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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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  由于锁模激光器输出的超短脉冲峰值功率较高,大大降低了OPO的阈值,容易实现单谐振运转。然而,与连续光或者纳秒脉冲OPO不同,由于时间宽度为皮秒或者飞秒的泵浦脉冲太短,信号光无法在一个泵浦脉冲时间内形成多次振荡,因此难以产生有效的参量转换。假如OPO谐振腔的长度满足一定条件,使得信号脉冲在腔内往返一次的时间与相邻泵浦脉冲的时间间隔一致,那么由前一个泵浦脉冲产生的信号脉冲在运转一周后回到晶体内就能够继续与后一个泵浦脉冲产生参量作用,从而使参量增益过程持续发生,最终克服阈值形成参量振荡。这种泵浦光与信号光脉冲的时间同步称为同步泵浦条件。根据同步泵浦的要求,OPO谐振腔的腔长与泵浦激光器的腔长一致或呈倍数关系,因此合理确定谐振腔的长度是在设计同步泵浦OPO谐振腔时需要特别考虑的问题。

  连续波超短脉冲同步泵浦OPO可以视为与连续波OPO一样的稳态器件,在稳态分析时只需用峰值脉冲强度代替平均强度,此外还需要考虑脉冲的时域走离和群速度色散。皮秒OPO脉冲宽度大于1ps,对于通常所用晶体长度,毫米或厘米量级,其时域效应可以忽略,然而,对于脉宽为100fs及更短的飞秒OPO,时域效应则十分显著,需要特别考虑。基于高斯光束的连续单谐振同步泵浦OPO模型分析的结论包括:在群速度色散和时域走离作用下,输出脉冲往往比入射泵浦脉冲短,随着泵浦消耗增加,参量脉冲发生展宽,逐渐接近泵浦脉冲。对于给定的泵浦强度和非线性晶体参数,可以通过改变输出耦合率来优化参量转换效率和输出功率。通过选择合适的参数,参量转换效率理论上可高达70%。

  2.2 准相位匹配技术原理与晶体特性

  2.2.1 准相位匹配技术

  一般情况下,三波非线性相互作用都发生在透明的晶体介质区,即晶体介质与光场无能量交换。此时三光波应满足能量守恒定律和动量守恒定律即

  hw1+hw2=hw3                (2.16)

  hk1+hk2=hk3                (2.17)

  这里动量守恒定律就是相位匹配条件△k=0,若三波共线传播,则相位匹配条件简化为

  n1/λ1+n2/λ2=n3/λ3       (2.18)

  由于三种折射率都取决于波长、光在晶体中的传播方向以及光的偏振,所以一般情况下能够对某些晶体利用双折射和色散找到满足上式的条件。传统的相位匹配技术就是利用晶体的双折射效应来实现的,称为双折射相位匹配技术(BPM)。

  近年来,基于周期极化晶体的准相位匹配技术(QPM)获得了迅速发展。所谓准相位匹配技术,就是通过周期性地改变铁电晶体材料的自发极化方向,来补偿光参量过程中由于折射率色散造成的泵浦光和参量光之间的相位失配,实现整个晶体长度内参量光的持续增长,从而获得较高的参量转换效率。

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