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基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的宽调谐高功率光参量振荡器研究

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摘要

光参量振荡器具有高转换效率、宽调谐范围的特点,可在传统的基于受激光放大原理工作的激光器所不能达到的波段有效地工作,在国防、生化、环保及医疗等领域都有重要的用途。利用双折射相位匹配的方法制作的光参量振荡器,由于对晶体切割方向、泵浦光的入射方向及工作环境,例如工作温度等有较为严格的要求,存在着转换效率不够高、调谐范围小和调谐困难等缺点,限制了光参量振荡器的应用。利用准相位匹配技术(QPM)制作的光参量振荡器可以有效地消除以上的限制,是目前光参量振荡器研究的热点。
　　 本论文所涉及到的研究工作是在成功地自行制备的大尺寸、均匀周期性畴反转掺镁铌酸锂晶体(PPMgLN)的基础之上,制作具有高输出功率、高转换效率和宽调谐范围的光参量振荡器。我们设计:制作了一个基于单谐振荡的光参量振荡器的实验系统,其泵源为声光调Q的Nd3+:YAG激光器,其调Q频率在10kHz到50kHz之间可调,输出波长为1.064.μ m,输出脉冲宽度为20～30ns。通过仔细调节光参量振荡器的一系列参数,我们已经获得了最高输出功率为4.8W、转换效率为44％,调谐范围为1.42-1.73μm和2.76-4.27μm的输出激光。该光参量振荡器可以通过简单地调整晶体的位置,使之工作在不同的反转周期来达到调谐的目的,同时可利用辅助的温度调谐,使光参量振荡器具有大范围连续调谐的功能,已经具备了实际应用的价值。实验中,我们还对光参量振荡器的一些输出特性,例如光束质量、光谱宽度等参数进行了测量,测量结果显示,基于准相位匹配技术的光参量振荡器具有较好的输出特性。
　　 本论文同时还利用经典电磁理论,在振幅慢变化条件下,采用数值模拟的方法,就泵浦光为单色平面波的近似情况对由行波腔组成的基于单谐振荡和双谐振荡的光参量振荡器进行了较为系统的分析。分析的结果表明了在高强度的泵浦光源下,为提高单谐振荡器的输出功率和转换效率,应该尽可能地采用低反射率的输出镜和采用束腰半径较大的泵浦光。模拟还对双谐振荡器作了较为仔细的分析,通过对腔内光强的仿真模拟,指出在双谐振荡器中,由于腔内同时存储了大量的信号光和闲散光,阻碍了泵浦光向信号光和闲散光的转换,是造成双谐振荡器在高强度泵浦光的情况下转换能力不高的主要因为。与之相对应的是,在单谐振荡器中由于只有信号光能发生谐振,因此,在单谐振荡器中,三光波总是按照尽可能快的速率实现三波间的相互转换。
　　 通过大量的实验和测量表明,较之双折射相位匹配方法制作的光参量振荡器,基于准相位匹配的光参量振荡器在转换效率和调谐等方面均胜一筹,具有很高的实际应用价值。

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