内腔光参量振荡器及新波长固体激光器的研究

摘要

光参量振荡(Optical Parametric Oscillation，OPO)是一种实现光学频率变换的有效途径，它利用非线性晶体的混频特性，通过相位匹配获得信号光与闲频光两个波长，可实现宽频可调谐的激光输出。对于光参量振荡器的研究目前主要集中在以下几个方面：(1)以最常用的1.06μm激光作为泵浦源，通过光参量振荡产生1.5μm左右的人眼安全激光输出；(2)以1.06μm激光泵涌磷锗锌光参量振荡(ZGP-OPO)，产生2μm的激光输出。由于2μm激光对大气和烟雾的穿透能力强，因而在激光雷达、激光测距、遥控传感及医学和光通讯等方面都有着重要的应用；(3)通过非线性频率变换实现中红外3-5μm的激光输出。由于3-5μm是一个重要的大气窗口波段，位于这一波段的激光对大雾、烟尘等都具有较强的穿透力，因此在雷达系统、光谱测量、激光测距、红外遥感和医学等方面都有着广泛的应用。中红外光参量振荡器一直是国内外研究的热点，它具有调谐范围宽、效率高、结构紧凑、全固化等优点，且随着各种新型优质的中红外非线性晶体的出现，使中红外光参量振荡器向世人展示出了其越来越广泛的发展前景。
　　 受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)属于三阶非线性效应，也是实现激光频率变换，产生新波长的重要途径之一，频率转换后的激光波长由泵浦光波长和拉曼介质决定。通过选择不同波长的泵浦光和不同材质不同频移的拉曼介质，可以得到从紫外到近红外范围的受激拉曼散射光谱。与传统的气体和液体拉曼介质相比较，固体拉曼介质具有粒子浓度大、体积小、拉曼增益高、热传导性好、机械性能好、易于和全固态激光技术相结合等优点。以晶体作为拉曼介质的固体拉曼激光器具有结构紧凑、效率高、稳定性好等优点，在军事、医疗、交通、信息和农业等领域都有重要的应用。目前，美国、俄罗斯、澳大利亚，及中国台湾等国家和地区的研究者都在积极地参与固体拉曼激光器的研究，其中，俄罗斯的科学家在拉曼晶体生长和特性研究方面做了许多开创性的工作。我国在晶体生长领域也居世界领先水平，这为我国的固态拉曼激光器的研究提供了便利的条件。
　　 本论文主要分两部分，一部分是以Nd：YAG产生的1064 nm激光作为泵浦源，对内腔式砷酸钛氧钾(KTiOAsO4，KTA)晶体中红外波段光参量振荡器进行了理论和实验研究；另一部分是对两种新波长激光器的实验研究。本文的研究内容主要有：
　　 1.对光参量振荡中的三波互作用的基本理论进行了分析，对KTA晶体的相位匹配角和有效非线性系数进行了计算，并对非临界相位匹配理论做了介绍。
　　 2.以Nd：YAG晶体作为激光介质，KTA晶体作为非线性晶体，采用声光调Q，研究了LD端而泵浦主动调Q内腔式中红外KTA光参量振荡器的输出特性。主要包括光谱特性、功率特性、脉冲特性以及光束质量等。用1064 nm的激光泵浦Ⅱ类非临界相位匹配(NCPM)的KTA晶体时，获得的信号光波长为1535 nm，获得的中红外闲频光波长为3469 nm。实验测量了不同重复频率下，中红外闲频光的平均输出功率、脉冲宽度随泵浦功率的变化关系。当LD泵浦功率为14.93 W，脉冲重复频率为40 kHz时，实验得到的中红外闲频光的最高平均输出功率为0.46 W，最高总输出功率为1.83 W，相应的由LD到参量光的光-光转换效率为12.3％。测得此时的闲频光脉宽为4 ns，获得的峰值功率为2.9 kW。此时闲频光的光束质量为12左右。
　　 3.对LD端泵、声光调Q的Nd：YAG/KTA内腔式OPO进行了理论分析，将初始反转粒子数密度和腔内光子数密度在腔内分布看作是高斯分布，而非平面波近似分布，建立了速率方程理论模型；并在求解过程中考虑了晶体的热透镜效应问题，计算了Nd：YAG晶体的热透镜焦距随泵浦功率的变化趋势，最终对速率方程进行了数值求解，并与实验结果相比较，发现理论值与实验结果较为吻合，这也证明了我们这个速率方程理论模型的正确性。
