高功率短脉冲固体激光及其泵浦的中红外周期极化铌酸锂光学参量振荡器特性研究

【摘要】高功率短脉冲固体激光及其泵浦的中红外周期极化铌酸锂(PeriodicallyPoledLithiumNiobate,PPLN)光学参量振荡器(OpticalParametricOscillator,OPO)特性研究对于脉冲固体激光和中红外激光光源优化有着重要的实际指导价值。本论文中,在考虑激光介质上下能级热弛豫和下能级非辐射弛豫、调Q开关打开时间、激光横模等影响下,我们研究了增益开关、主动和被动调Q脉冲固体激光的输出特性；接着,理论和实验研究了脉冲固体激光泵浦的中红外PPLN-OPO特性。主要研究内容总结如下：(1)激光弛豫振荡过程及增益开关脉冲特性研究研究了激光上下能级热弛豫和下能级非辐射弛豫过程(统称为能级弛豫)对1064nmNd:YAG连续激光开启动态过程及稳态输出特性的影响；并进一步分析了能级弛豫对增益开关脉冲激光形成过程及输出特性的影响。结果表明,能级弛豫过程对连续激光开启动态弛豫过程和增益开关脉冲激光输出特性有着明显的影响,尤其是在高功率短脉冲情况下；与不考虑能级弛豫相比较,发现在相同的泵浦持续时间下,考虑能级弛豫条件下产生的增益开关脉冲宽度较宽,脉冲能量和峰值强度均较低。但是,能级弛豫对于连续激光最终的稳定输出状态无任何影响。从中可以得出,能级弛豫主要对于激光动态过程尤其是短脉冲形成过程有着不可忽视的影响,在短脉冲激光器优化设计中需要考虑其作用。(2)主动调Q脉冲激光特性研究研究了能级弛豫过程对主动快开关电光调QNd:YAG脉冲激光输出特性的影响和慢开关效应对声光调Q脉冲激光的不利影响及避免方式。对于电光调Q脉冲激光,其可视为快开关进行近似处理；然而,由于电光调Q激光脉冲的脉宽较短(ns量级),需考虑能级弛豫对其输出特性的影响。而对于声光调Q脉冲激光,其脉冲宽度较宽,因此无需考虑能级弛豫的影响；但是其开关打开时间较长,在高功率下容易产生多脉冲现象,大大降低激光能量转换效率,同时恶化激光脉冲均一性和光束质量,需尽量避免慢开关效应的不利影响。(3)被动调Q脉冲激光特性研究研究了能级弛豫过程和激光横模对Cr4+:YAG被动调Q脉冲激光特性的影响,对获得稳定可靠的被动调Q脉冲有一定的指导意义。实验研究了LD端泵Nd:YVO4Cr4+:YAG被动调Q脉冲激光输出特性,并将能级弛豫引入被动调Q速率方程,发现当热弛豫时间t=5ns时理论模拟结果与实验结果能够很好的吻合。接着,研究了连续工作LD侧泵Nd:YAG热致双折射效应引起的轴对称TEM01*模形成过程。而当插入Cr4+:YAG可饱和吸收体后,由于可饱和吸收体的横模选择作用,在临界工作区域产生四束对称分布的相位锁定高斯光,并在远场观察到正弦-余弦调制的高分辨率高斯干涉条纹；另外,实验发现当激光横模达到稳定的相位锁定时,被动调Q激光脉冲输出也很稳定。(4)中红外PPLN-OPO理论研究理论分析了非线性光学的三波相互作用耦合波方程、准相位匹配原理和优点、PPLN-OPO调谐方式、外腔式单谐振OPO的振荡阈值和转换效率。(5)外腔式单谐振中红外PPLN-OPO实验研究采用声光调QLD侧泵1.064μmNd:YAG脉冲激光作为泵浦源,研究了外腔式单谐振中红外MgO:PPLN-OPO的功率和光谱输出特性,其闲频光输出波长在3.8μm附近能够实现小范围的温度调谐。首先,我们对高功率中红外PPLN-OPO中相关实验参数设计进行分析,主要包括泵浦光源、PPLN晶体、OPO腔镜镀膜和机械调整架的设计。接着,通过在LD侧泵1.064μmNd:YAG调Q脉冲激光腔内插入不同直径的小孔光阑,分析了泵浦光光束质量对OPO输出特性的影响。实验结果表明,泵浦光光束质量越好,参量转换效率越高。实验中,我们获得了最高5.5W3.8μm闲频光平均功率输出和27%1.064μm泵浦光至3.8μm闲频光功率转换效率。同时,我们对上述实验过程中PPLN晶体的热效应对泵浦光横模的影响进行了分析,当泵浦功率高于某一值时,热透镜效应转换为热波导效应,泵浦光被限制在晶体内,泵浦光和参量光的模式重叠提高,这有益于OPO的高效稳定运行。最后,我们对中红外PPLN-OPO参量光光谱和寄生振荡可见光光谱进行了简要分析,除了近红外信号光和中红外闲频光光谱外还能通过人眼观察到寄生振荡绿光和红光可见光。
【作者】陈小明；
【导师】白晋涛；
【作者基本信息】西北大学，光学，2014，博士
【关键词】脉冲固体激光；能级弛豫；周期极化铌酸锂；中红外光学参量振荡器；

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