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光纤激光泵浦的光学参量振荡研究 1

2012-11-05 00:02
汉水狂客
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  非线性极化是一个瞬态作用过程,只有当泵浦脉冲存在时才有参量增益产生,因此在泵浦脉冲存续的时间内需要完成参量光波由自发辐射噪声到相干输出的宏观放大过程。然而,对于皮秒和飞秒脉冲,由于脉冲的时间窗口太窄,参量波在泵浦脉冲时间窗口内无法在谐振腔中形成多次往返共振,因此难以克服振荡阈值。

  实际的OPO谐振腔腔长即便能够做得很短,达到几个毫米,往往也难以保证超短脉冲的参量振荡。为了解决这个问题,设计OPO谐振腔时使其腔长与泵浦激光器的腔长匹配,这样参量脉冲在OPO腔内往返一周的时间与泵浦脉冲序列的重复周期相同,在同步匹配的条件下,发生共振的参量脉冲与入射到晶体内的泵浦脉冲序列发生持续的相互作用,从而被持续不断地放大。一般来说这种技术只用在相对较高的重复频率(大于50MHz)下,低重频所要求的同步泵浦OPO腔长太长因此不易实现且不实用。

  超短脉冲同步泵浦OPO通常可以分为两类,分别为连续波或者脉冲(准连续)同步泵浦OPO。对于大多数实际应用场合,连续波同步泵浦OPO是最合适的配置,因为它能输出连续且幅度均匀一致的脉冲序列。然而,由于脉冲锁模泵浦激光器比连续波锁模泵浦激光器更容易实现高峰值功率,以往报道的超短脉冲OPO尤其是适合实际应用的单谐振光学参量振荡器(SRO),通常都是在脉冲条件下运转的。正因如此,早期的基于双折射晶体材料的超短脉冲OPO大多采用脉冲型的激光器(比如锁模调Q的Nd:YAG激光器)作为泵浦源。另一方面,由于连续波锁模泵浦激光器的峰值强度较低,早期对于连续超短脉冲OPO的尝试都是基于具有较低阈值的双谐振光学参量振荡器(DRO)结构。然而,双谐振结构具有输出功率和光谱不稳定的缺点,因而限制了其实用化。

  近年来,随着高功率连续波锁模激光器的发展和新型非线性晶体材料的不断涌现,单谐振结构的连续运转超短脉冲OPO已经实现,不再需要使用脉冲泵浦或者采用双谐振结构。因此我们主要关注中红外连续波单谐振超短脉冲OPO,它代表了超短脉冲皮秒和飞秒OPO的最实用化和最稳定的工作模式。

  同步泵浦光学参量振荡器作为产生可调谐中红外超短脉冲的一种重要方式,得到了广泛的研究。1989~1991年,Edelstein和Wachman等人采用单谐振结构实现了基于KTP晶体的同步泵浦OPO,获得了近变换极限的飞秒脉冲,平均功率为数毫瓦,这是首次实现连续波单谐振同步泵浦OPO。2002年英国南安普顿大学的M.V.O’Connor等将全光纤飞秒激光源用于同步泵浦OPO,该激光源由连续波锁模掺镱光纤振荡器和放大器组成,使用它泵浦PPLN晶体,输出330fs信号光脉冲,重复频率54MHz,平均功率可达90mW,波长调谐范围1.55~1.95μm,相应闲频光范围2.30~3.31μm 。2010年,挪威的Magnus W.Haakestad报道了用飞秒掺铒光纤激光器同步泵浦方式实现的中红外OPO,闲频光调谐范围3.7~4.7μm,在中心波长4μm处最大平均功率37mW,脉宽480fs,光束质量M2因子为1.8,泵浦功率299mW时内部量子效率为46%。

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