光纤激光泵浦的皮秒光学参量振荡器研究

论文摘要

光学参量振荡器（OPO）是一种应用广泛的可调谐相干光源,同时也是在中红外波段最有希望获得大功率输出的全固态激光器件。基于同步泵浦的皮秒光学参量振荡器不仅能在短脉冲宽度和窄谱线宽度之间取得平衡,而且具有高平均功率输出的潜力。近年来,随着基于大模场双包层增益光纤的高功率光纤激光器的迅速发展,越来越多的OPO采用光纤激光器作为泵浦源,在提高效率的同时使系统更加紧凑、稳定。本文针对光纤激光泵浦的皮秒光学参量振荡器进行了较为全面的研究,通过方案设计和输出特性分析,分别实现了高功率宽调谐中红外OPO、双波长信号光OPO和级联同步太赫兹参量振荡,研究成果和结论为高功率全固态中红外激光器的研制及应用拓展提供了参考。论文的主要工作包括以下内容:一、设计并实现了全光纤主振荡功率放大（MOPA）结构脉冲光纤激光器泵浦的皮秒光学参量振荡器。基于准相位匹配技术和周期极化晶体PPMgLN的特性,通过温度调谐和周期调谐实现了中红外波段3.154.2μm范围内的参量激光输出。实验研究和分析了影响OPO输出特性的各种因素,针对光纤激光器高功率输出时出现的光谱展宽现象,采用脉冲重复频率倍增的方法抑制非线性效应,最终实现了高平均功率的中红外参量输出,3.42μm激光功率高达2.64W,中红外光-光转换效率为11%。该功率指标为同类中红外激光器中的较高水平,目前国内尚未见到光纤激光泵浦皮秒OPO的其他报道。二、深入研究了光纤激光泵浦皮秒OPO的输出光谱特性,实现了双波长信号光运转。针对超短脉冲光纤激光器输出光谱较宽的特点,分析了宽带光谱泵浦下的参量增益特性,并对双峰谱泵浦进行了数值模拟,总结了实现双波长运转的条件。实现了双波长信号光的产生,并且研究了双波长信号光的调谐特性和输出切换方式。三、实现了基于准相位匹配技术的级联同步太赫兹光学参量振荡。分析了级联参量过程产生太赫兹波的原理,在搭建的同步泵浦OPO实验平台上实现了级联光学参量振荡,对其输出光谱进行了分析,结果表明,级联同步参量过程可用来产生频率可调谐的高重频超短脉冲太赫兹波,这种实现太赫兹波产生的方法具有较高的可行性和应用潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景及意义
• 1.2 光学参量振荡器简介与研究概况
• 1.2.1 同步泵浦光学参量振荡器简介
• 1.2.2 光纤激光器泵浦源的优势
• 1.2.3 准相位匹配皮秒光学参量振荡器研究概况
• 1.3 论文主要内容与结构安排
• 第二章 准相位匹配光学参量振荡器的理论与设计
• 2.1 同步泵浦光学参量振荡器基本理论
• 2.1.1 三波耦合方程与参量增益
• 2.1.2 同步泵浦OPO 理论模型
• 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
• 2.2.2 周期极化晶体PPMgLN
• 2.3 皮秒光学参量振荡器方案及参数设计
• 2.3.1 泵浦源
• 2.3.2 非线性晶体
• 2.3.3 谐振腔
• 2.4 本章小结
• 第三章 光纤激光泵浦中红外皮秒光学参量振荡器实验研究
• 3.1 实验装置及实验方法
• 3.2 中红外输出功率特性研究
• 3.2.1 输出功率及其稳定性
• 3.2.2 腔长失谐的影响
• 3.2.3 泵浦源光谱展宽的影响及改进
• 3.2.4 其他影响输出功率特性的因素
• 3.3 参量波长的调谐
• 3.3.1 温度调谐
• 3.3.2 周期调谐
• 3.4 双波长信号光运转的研究
• 3.4.1 信号光光谱特征
• 3.4.2 宽带泵浦条件下信号光谱分析
• 3.4.3 双波长信号光实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 级联同步光学参量振荡产生太赫兹波的初步研究
• 4.1 太赫兹波产生的级联光学参量方法
• 4.2 级联同步太赫兹参量振荡实验研究
• 4.2.1 信号光额外谱线的产生
• 4.2.2 级联太赫兹参量振荡
• 4.2.3 蓝移谱线的解释
• 4.3 级联同步OPO 作为THz 源的实用性讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果