过调节闲频光吸收系数和谐振腔腔镜的反射率两种方式改变光参量振荡器的谐振腔损耗，分别对脉冲OPO和连续OPO进行了数值模拟。结果表明，在高功率光参量振荡器中，逆转换效应将极大的影响光参量转换的效率。根据耦合波方程可知，谐振腔损耗是控制逆转换效应的重要方法。通过一系列数值模拟可知，谐振腔损耗存在最佳取值，该取值需要与泵浦光功率相匹配。实验中分别构建了基于PPLN的脉冲泵浦OPO和连续泵浦OPO，泵浦激光器为自行搭建的侧面泵浦激光器，光束质量因子M2控制在1.3以内，两者的实验结果均证实了数值模拟的分析结果。脉冲泵浦OPO实验中，使用温控炉控制闲频光波长，进而改变晶体中闲频光吸收系数，分析得到在OPO中适当的闲频光吸收将有利于光参量转换。连续泵浦OPO实验中，同样通过温度调谐闲频光波长，进而在小范围内对腔镜反射率进行选择，可以明显的看到闲频光输出斜效率的改变。其中在连续泵浦OPO中，在合适的腔镜反射率下，闲频光输出的斜效率最高可以达到62.1％。基于上述理论与实验结果，本文构建了高功率的2.9μm连续光参量振荡器。泵浦激光器为侧面泵浦-端面泵浦混合MOPA系统，当泵浦功率达到40 W时，闲频光输出功率达到8.08W，闲频光输出斜效率为29.13％。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 中红外光参量振荡器发展概况

1．2．1 高光束质量泵浦源激光器发展概况

1．2．2 非线性光学晶体发展概况

1．2．3 中红外光参量振荡器发展近况

1．3 论文主要内容及研究成果

1．3．1 论文主要内容

1．3．2 研究成果

第二章 光束波前球差补偿改善光束质量的理论分析

2．1 引言

2．2 激光介质中的热致球差效应

2．2．1 侧面泵浦Nd：YAG晶体中的热致球差效应

2．2．2 端面泵浦Nd：YVO4晶体中的热致球差效应

2．3 球差对激光光束质量的影响

2．3．1 M2因子与光束复振幅分布的关系

2．3．2 光束传播过程中其波前球差的演化

2．4 激光振荡器中球差效应以及光束质量控制理论

2．4．1 增益介质引入球差后的激光振荡器分析

2．4．2 激光放大器中的球差补偿以获得光束质量的改善

2．5 小结

第三章 基于光束波前球差补偿的激光振荡-放大系统

3．1 引言

3．2 侧面泵浦激光振荡器

3．2．1 侧面泵浦激光模块性能测量

3．2．2 侧面泵浦激光模块搭建的动态稳定腔

3．3 侧面泵浦-端面泵浦混合放大MOPA系统

3．3．1 端面泵浦激光放大模块

3．3．2 侧面泵浦-端面泵浦混合激光系统

3．4 光纤-固体混合放大MOPA系统

3．4．1 光纤-固体混合放大MOPA系统实验装置

3．4．2 光纤-固体混合放大MOPA系统输出光束特性

3．5 小结

第四章 光参量振荡器的理论分析

4．1 引言

4．2 光参量振荡的理论模型

4．3 光参量发生器(OPG)过程的数值模拟

4．3．1 单纵模泵浦的光参量发生器模拟

4．3．2 多纵模泵浦的光参量发生器模拟

4．4 光参量振荡器(OPO)的数值模拟

4．4．1 泵浦光对光参量振荡器输出特性的影响

4．4．2 闲频光吸收对光参量振荡器输出特性的影响

4．4．3 输出镜反射率对光参量振荡器输出特性的影响

4．5 小结

第五章 基于PPLN晶体的光参量振荡器实验研究

5．1 引言

5．2 闲频光吸收对光参量振荡器输出的影响

5．2．1 脉冲输出光参量振荡器实验系统

5．2．2 脉冲光参量振荡器输出特性分析

5．3 腔镜反射率对光参量振荡器的影响

5．3．1 连续输出光参量振荡系统及其输出特性分析

5．3．2 高功率连续光参量振荡器实验系统

5．4 小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 论文创新点

6．3 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间取得的科研成果