雙波長光參量振蕩器及589nm拉曼黃光激光器的研究.pdf

1、非線性光學變頻技術是獲得新的、滿足實際應用需求的激光波長的一種可靠方法，是目前光學領域的重要研究內容。在過去的幾十年時間中，研究者們對各種非線性效應都進行了深入廣泛的研究，例如，二階非線性過程倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩等，以及三階非線性過程四波混頻、受激拉曼散射、受激布里淵散射等。在諸多的非線性光學效應中，我們將目光集中在光參量振蕩和受激拉曼散射兩個方面，兩者都是高效的非線性光學過程，都可以獲得高功率激光輸出。對于光參量振蕩，我們將重

2、點研究單諧振內腔式光參量振蕩器的輸出時間特性；對于受激拉曼散射，我們將重點關注基于晶體拉曼激光技術的鈉導星激光的實現，鈉導星激光在天文、國防領域有重要應用，是當前非線性光學的重要研究內容。
　　 本論文對被動調Q的內腔式Nd：Y3Al5O12(Nd：YAG)/KTiOAsO4(KTA)單諧振光參量振蕩器(Optical Parametric Oscillator，OPO)進行實驗研究，并通過基于速率方程模型的理論模擬和分析，對實

3、驗結果進行了合理解釋；設計了兩種倍頻晶體拉曼激光器方案，用于實現589 nm鈉黃光輸出，分別是倍頻c切Nd：YVO4拉曼激光器和倍頻Nd：Gd3Ga5O12(Nd：GGG)/BaWO4拉曼激光器方案，并對其運轉特性進行了詳細研究。
　　 本文的具體研究內容為：
　　 1.用Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA光參量振蕩器架構實現了1.5μm和3.5μm參量光的同時輸出。用光纖耦合半導體激光器(808 nm)作為泵浦源，

4、用Nd：YAG作為激光晶體，Cr4+：YAG作為被動調Q開關，KTA作為非線性晶體，實現了內腔式單諧振光參量振蕩器。在泵浦功率為11.4 W的情況下，獲得了1.05 W的參量光總功率，其中信號光(1535 nm)和閑頻光(3467 nm)的功率分別為772 mW和278 mW。此時的脈沖重復頻率為36.5 kHz，信號光和閑頻光的脈沖寬度分別為6.7 ns和2.9 ns，即信號光脈沖寬度大于閑頻光脈沖寬度。從而實驗證明了，單諧振OPO中

5、信號光脈沖寬度要大于閑頻光的脈沖寬度。
　　 2.對上述實驗進行了理論模擬和分析。推導并建立了新的速率方程模型，使之能夠同時處理內腔式單諧振OPO的信號光和閑頻光的輸出特性。并將該模型應用到上述Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA被動調Q內腔式單諧振光參量振蕩器中，同時描述了其信號光及閑頻光的輸出特性。理論處理結果和實驗結果吻合較好，也顯示出，單諧振OPO中信號光脈沖寬度要大于閑頻光脈沖寬度。
　　 3.實現了半導體激

6、光泵浦的Nd：GGG/BaWO4晶體拉曼激光器運轉。用光纖耦合半導體激光器(808 nm)作為泵浦源，用Nd：GGG作為激光晶體，聲光調Q，拉曼增益介質選用BaWO4晶體，實現了內腔式拉曼激光器。泵浦功率為8.84 W、脈沖重復頻率為10 kH的情況下，獲得了1.4 W的1178 nm拉曼激光輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉換效率為15.8％。
　　 4.在上述研究的基礎上，選用KTiOPO4(KTP)倍頻晶體，實現

7、了半導體激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4/KTP黃光激光器運轉，并獲得了589 nm鈉黃光輸出。倍頻激光器的研究采用內腔式倍頻技術，在泵浦功率為8.84 W、脈沖重復頻率10 kH的情況下，得到了0.82 W的589 nm黃光，對應的光-光(半導體激光-黃光)轉換效率為9.3%。此時的黃光脈沖寬度為9 ns，峰值功率為9.1 kW。
　　 5.用光纖耦合半導體激光器(880 nm)作為泵浦源，研究了聲光調Q的c切Nd：YVO4

8、(c-Nd：YVO4)晶體自拉曼激光器的輸出特性。在重復頻率45 kH的情況下，我們獲得了1178 nm拉曼激光的最高輸出功率2.14 W，此時Nd：YVO4吸收的泵浦光功率為15.8 W，對應的光一光(半導體激光-拉曼激光)轉換效率為13.5%。
　　 6.仍選用KTP作為倍頻晶體，對上述c-Nd：YVO4晶體自拉曼激光器進行腔內倍頻，獲得了589 nm鈉黃光。在吸收泵浦光功率為12.4 W、脈沖重復頻率為40 kHz的情況下

9、，獲得了1.24 W的黃光輸出，對應的光-光(半導體激光-黃光)轉換效率為10%。其光束質量因子(M2)分別為2.78(水平方向)、3.01(豎直方向)。
　　 7.用光纖耦合半導體激光器(880 nm)作為泵浦源，實現了聲光調Q的c-Nd：YVO4/a-YVO4內腔式拉曼激光器運轉。在吸收泵浦光功率為18.1 W、脈沖重復頻率為45 kHz的情況下，獲得了2.34 W的1178 nm輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉

10、換效率為12.9%。
　　 8.將上述c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器輸出特性與c-Nd：YVO4晶體自拉曼激光器進行了對比，包括輸出功率、中心波長可調諧性、光束質量三個方面。通過控制a-YVO4拉曼晶體的溫度，我們研究了該晶體拉曼激光器的輸出波長隨拉曼晶體溫度的調諧特性。實驗結果顯示，相比較于c-Nd：YVO4晶體自拉曼激光器，c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器在輸出功率、輸出波長可調諧性、光束質量等方面均占

11、優(yōu)勢。
　　 本論文主要創(chuàng)新點如下：
　　 1.首次用Nd：YAG/Cr4+：YAG/KTA光參量振蕩器架構實現了1.5μm和3.5μm參量光的同時輸出，獲得了1.05 W的參量光總功率，其中信號光(1535 nm)和閑頻光(3467nm)的功率分別為772 mW和278 mW。
　　 2.首次實驗證明了，單諧振OPO中信號光脈沖寬度要大于閑頻光的脈沖寬度。上述實驗獲得的信號光和閑頻光的脈沖寬度分別為6.7 ns

12、和2.9 ns，即信號光脈沖寬度大于閑頻光脈沖寬度。
　　 3.建立了新的速率方程模型，使之能夠同時處理被動調Q內腔式單諧振OPO的信號光和閑頻光的輸出特性。首次通過理論模擬證明了單諧振OPO中信號光脈沖寬度要大于閑頻光脈沖寬度。
　　 4.首次實現了半導體激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4拉曼激光器，獲得了最高功率1.4 W的1178 nm拉曼激光輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉換效率為15.8%。

13、　　 5.首次實現了半導體激光泵浦的Nd：GGG/BaWO4/KTP倍頻拉曼激光器，獲得了最高功率0.82 W的鈉黃光輸出，對應的光-光(半導體激光-黃光)轉換效率為9.3%。
　　 6.首次實現了c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器運轉，獲得了最高功率2.34 W的1178 nm激光輸出，對應的光-光(半導體激光-拉曼激光)轉換效率為12.9%。
　　 7.將c-Nd：YVO4/a-YVO4拉曼激光器與c-Nd