纳秒光学参量振荡器及其应用技术研究

论文摘要

光学参量振荡器（Optical parametric oscillator，OPO）技术，是从已有波长激光获得新的波长的可调谐相干光源的重要手段。它弥补了普通激光器只能输出单一固定波长激光的缺点，并且覆盖了普通激光器不能达到的波长，具有极高的应用价值。在OPO众多不同的运转方式中（连续波、纳秒、皮秒和飞秒OPO），纳秒OPO的发展最为成熟，同时也是最为重要的一类OPO。利用成熟的激光调Q技术，容易获得纳秒时间范围的高能量，高峰值功率的脉冲泵浦激光，从而保证了泵光在非线性晶体中的高增益要求，具有较高的转化效率。由于纳秒OPO的诸多优势，目前对纳秒OPO及其应用的研究异常活跃。如何降低OPO的阈值、提高参量转换效率，获得高功率输出，实现宽光谱范围波长调谐，同时保证OPO的性能可靠、运转稳定等问题一直是OPO技术的研究热点。本文对纳秒OPO的理论设计进行了详细分析，从理论上对主、被动调Q内腔光学参量振荡器（IOPO）的运行动态过程做了深入研究，从实验上实现了高效率的OPO相干光输出。 本文首先从分析OPO的物理实质及其相关技术的理论基础出发，理论上分析了影响OPO的振荡阈值和参量转换效率的各种因素。计算分析了铌酸锂（LiNbO3，LN）和磷酸钛氧钾（KTiOPO4，KTP）两种非线性晶体中实现OPO的相位匹配过程。分析了影响OPO参量转换效率的因素，考虑共线泵浦作用下光波的走离效应、非线性晶体的长度、OPO谐振腔长度，OPO输出镜耦合输出率，泵浦光功率密度，脉冲宽度，空间模耦合系数和非线性晶体的吸收等参数对参量增益及振荡器阈值的影响，以及多模泵浦光对OPO参量光的高斯模半径及参量过程的影响。 对OPO的泵浦光源进行深入分析，分析了Nd3+：YAG激光器的主、被动调Q过程及包含内腔光学参量振荡器（IOPO）时激光产生及非线性转换的动态过程，并以此为基础建立了被动调Q IOPO的参数优化模型。 在理论分析的基础上，进行了KTP-IOPO获得人眼安全1.57μm激光输出的实验研究。分别研制了闪光灯泵浦Nd3+：YAG激光器电光调Q KTP-IOPO 1.064μm／1.57μm双波长输出OPO器件，双波长混合激光输出能量大于38mJ／pulse，其中1.57μm波长激光能量大于22mJ，1.06μm波长激光能量大于16mJ。作为激光有源干扰时可以同时作用于两个波长工作的激光武器。在军事上具有重要的应用前景。小型化BDN被动调Q KTP-IOPO实验研究，BDN染料片以布儒斯特角放入

