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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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  2002年,美国新墨西哥大学的C.W.Hoyt和英国圣安德鲁斯大学的M.Ebrahimzadeh等联合报道了一个基于PPLN晶体的高功率皮秒OPO,在平均泵浦功率低于18W时获得了12W的总平均输出功率,其中信号光(1.85μm)功率近8W,闲频光(2.5μm)功率大于4W,该OPO泵浦源为中心波长1.064μm的80ps连续波锁模脉冲,输出波长可在1.7~2.84μm范围内调谐。2009年英国爱丁堡大学T.P.Lamour等人报道了一个基于PPMgLN的皮秒OPO,由掺镱光纤激光器泵浦,泵浦脉冲宽度为437fs产生了波长范围1.42~1.56μm的1.5ps信号光脉冲,脉冲能量超过70nJ,最大输出平均功率为1.09W,泵浦功率6.4W时光-光效率为17%。由于使用内腔式延迟成像技术,获得了15.3MHz的重复频率。2010年,英国南安普顿大学的Florian Kienle等首次报道了用光纤放大的调Q二极管激光器泵浦的皮秒PPMgLN-OPO,泵浦脉冲宽度17ps,脉冲基频114.8MHz且可转换至更高重频(达1GHz),泵浦功率24W时,输出高达7.3W的信号光(1.54μm)和3.1W的闲频光(3.4μm),调谐范围为1.4~1.7μm和2.9~4.4μm。2010年西班牙的O.Kokabee等报道了一个高功率皮秒同步泵浦OPO,泵浦源为掺镱光纤激光器,获得了总平均功率达11.7W的近中红外输出,效率为73%。该OPO基于一块50mm的PPMgLN晶体,泵浦脉冲宽度20.8ps,重复频率81.1MHz,泵浦功率为16W时可同时输出7.1W信号光(1.56μm)和4.6W闲频光(3.33μm)。该OPO有效提高了转换效率、光束质量和输出功率稳定性,由于尽量避免晶体的热效应,在输出高功率的同时保持了较高的光谱稳定性。这种高功率、宽调谐且具有极好的时域和频谱特性的同步泵浦OPO,再加上光纤激光泵浦源的使用,有望成为实用化的高重复频率皮秒脉冲光源。

  国内,天津大学、南开大学、南京大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、中科院物理所、中国工程物理研究院等单位在基于准相位匹配技术的光学参量振荡器领域做了大量的研究工作。目前报道的OPO大多为连续或纳秒脉冲系统,同步泵浦OPO的报道较少。2007年,朱江峰等人以钛宝石激光器作为泵浦源,采用同步泵浦方式实现了基于PPMgLN的飞秒OPO,输出信号光波长在1.1~1.3μm、闲散光波长在2.08~2.93μm范围内调谐。在光纤激光泵浦的OPO方面,2009年,浙江大学沈永行研究组采用脉冲光纤激光器泵浦基于PPMgLN晶体的OPO,获得了中红外纳秒脉冲输出。目前尚未见到国内有关光纤激光器泵浦皮秒OPO的报道。

  第二章  准相位匹配光学参量振荡器的理论与设计

  本章首先介绍光学参量振荡器的基本理论、同步泵浦光学参量振荡器的理论模型和准相位匹配晶体PPMgLN的特性。然后,从光纤激光器泵浦源、非线性频率变换晶体、谐振腔设计等方面介绍实验方案的设计和具体参数的选择。

  2.1 同步泵浦光学参量振荡器基本理论

  本节介绍光学参量振荡器的基本理论,从三波相互作用耦合方程出发,得到小信号参量增益的表达式,并对同步泵浦光学参量振荡器的理论模型进行介绍和分析。

  2.1.1 三波耦合方程与参量增益

  光学参量过程属于三波非线性相互作用的一种,如图2所示,频率为W3的激光束入射到非线性晶体中,通过二阶非线性作用产生频率为WQ1和W2的参量光。经典电磁场之间的非线性相互作用通常可用耦合波方程描述,对于连续波参量过程,可用稳态耦合波方程进行分析。对于同步泵浦OPO而言,作为泵浦源的连续波锁模超短脉冲是等强度的,谐振腔内参量光经过一段上升时间后能够达到稳定振荡状态,因此也可以用稳态方法进行分析。

  图2  非线性光学参量作用示意图

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