　　 4.实现了在双棒串接的LD侧面泵浦的条件下，以Nd：YAG晶体作为激光介质，以X切KTA晶体作为非线性晶体，采用声光调Q的内腔式KTA光参量振荡器的高效运转，获得的闲频光波长为3469 nm。采用串接两个相同的LD侧向泵浦Nd：YAG棒作为泵浦源，中间放入90°石英旋光片以补偿热致双折射，采用平凸腔的设计以增加稳区范围并减轻腔内高泵浦功率下热效应的影响。实验测量了不同重复频率下，中红外闲频光以及信号光的平均输出功率、脉冲宽度随泵浦功率的变化关系。当LD泵浦功率为208 W，脉冲重复频率为12.5 kHz时，实验得到的中红外闲频光的最高平均输出功率为3.4 W，此时测得的脉宽为19 ns，获得的峰值功率为14 kW。当LD泵浦功率为208 W，脉冲重复频率为7.5 kHz时，实验得到的信号光功率为12.7 W，闲频光功率为3.1 W，相应的由LD到总的参量光的光.光转换效率为7.6％，这是目前LD侧面泵浦声光调Q KTA内腔式光参量振荡的最高转换效率。
　　 5.首次实现了一种基于BaWO4晶体332cm-1频移的1103 nm的内腔拉曼激光器。以LD端面泵浦Nd：YAG晶体产生1064 nm激光作为泵浦光，选用拉曼频移为332 cm-1的46 mm长的BaWO4晶体作为拉曼介质，采用声光调Q，产生了波长为1103 nm的激光。在LD泵浦功率为7.55 W，脉冲重复率为17 kHz的条件下，获得最高的拉曼光功率为1.23 W，相应的由LD到拉曼光的转换效率为16.3％，此时拉曼光在水平和竖直方向的光束质量因子分别为2.0±0.2和1.8±0.2。同时，关于BaWO4晶体的热透镜效应问题也在给出了相应的分析。
　　 6.首次实现了氙灯泵浦的自由运转的1073.8 nm激光输出。采用平凹腔结构，用氙闪光灯泵浦尺寸为φ6 mm×110 mm的Nd：YAG晶体，产生了1073.8 nm的激光输出。当输入泵浦能量为69.6 J，脉冲重复率为1 Hz时，获得的最高脉冲能量为487 mJ。
　　 本论文主要创新点如下：
　　 1.设计优化了LD端面泵浦声光调Q的中红外KTA内腔光参量振荡器，当泵浦功率为14.93 W时，获得了1.83 W的总输出功率，包括1.37 W的信号光(1.54μm)功率和0.46 W的中红外闲频光(3.47μm)功率，相应的总光.光转换效率为12.3％，这也是目前所报道的LD端泵声光调Q的中红外KTA-IOPO的最高转换效率。
　　 2.首次实现了双侧泵Nd：YAG声光调Q的KTA内腔光参量振荡器。两个完全相同的LD侧向泵浦Nd：YAG棒模块串接放置，且在两模块中放入90°石英旋光片以补偿热致双折射，这些作为泵浦源。优化了泵浦光，为下面的实验打好基础。
　　 3.实现LD双侧泵、声光调Q、Nd：YAG/KTA内腔式中红外OPO。在LD泵浦功率为208 W，脉冲重复频率为7.5 kHz时，获得的总输出功率为15.8 W，其中信号光功率为12.7 W，闲频光功率为3.1 W，相应的由LD到总的参量光的光.光转换效率为7.6％，这是目前LD侧面泵浦声光调Q KTA内腔式光参量振荡的最高转换效率。
　　 4.首次实现了一种基于BaWO4晶体332cm-1频移的1103 nm内腔拉曼激光器。采用LD端面泵浦Nd：YAG晶体，以按X(ZZ)X配置的BaWO4晶体作为拉曼介质，实现了332 cm-1频移的受激拉曼散射。在激光二极管泵浦功率为7.55W，声光Q开关工作频率为17 kHz的条件下，获得最高平均功率为1.23 W的拉曼光输出，光光转换效率达到16.3％，并估算了此时BaWO4晶体的热透镜焦距值。首次观察到了LD侧面泵浦的基于BaWO4晶体332cm-1频移的1103nm的拉曼激光输出。
　　 5.首次实现了氙灯泵浦Nd：YAG自由运转的1073.8 nm激光输出。当输入泵浦能量为69.6 J，脉冲重复率为1 Hz时，获得的最高脉冲能量为487 mJ，并测量了脉冲特性和光束质量特性。