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 OPO的发展概述
• 1.2.1 OPO的发展过程
• 1.2.2 OPO的研究现状
• 1.2.3 OPO的发展趋势
• 1.3 论文的主要研究内容及创新
• 1.3.1 本论文结构
• 1.3.2 论文的主要成果及创新
• 第二章 光学参量振荡器的基本理论
• 2.1 前言
• 2.2 光学介质中的非线性极化
• 2.3 非线性介质中的波动方程
• 2.4 三光波相互作用的耦合波方程
• 2.5 门莱-罗（MANLEY-ROWE）关系
• 2.6 影响参量转换效率的主要因素
• 2.7 相位匹配的允许角
• 2.8 相位匹配技术
• 2.8.1 角度相位匹配（临界相位匹配）
• 2.8.2 离散效应和走离角
• 2.8.3 90°相位匹配（非临界相位匹配）
• 2.8.4 准相位匹配
• 2.9 本章小结
• 第三章 光学参量振荡器的增益
• 3.1 引言
• 3.2 光学参量振荡器的几种方式
• 3.3 光学参量振荡器阈值
• 3.3.1 非线性晶体长度及谐振腔长度对OPO阈值的影响
• 3.3.2 谐振腔输出镜反射率R对OPO阈值的影响
• 3.3.3 泵浦光脉冲宽度对OPO阈值的影响
• 3.3.4 OPO参量光的高斯模半径及多模泵浦光的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 LN和KTP晶体及其相位匹配计算
• 4.1 引言
• 3晶体及其相位匹配'>4.2 LINBO₃晶体及其相位匹配
• 3晶体结构'>4.2.1 LiNbO₃晶体结构
• 3晶体OPO的相位匹配'>4.2.2 LiNbO₃晶体OPO的相位匹配
• 3晶体OPO的角度调谐'>4.2.3 LiNbO₃晶体OPO的角度调谐
• 4.3 KTP晶体及其相位匹配分析
• 4.3.1 KTP晶体的主要性质
• 4.3.2 KTP晶体OPO的相位匹配
• 4.4 本章小结
• 第五章 ND：YAG调Q激光泵浦源的设计计算
• 5.1 引言
• 3+：YAG及（ND,CE）：YAG激光晶体'>5.2 ND³⁺：YAG及（ND,CE）：YAG激光晶体
• 5.3 激光二极管泵浦技术
• 5.3.1 激光二极管泵浦固体激光器的发展
• 5.3.2 激光二极管泵浦的泵浦方式
• 5.3.3 激光二极管泵浦固体激光器的应用前景
• 5.4 调Q激光巨脉冲的形成
• 5.4.1 激光调Q基本理论
• 5.4.2 主动调Q技术
• 5.4.2.1 转镜调Q
• 5.4.2.2 声光调Q
• 5.4.2.3 电光调Q
• 5.4.3 被动调Q技术理论分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 主动调Q光学参量振荡器
• 6.1 主动调Q内腔OPO模型的建立
• 6.2 主动调Q内腔OPO人眼安全激光输出试验
• 6.2.1 人眼安全激光
• 6.2.2 外腔式非共线双通单谐振OPO实验
• 6.2.2.1 1.064μm泵浦激光输出
• 6.2.2.2 外腔式光参量振荡器
• 6.2.3 内腔式OPO的实验研究
• 6.2.3.1 内腔式OPO单波长输出实验
• 6.2.3.2 内腔式OPO双波长混和输出实验
• 6.2.4 内腔式OPO双波长输出实验参数测定
• 6.2.4.1 重频输出
• 6.2.4.2 激光脉冲输出波形
• 6.3 中红外光学参量振荡实验研究
• 6.3.1 设计分析
• 6.3.1.1 晶体加工参数
• 6.3.1.2 LN-OPO中泵浦光的走离角
• 6.3.1.3 LN-OPO的泵浦光允许角
• 6.3.2 实验装置介绍
• 6.3.3 实验结果
• 6.3.3.1 光学参量振荡阈值
• 6.3.3.2 光学参量振荡输出能量及转换效率
• 6.3.3.3 光学参量振荡角度调谐实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 被动调Q内腔光学参量振荡器
• 7.1 引言
• 7.2 被动调Q激光泵浦源的优化设计理论
• 7.3 被动调Q内腔OPO模型的建立
• 7.4 被动调Q内腔OPO的参数优化
• 7.5 BDN被动调Q IOPO实验研究
• 7.5.1 BDN染料的调Q特性
• 7.5.2 实验装置
• 7.5.3 实验结果
• 4+：YAG被动调Q KTP-IOPO实验研究'>7.6 半导体泵浦ND：YAG CR⁴⁺：YAG被动调Q KTP-IOPO实验研究
• 7.6.1 引言
• 4+：YAG的能级结构'>7.6.2 Cr⁴⁺：YAG的能级结构
• 4+：YAG晶体的透过率'>7.6.3 Cr⁴⁺：YAG晶体的透过率
• 4+：YAG晶体的最大Q值突变量'>7.6.4 Cr⁴⁺：YAG晶体的最大Q值突变量
• 7.6.5 实验装置
• 7.6.6 实验结果
• 3+：YAG激光输出研究'>7.7 半导体激光端面泵浦被动调Q高重频ND³⁺：YAG激光输出研究
• 7.7.1 端面泵浦Nd：YAG激光的泵浦耦合设计
• 7.7.1.1 热透镜效应
• 7.7.1.2 泵浦耦合系统设计计算
• 7.7.2 实验结果及分析
• 7.8 本章小结
• 第八章 结论和展望
• 8.1 本论文研究总结
• 8.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 作者攻博期间取得的成果