BBO晶体四倍频的紫外激光器研究

论文摘要

本论文采用BBO晶体和KTP晶体分别对灯泵电光调Q脉冲序列和LD泵声光调Q准连续脉冲序列进行紫外四倍频研究,并建立相应的理论模型。结果发现,BBO晶体在e光振动面上极小的倍频接受角,紫外光束严重的走离效应及非线性过程中倍频增益饱和效应将限制四倍频效率的提高,并使紫外光束质量退化。文章对BBO晶体的非线性光学特性进行了研究,通过球面三角学计算得到单位长度BBO晶体在e光振动面上的倍频接受角△θx=0.276mrad*cm和o光振动面上的倍频接受角△θy=46.25mrad*cm。通过比较BBO晶体长度L和光束的有效倍频孔径长度La,将晶体的走离效应对紫外转换效率的影响分为三个范围;并修改“Heuristic theory”理论,使之更适用于强会聚绿光高斯光束的紫外四倍频过程。对灯泵电光调Q脉冲序列和LD泵声光调Q准连续脉冲序列的紫外四倍频过程进行了实验研究。前者获得了最高单脉冲能量2.26mJ,脉冲重复频率1Hz-5Hz的紫外脉冲输出,红外光到紫外光的能量转换效率为17.8%;后者获得了最高平均功率为215mW,脉冲重复频率为15KHz的准连续紫外脉冲输出,红外光到紫外光的能量转换效率为9.8%。在此基础上,对准连续绿光光束采用柱透镜会聚入射到BBO晶体中,当入射功率为0.9W时,相比与普通正透镜会聚绿光光束14.1%的四倍频转换效率,前者获得了18.1%的四倍频转换效率和更好紫外远场光斑。对灯泵电光调Q脉冲序列的紫外四倍频过程建立数学模型,模型考虑绿光光束在截面上光强的高斯分布,在BBO晶体中的相位失配以及紫外四倍频过程中倍频增益饱和。对LD泵声光调Q准连续脉冲序列的紫外四倍频过程建立数学模型,模型考虑绿光光束在BBO晶体中的相位失配和紫外光束严重的走离效应,还考虑了绿光光束在晶体中传播时光斑半径的实时变化。模拟结果与实验结果比较吻合。对被动调Q和增益开关型微片激光的速率方程和实验过程进行研究,获得准连续红外激光脉冲的时间特性和频谱曲线;最后对被动调Q激光器的脉冲序列参数进行紫外四倍频的可行性分析,计算得到紫外四倍频转换效率低于1%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.1.1 紫外激光器的优势
• 1.1.2 气体紫外激光器概述
• 1.2 全固态紫外激光器的发展概况
• 1.2.1 国外以及台湾地区紫外激光器的发展概况
• 1.2.2 中国大陆紫外激光器的发展概况
• 1.3 微片激光器的发展概况及紫外四倍频现状
• 1.4 论文主要内容以研究成果
• 1.4.1 论文的主要内容
• 1.4.2 研究成果和创新点
• 第二章 BBO晶体紫外四倍频特性
• 2.1 引言
• 2.2 紫外四倍频非线性晶体的选取原则
• 2.3 BBO晶体的物理化学特性
• 2.4 BBO晶体的光学特性及非线性紫外倍频
• 2.4.1 BBO晶体的相关光学特性
• 2.4.2 几种非线性材料的特征参数比较
• 2.4.3 BBO晶体的Ⅰ类角度相位匹配
• 2.5 BBO晶体的倍频接受角
• 2.5.1 e光振动面倍频接受角△θx
• 2.5.2 o光振动面倍频接受角△θy
• 2.6 BBO晶体中四倍频光的走离角效应
• 2.6.1 BBO晶体的走离角大小
• 2.6.2 BBO晶体的走离效应对倍频效率的影响
• 2.7 小结
• 第三章 BBO晶体紫外四倍频实验分析
• 3.1 引言
• 3.2 电光调Q脉冲高斯光束紫外四倍频实验结果
• 3.2.1 实验装置
• 3.2.2 二倍频绿光的产生
• 3.2.3 四倍频紫外激光的产生
• 3.3 准连续脉冲高斯光束紫外倍频实验结果
• 3.3.1 实验装置
• 3.3.2 二倍频绿光的产生
• 3.3.3 四倍频紫外激光的产生
• 3.4 柱透镜会聚的准连续绿光脉冲紫外四倍频实验结果
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.4 小结
• 第四章 脉冲紫外激光器的理论研究
• 4.1 引言
• 4.2 BBO晶体中绿光光束的传播方程
• 4.3 绿光光束在BBO晶体中的积分模型
• 4.4 绿光光束在BBO晶体中的积分单元的相位失配
• 4.5 灯泵绿光激光器的紫外倍频理论模型
• 4.6 紫外光束的倍频效率和光束光斑讨论
• 4.7 结论
• 第五章 准连续紫外激光器的理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 强会聚高斯光束的表达方式
• 5.3 会聚高斯光束在BBO晶体中的相位失配情况
• 5.4 会聚高斯光束在BBO晶体中倍频积分模型
• 5.5 紫外光束的走离效应
• 5.6 远场光斑和紫外倍频效率公式
• 5.6.1 强会聚高斯光束的紫外倍频效率
• 5.6.2 强会聚高斯光束的紫外远场分布
• 5.7 紫外倍频效率讨论
• 5.8 紫外光束的远场光斑分析讨论
• 5.9 结论
• 第六章 微片激光器研究及其紫外四倍频可行性分析
• 6.1 引言
• 6.2 LD预抽运被动调Q微片激光器的基本原理
• 6.2.1 Cr4+:Nd3+:YAG晶体的光谱特性
• 6.2.2 预抽运被动调Q速率方程
• 6.2.3 被动调Q微片激光器的连续抽运阈值
• 6.3 预抽运被动调Q微片激光器的数值计算和实验结果
• 6.3.1 数值分析
• 6.3.2 实验装置以及实验结果
• 6.4 数值模拟结果和实验结果讨论
• 6.4.1 输出单脉冲时抽运参数的关系
• 6.4.2 预抽运条件对激光单脉冲时间特性的影响
• 6.5 LD抽运增益开关性微片激光器的理论分析
• 6.6 LD增益开关微片激光器的数值计算和实验装置
• 6.6.1 棒状介质和微片介质增益开关特性区别
• 6.6.2 增益开关型微片激光器实验装置
• 6.6.3 增益开关型微片激光器实验结果
• 6.6.4 微片激光器输出脉冲与小幅度变化抽运条件的关系
• 6.7 预抽运微片激光器的的谱线分析
• 6.8 预抽运微片激光器的紫外倍频可行性分析
• 6.9 结论
• 第七章 总结和展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 今后的展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 致谢