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中红外PPLN光参量振荡技术研究

魏星斌

   中红外激光(3-5μm)有着广泛的应用背景。中红外光参量振荡技术(OPO)具有波长调谐范围宽、结构简单紧凑、能实现高功率或高能量输出等优点。周期极化铌酸锂晶体(PPLN)由于其非线性系数大、通光范围宽、波长调谐方式多样等优点逐渐成为国内外研究的热点。目前,PPLN-OPO输出的中红外激光平均功率已经达到十瓦量级,单脉冲能量也达到百毫焦量级,在中红外OPO领域处于领先地位。论文对中红外PPLN-OPO开展了较为全面的理论和实验研究。 研究了PPLN晶体热膨胀效应对OPO输出波长的影响。理论计算了PPLN-OPO的波长调谐曲线,详细分析了光参量振荡技术线宽展宽的原理。通过改变晶体的温度,实现了PPLN-OPO输出波长连续、高精度、宽范围的调谐。当极化周期为31.2μm的PPLN晶体温度变化范围为25-200°C时,OPO输出的闲频光波长调谐范围为2.65-3.12μm,相应的信号光波长调谐范围为1.61-1.78μm,平均调谐精度达到0.3nm/0.1℃。较低温度时,PPLN晶体热膨胀对输出波长的影响可以忽略,而较高温度时或简并区域附近,热膨胀效应对中心波长带来约几十纳米的影响。除了对PPLN-OPO波长调谐特性的研究外,还开展了高功率中红外PPLN-OPO技术研究。 采用椭圆光斑抽运PPLN-OPO,获得了目前国内外公开报道的基于光参量振荡技术的最高功率的2.7μm和3.8μm中红外激光。理论计算了单谐振OPO的阈值、转换效率、接收角度和线宽等特征参数。声光调Q、Nd:YAG激光器输出的1.064μtm激光,经耦合系统整形为与PPLN晶体端面相匹配的椭圆光斑后,抽运单谐振的PPLN-OPO。当PPLN晶体的极化周期为31.9μm,工作在室温时,输出的信号光和闲频光的中心波长分别为1.75μm和2.7μm。抽运功率为175W,重复频率为7kHz时,PPLN-OPO输出的总功率为95.6W,总的转换效率为54.6%,其中2.7μm激光功率为35.2W,转换效率为20.1%,脉宽为72ns,光束质量约为Mx2=3.59,My2=6.26。通过类似的技术,在7kHz,145W的抽运功率下获得了平均功率22.6W的3.84μm激光,转换效率为15.6%,光束质量约为Mx2=3.68,My2=7.24。 当抽运源为1μm左右的激光时,OPO除了产生3-5μm的闲频光外,还将伴随产生近红外1.5μm左右的信号光。在通常的谐振腔中,占能量主要部分的信号光往往因得不到利用而被浪费掉,最终的中红外输出功率受限于量子转换效率和光子能量比。如果将信号光作为抽运光,进行第二次OPO过程,则将获得新波长的中红外激光,这种结构被称为双光参量振荡(TOPO).信号光的充分利用,有力的提高了抽运光转换为中红外激光的效率。当两次OPO过程产生波长相同的中红外激光时,相当于实现了信号光对闲频光的参量放大(OPA),闲频光功率因为两次光参量产生过程而得到加强。 仅用一块单周期PPLN晶体实现了TOPO过程,研究了PPLN-TOPO输出波长随温度的调谐特性,获得了多波长的中红外激光输出,扩展了光参量技术波长调谐的范围。理论计算了PPLN-TOPO的波长调谐曲线、两次OPO过程产生波长相同激光时的匹配温度,以及1个抽运光子转换为3个波长相同的中红外光子时,三重简并输出的相关参数。采用高功率密度的1.064μm激光抽运PPLN-TOPO,极化周期为31.4μm的PPLN晶体温度变化范围为25-200℃时,获得了三种(或两种)中红外激光输出,整个PPLN-TOPO的波长调谐范围为1.6-4.4μm,大于只能获得一个中红外激光输出的OPO的调谐范围。除了对PPLN-TOPO波长调谐特性的研究外,还开展了通过一块PPLN晶体实现高效率中红外激光输出的研究。 在一块单周期PPLN晶体中,通过TOPO技术,实现了两次OPO产生波长相同的中红外激光过程。理论上从耦合波方程出发,得到了抽运光完全消耗的条件和混频激光的量子转换效率。将TOPO近似为两个相互独立的OPO过程,分析了PPLN-TOPO的阈值、转换效率、接收角和接收线宽等。当极化周期为31.2μm的PPLN晶体工作在151.3℃时,TOPO过程分别为:1.064μm→2.83μm+1.70μm,1.70μm→2.83μm+4.30μm,两次OPO过程产生了波长相同的2.83μm激光,相当于信号光1.70μm通过差频过程对闲频光2.83μm实现了光参量放大。在最高抽运功率25W时,获得了平均功率8.25W的2.83μm激光输出,转换效率达到了33%,高于高斯模型下单谐振OPO中红外激光转换效率的理论极限,同时获得了0.8W的4.30μm差频激光输出。……   
[关键词]:中红外激光;光参量振荡;周期极化铌酸锂晶体;可调谐
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中国工程物理研究院2010年