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光纤激光泵浦的光学参量振荡研究 1

导读: 光学参量振荡器(OPO)是一种应用广泛的可调谐相干光源,同时也是在中红外波段最有希望获得大功率输出的全固态激光器件。

  光学参量振荡器(OPO)是一种应用广泛的可调谐相干光源,同时也是在中红外波段最有希望获得大功率输出的全固态激光器件。基于同步泵浦的皮秒光学参量振荡器不仅能在短脉冲宽度和窄谱线宽度之间取得平衡,而且具有高平均功率输出的潜力。近年来,随着基于大模场双包层增益光纤的高功率光纤激光器的迅速发展,越来越多的OPO采用光纤激光器作为泵浦源,在提高效率的同时使系统更加紧凑、稳定。本文针对光纤激光泵浦的皮秒光学参量振荡器进行了较为全面的研究,通过方案设计和输出特性分析,分别实现了高功率宽调谐中红外OPO、双波长信号光OPO和级联同步太赫兹参量振荡,研究成果和结论为高功率全固态中红外激光器的研制及应用拓展提供了参考。论文的主要工作包括以下内容:

  一、设计并实现了全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构脉冲光纤激光器泵浦的皮秒光学参量振荡器。基于准相位匹配技术和周期极化晶体PPMgLN的特性,通过温度调谐和周期调谐实现了中红外波段3.15~4.2μm范围内的参量激光输出。实验研究和分析了影响OPO输出特性的各种因素针对光纤激光器高功率输出时出现的光谱展宽现象,采用脉冲重复频率倍增的方法抑制非线性效应,最终实现了高平均功率的中红外参量输出,3.42μm激光功率高达2.64W,中红外光-光转换效率为11%。该功率指标为同类中红外激光器中的较高水平,目前国内尚未见到光纤激光泵浦皮秒OPO的其他报道。

  二、深入研究了光纤激光泵浦皮秒OPO的输出光谱特性,实现了双波长信号光运转。针对超短脉冲光纤激光器输出光谱较宽的特点,分析了宽带光谱泵浦下的参量增益特性,并对双峰谱泵浦进行了数值模拟,总结了实现双波长运转的条件。实现了双波长信号光的产生,并且研究了双波长信号光的调谐特性和输出切换方式。

  三、实现了基于准相位匹配技术的级联同步太赫兹光学参量振荡。分析了级联参量过程产生太赫兹波的原理,在搭建的同步泵浦OPO实验平台上实现了级联光学参量振荡,对其输出光谱进行了分析,结果表明,级联同步参量过程可用来产生频率可调谐的高重频超短脉冲太赫兹波,这种实现太赫兹波产生的方法具有较高的可行性和应用潜力。

  第一章

  1.1 本课题研究背景及意义

  3μm-5μm中红外激光位于大气的窗口波段,在光谱学、遥感、医疗、环保等诸多领域都有重要的应用价值;军事上,该波段的中红外激光器是激光雷达、红外干扰、光电对抗等许多领域的重要光源,因此对该波段激光的研究一直是热门课题。目前实现中红外激光输出主要有三种途径:

  ①使用直接辐射中波红外的激光器;

  ②对长波红外激光进行倍频或三倍频;

  ③使用具有光学参量振荡器的红外激光器。

  典型的固体激光器由于激活介质荧光谱线的限制,室温下发射波长通常要小于3μm。而且由于热激励引起的荧光效率问题,使用传统增益介质的固体中红外激光器在常温下难以产生大功率激光输出。基于非线性光学频率变换技术的光学参量振荡器( optical parametric oscillator,OPO)和光学参量放大器(optical parametric amplifier,OPA) 是目前实现大功率中红外固体激光输出的主要手段。因此研究中红外参量激光器尤其是实用化的全固态中红外光学参量振荡器具有重要的现实意义与应用价值。

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