论文摘要
非线性光学变频技术是获得新的、满足实际应用需求的激光波长的可靠方法,是目前光学领域的重要研究内容及研究热点之一。光参量振荡（Optical ParametricOscillation,OPO）和受激拉曼散射（stimulated Raman scattering,SRS）是两种高效的非线性光学过程,都可以获得高功率激光输出。两者相比较,前者利用晶体的二阶非线性效应,通过相位匹配获得信号光和闲频光两个波长,优点是可获得波长可调谐的激光输出;后者利用晶体的三阶非线性效应,获得固定频移的新的波长,优点是不需相位匹配即可获得高效率转换。全固体光参量振荡器和拉曼激光器结构紧凑、效率高、稳定性好,在信息、交通、测量、医疗、国防和工农业等领域都有重要的应用。本论文以Nd:YAG激光器作为泵浦源,对内腔式KTiOPO4（KTP）、KTiOAsO4（KTA）晶体人眼安全波段光参量振荡器进行大量的实验研究,并建立速率方程模型来描述、分析其运转特性,从而对内腔式OPO进行理论研究;在对KTA光参量振荡器进行实验研究的过程中,发现该晶体的高效受激拉曼散射;分别实现一阶、二阶斯托克斯（Stokes）KTA拉曼激光器的高效运转;为了提高非线性光学过程的转换效率,对基频光源的电光调Q技术进行研究,对硅酸镓镧(La3Ga5SiO14,LGS)晶体电光调Q过程的理论研究,为该新型电光Q开关的设计提供了理论依据。本文研究的具体内容为:1.基于对LGS晶体特性的分析,在研究过程中创新性地引入琼斯矩阵（Jones matrix）方法,推导了描述LGS晶体特性的琼斯矩阵形式,使得同时考虑旋光性和电光效应对入射光偏振态的影响成为可能;首次从理论上解释了LGS电光开关的开、关门工作原理,模拟了LGS电光开关的开、关门过程,为正确设计LGS电光开关提供了理论依据;另外,基于琼斯矩阵法的分析,对LGS的电光系数r11进行了正确测量,其结果为2.2 pm/V。2.以Nd:YAG晶体作为激光介质,采用声光调Q,研究激光二极管（LD）端面泵浦主动调Q内腔式人眼安全KTP光参量振荡器的输出特性。对光谱的测量显示,用1064.2 nm激光泵浦按X方向切割的KTP晶体时,获得的信号光的波长为1572 nm。实验测量了在不同的脉冲重复率下,信号光的平均输出功率、脉冲宽度随泵浦功率的变化关系。在LD泵浦功率6.93 W、脉冲重复频率15 kHz情况下,用20 mm长的KTP晶体获得了信号光功率0.72W,相对于LD泵浦功率的转换效率（光—光转换效率）为10.4%,此时峰值功率为7.7 kW。并且对实验中观察到的两种不同类型的脉冲串现象进行了描述与分析。3.对LD端泵、声光调Q的Nd:YAG/KTP内腔式OPO进行了理论分析,考虑初始反转粒子数密度和腔内光子数密度的空间高斯分布,建立了速率方程理论模型;求解过程中较精细地考虑Nd:YAG激光晶体的热透镜效应,计算了其热透镜焦距、热致损耗、腔内光束尺寸等参数随泵浦功率的变化等;较准确地确定了初始反转粒子数密度;最终理论模型能够较准确地描述该OPO的输出功率特性,对同类型的OPO实验有一定的指导意义。4.以Nd:YAG晶体作为激光介质,采用声光调Q,实现了LD侧面泵浦主动调Q内腔式KTA光参量振荡器的高效运转,获得的信号光波长为1535 nm。研究了该OPO的输出功率、脉冲宽度随泵浦功率的变化关系。在LD泵浦功率为96.3 W、重复频率10 kHz情况下,用22 mm长的KTA晶体获得了信号光功率2.54 W,相对于LD泵浦功率的转换效率为2.6%。此时测得的脉冲宽度为5.01 ns,可得峰值功率为50.7kW。