基于准相位匹配理论的光参量振荡器及其相关激光技术研究

论文摘要

光参量振荡器可实现输出波长在一定范围的调谐,可代替传统的固定波长激光器,在军事国防、环境检测及生物医学等领域都有重要的应用前景。近年来,随着准相位匹配技术的发展,特别是周期性畴极化反转铌酸锂晶体制备工艺的不断成熟,基于准相位匹配技术的光参量振荡器得到了普遍关注,并获得了广泛应用,已成为目前光参量振荡器领域的研究热点。本研究工作的主要内容包括周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的制备,基于PPMgLN晶体的光参量振荡器、大功率声光调Q Nd:GdVO4及Tm:YAP激光器研究。通过大量的实验研究,所取得的研究成果可归纳如下：1.系统地研究了掺5mol%MgO的铌酸锂晶体在不同温度下折射率随波长变化的Sellmeier方程。在此基础上,对基于PPMgLN晶体的光参量振荡器的畴周期调谐特性与温度调谐特性进行了相应的理论研究,为PPMgLN晶体制备过程中畴周期大小的设计提供了依据。2.采用两步电脉冲触发方法成功地制备出多种规格的1mm厚PPMgLN晶体,反转面积超过52mm×40mm,最大可利用长度超过52mm,正负畴占空比接近1：1。对影响极化反转畴质量的诸多因素,如晶体中Mg2+离子分布均匀性、金属电极的宽度、注入电流的大小等,都进行了相应地分析。同时,在2mm厚PPMgLN晶体制备上面也取得了可喜的成果。3.自行研制了一台大功率声光调Q、工作波长为1063nm的Nd:GdVO4激光器。以此激光器作为泵浦光源,泵浦一多周期的PPMgLN晶体,在泵浦功率为10.9W时,获得了5.73W的参量光输出,非线性光光转换效率为52.6%,斜率效率为68.2%,对应的信号光与闲散光波长分别为1552nm、3373.8nm。同时,利用畴周期调谐方式实现了光参量振荡器输出信号光波长在1.4-1.68μm、闲散光波长在2.88-4.38μm范围内的调谐。4.自行研制了一台大功率声光调Q、工作波长为1.94μm的Tm:YAP激光器,并对该激光器的各种特性进行了详细的研究。同时对采用Tm:YAP激光器泵浦的PPMgLN光参量振荡器做了探索性研究。大量的实验事实证明,较之传统的依靠角度相位匹配的光参量振荡器,基于准相位匹配技术的光参量振荡器在非线性转换效率、输出波长调谐等方面都更胜一筹,在很多领域都将具有重要的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 准相位匹配技术发展概况
• 1.1.1 准相位匹配理论的提出
• 1.1.2 准相位匹配技术的发展历史与国内外研究现状
• 1.1.3 准相位匹配技术的应用
• 1.2 基于准相位匹配技术的光参量振荡器发展概况
• 1.2.1 基于准相位匹配技术的光参量振荡器国内外研究现状
• 1.2.2 基于准相位匹配技术光参量振荡器的发展趋势
• 1.3 本论文的立题意义及工作目标
• 1.4 论文结构
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 第二章 非线性光学基础及准相位匹配理论
• 2.1 非线性光学基础
• 2.1.1 光在非线性介质中的传播
• 2.1.2 三波混频耦合波方程
• 2.1.3 Manley-Rowe关系式
• 2.1.4 光学倍频过程
• 2.1.5 相位匹配
• 2.2 准相位匹配理论
• 2.2.1 准相位匹配理论
• 2.2.2 关于准相位匹配阶数m与占空比D的讨论
• 2.2.3 准相位匹配技术的优点
• 2.3 基于准相位匹配技术的光参量振荡器及其调谐方法
• 2.3.1 基于准相位匹配技术的光参量振荡器
• 2.3.2 基于准相位匹配技术光参量振荡器的调谐
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的制备
• 3.1 铌酸锂晶体的基本性能
• 3.1.1 铌酸锂晶体的基本物理化学特性
• 3.1.2 铌酸锂晶体的基本晶格结构
• 3.1.3 铌酸锂晶体的铁电畴结构
• 3.1.4 掺镁铌酸锂晶体的特性
• 2+离子在铌酸锂晶格中的占位机制'>3.1.5 Mg²⁺离子在铌酸锂晶格中的占位机制
• 3.2 外加电场法制备周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体
• 3.2.1 外加电场法制备PPMgLN晶体的原理
• 3.2.2 样品准备
• 3.2.3 实验装置
• 3.2.4 铁电畴的选择性腐蚀
• 3.3 影响PPMgLN晶体极化反转畴质量的因素分析
• 3.3.1 晶体中MgO掺杂均匀性的影响
• 3.3.2 电极占空比的影响
• 3.3.3 第一步高强度短脉冲的控制
• 3.3.4 第二步注入电流的控制
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于PPMgLN晶体的光参量振荡器研究
• 4激光器研究'>4.1 大功率声光调Q Nd:GdVO₄激光器研究
• 4晶体的基本特性'>4.1.1 Nd:GdVO₄晶体的基本特性
• 4.1.2 实验装置
• 4.1.3 实验结果及讨论
• 4.2 基于高品质PPMgLN晶体的光参量振荡器研究
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验结果及讨论
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 2μm波段声光调Q Tm:YAP激光器研究
• 5.1 Tm:YAP晶体的基本特性
• 5.1.1 物理特性
• 5.1.2 能级结构
• 5.1.3 吸收光谱特性
• 5.1.4 荧光光谱特性
• 5.2 声光调Q Tm:YAP激光器研究
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验结果及讨论
• 5.3 793 nm LD泵浦的连续Tm:YAP激光器研究
• 5.4 Tm:YAP晶体的热透镜效应
• 5.5 Tm:YAP激光器泵浦的PPMgLN光参量振荡器初探
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 本文总结及展望
• 6.1 主要研究成果回顾
• 6.2 研究工作主要创新点
• 6.3 存在的不足及后续工作展望
• 攻读博士学位期间发表的学术论文列表
• 致谢