5.实现了LD端泵、声光调Q、内腔式Nd:YAG/KTA光参量振荡器的高效运转（信号光波长为1535 nm）。研究了该OPO的输出功率、脉冲宽度随泵浦功率的变化关系。在LD泵浦功率为7.43 W、重复频率15 kHz情况下,用22 mm长的KTA获得了信号光功率0.93 W,相对于LD泵浦功率的转换效率为12.5%。6.在研究LD端泵、声光调Q、内腔式Nd:YAG/KTA光参量振荡器的运转特性时,用长度30 mm的KTA晶体同时实现了基频光的参量转换及受激拉曼散射。在LD泵浦功率为7.43 W、重复频率20 kHz情况下,参量信号光输出功率为0.92 W,光一光转换效率达到12.4%,同时有0.17 W的一阶斯托克斯光（1091.4 nm）输出。7.研究了KTA晶体的自发拉曼散射特性。通过测量泵浦光沿其X方向传播时的背向拉曼散射谱,得到了增益最强的拉曼频移(234 cm-1)及其增益线宽(5.8 cm-1),另一增益较强的拉曼频移为670 cm-1,其增益线宽为19 cm-1;通过对同尺寸KTA和YVO4晶体拉曼谱的测量、比较,得到了KTA的相对拉曼散射截面。8.实现了KTA晶体一阶斯托克斯拉曼激光器的高效运转,该拉曼激光器采用内腔式结构,以LD端泵、声光调Q的Nd:YAG激光器作为泵浦源。在泵浦功率8.11 W、脉冲重复频率25 kHz时,用30 mm长的KTA晶体获得了一阶斯托克斯光（1091.4nm）的最大功率1.38 W,光—光转换效率为17%,此时脉冲宽度为6.5 ns,峰值功率为8.5 kW。9.实现了KTA晶体二阶斯托克斯拉曼激光器高效运转,泵浦源仍为LD端泵、声光调Q的Nd:YAG激光器。在泵浦功率6.7 W、重复频率20 kHz的情况下,用30 mm长的KTA晶体获得了二阶斯托克斯光（1120.0 nm）的最大功率0.63 W,光—光转换效率为9.4%,此时脉冲宽度为23.5 ns,峰值功率1.3 kW。本论文主要创新点如下:1.在LGS研究过程中创新性地引入琼斯矩阵方法,使得同时考虑LGS的旋光性与电光效应对入射光偏振态的影响成为可能;首次理论模拟了LGS电光开关的开、关门过程,为正确设计LGS电光开关提供了理论依据;另外,基于琼斯矩阵法的分析,对LGS的电光系数r11进行了正确测量。2.首次报道LD端泵、声光调Q的Nd:YAG/KTP内腔式人眼安全波段OPO,并获得10.4%的光—光转换效率。3.对LD端泵、内腔式主动调Q的光参量振荡器,首次建立正确考虑初始反转粒子数密度和腔内光子数密度空间高斯分布的速率方程模型,并进行较准确的求解,理论模拟与实验结果基本符合。4.实现LD侧泵、声光调Q、Nd:YAG/KTA内腔式人眼安全波段OPO,在LD泵浦功率为96.3 W、重复频率10 kHz情况下,获得了信号光功率2.54 W,相对于LD泵浦功率的转换效率为2.6%,此为LD侧泵KTA光参量振荡器的国际最高效率。5.首次实现LD端泵、声光调Q、内腔式Nd:YAG/KTA光参量振荡器的高效运转（信号光波长为1535 nm）。在LD泵浦功率为7.43 W、重复频率15 kHz情况下,获得了信号光功率0.93 W,光—光转换效率为12.5%,此为内腔式KTA光参量振荡器的国际最高效率。6.首次测量KTA晶体的相对拉曼散射截面;首次实现KTA晶体拉曼激光器运转,获得的一阶、二阶斯托克斯光波长分别为1091.4 nm、1120.0 nm,最高功率分别为1.38W、0.63 W,其光—光转换效率分别为17%、9.4%。7.首次在同一块非线性晶体中同时观察到基频光的参量转换和受激拉曼散射。