光纤激光泵浦中红外光谱调控光学参量振荡器研究

论文摘要

具有特殊频域特性的3～5μm中红外激光在很多领域都有着极其重要的应用。光学参量振荡器(optical parametric oscillator,OPO)具有体积紧凑、结构简单、调谐性好等诸多优点,是实现中红外激光输出的重要手段。目前大多数光谱调控中红外OPO的研究报道都是通过改变振荡器参数来实现的,结构复杂且灵活度较低。光纤激光器具有光束质量好、亮度高等诸多优点,最重要的是它可以实现可控光谱输出。本论文着眼于将光纤激光器的光谱调控技术与PPLN晶体非线性变频技术结合起来从而实现光谱可调控的中红外PPLN OPO,主要内容包括:一、开展了PPLN OPO光谱调控理论的相关研究。以二阶非线性光学过程的三波耦合方程组为基础,利用传输矩阵法在小信号近似条件下对参量振荡过程增益特性进行了分析讨论,对特殊点宽带相位匹配技术的基本原理进行了阐述分析。之后利用级联注入法搭建了1060&1090 nm双波长光纤激光器并泵浦PPLN OPO,实现了最大功率为6.57 W的3.1&3.4μm双波长中红外激光输出。分析发现在实验中1090 nm低功率泵浦光与内腔信号光相互作用实现了相位失配下的高效内腔差频,其差频转换效率可以比理论值提高上百倍。对该现象进行了分析研究,初步认为谐振腔内高强度信号光及光纤激光泵浦源是产生该现象的主要因素。基于该现象可以实现低功率光源的频率下转换及多波长中红外激光输出,为后续实现光谱调控的中红外PPLN OPO奠定了基础。二、开展了基于相位失配高效内腔差频的光谱调控PPLN OPO的相关研究利用级联注入法搭建了1060&1080 nm双波长光纤激光器并泵浦PPLN OPO,实现了最大功率为7.38 W的3.1&3.3&3.33μm三波长中红外激光输出。利用级联注入法搭建了1060&1065&1080 nm三波长光纤激光器并泵浦PPLN OPO,实现了最大功率为8.7 W的3.13&3.17&3.31&3.34μm四波长中红外激光输出。利用级联注入可调谐双波长光纤激光器泵浦PPLN OPO实现了可调谐双波长中红外激光输出。1060 nm主激光产生了3.14μm闲频光和1.6μm信号光而1070 nm～1090 nm低功率可调谐激光与1.6μm内腔信号光发生了相位失配的高效内腔差频,产生了3227 nm～3413 nm可调谐中红外激光,双波长中红外激光输出功率超过6 W。这是首次利用双波长光纤激光泵浦实现的可调谐双波长中红外PPLN OPO。利用并联注入可调谐双波长光纤激光器泵浦PPLN OPO实现了可调谐双波长中红外激光输出。1018 nm主激光产生了3.1μm闲频光和1.5μm信号光而1065 nm～1080 nm低功率可调谐激光与1.5μm内腔信号光发生了相位失配的高效内腔差频,产生了3597～3781 nm可调谐中红外激光。实验观测到相位失配内腔差频的参量增益比理论值至少提升了27倍且其增益带宽扩展到了10 nm。三、开展了基于受激拉曼效应的光谱调控PPLN OPO的相关研究基于光纤受激拉曼效应搭建了1060&1111 nm双波长光纤激光器并泵浦PPLN OPO,结合晶体温度调谐实现了3.1&3.6μm波段可调谐双波长中红外激光输出,拉曼效应最强时双波长中红外激光总功率变化范围为4 W～6.4 W。为了获得更大波长间隔的双波长中红外激光输出,将高功率1018 nm光纤激光器与低功率可调谐光纤激光器并联合束泵浦PPLN OPO。在高功率泵浦情况下,1018 nm泵浦光产生了1495 nm信号光及1506 nm受激拉曼光。将可调谐激光波长调节至1080 nm,使其可以与1506 nm拉曼光发生相位匹配的差频过程,最终实现了3189&3819 nm大跨度双波长中红外激光输出,最大总输出功率达到8.115 W。四、开展了光纤激光泵浦宽带中红外PPLN OPO的相关研究。对课题组开展的宽带ASE光源泵浦的PPLN OPO实验结果进行了再分析,证明了该宽带光源正好位于宽带相位匹配区间内,所以实现了高效宽带频率下转换。搭建了一台中心波长为1066 nm,带宽为12 nm的ASE光纤光源,对同一台PPLN OPO进行泵浦,在50 W泵浦功率下只产生了1.3 W中红外激光,并且带宽仅为37 nm,证明了相位匹配区间宽度对宽带光源泵浦的PPLN OPO输出特性具有重要的影响。随后利用窄线宽光纤光源泵浦PPLN OPO验证了泵浦光谱功率密度也会对宽带光源泵浦的PPLN OPO输出特性产生重要影响。之后对不处于宽带相位匹配区间的宽带光源如何实现高效变频的三个解决方法逐一进行了分析并阐述了各自的局限之处。通过仿真计算推断出调控与宽带泵浦源相对应的增益谱形态可以改变中红外激光的光谱形态并且可以进一步扩展其输出带宽。在课题组完成的宽带ASE光源泵浦的PPLN OPO实验结果中出现了不同形态的宽谱中红外激光,并且在特殊增益谱下出现了超宽带中红外激光输出,其带宽达到泵浦光带宽的16倍,验证了该猜想的正确性,为下一步实现宽带光源泵浦PPLN OPO的光谱调控奠定了基础。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 中红外激光简述

1.1.2 光谱调控中红外激光的应用

1.1.3 常用中红外固态激光器概述

1.1.4 OPO实现光谱调控中红外激光的优势

1.2 中红外OPO光谱调控技术研究现状

1.2.1 调控泵浦源实现中红外光谱调控OPO的研究

1.2.2 调控振荡器实现中红外光谱调控OPO的研究

1.2.3 研究现状小结

1.3 利用光纤激光泵浦PPLN OPO实现光谱调控

1.3.1 光纤激光泵浦源的优势

1.3.2 PPLN非线性晶体的优势

1.4 论文研究内容与结构安排

第二章 PPLN光学参量振荡器光谱调控理论研究

2.1 光学参量振荡技术基本原理

2.1.1 OPO基本工作原理

2.1.2 光学非线性效应及二阶非线性过程

2.1.3 三波相互作用耦合方程

2.2 准相位匹配技术基本原理

2.3 光学参量振荡过程增益特性分析

2.4 PPLN OPO中相位失配高效内腔差频的发现与分析

2.4.1 级联注入法实现双波长泵浦源方案

2.4.2 1060&1090 nm双波长光纤激光器泵浦PPLN OPO研究

2.4.3 实验结果讨论

2.4.4 相位失配高效内腔差频现象的分析

2.5 本章小结

第三章基于相位失配高效内腔差频的光谱调控PPLN OPO

3.1 利用相位失配高效内腔差频实现多波长中红外PPLN OPO

3.1.1 1060&1080 nm双波长光纤激光器泵浦PPLN OPO研究

3.1.2 1060&1065&1080nm三波长光纤激光器泵浦PPLN OPO研究

3.2 利用相位失配高效内腔差频实现宽调谐中红外PPLN OPO

3.2.1 级联注入双波长光纤激光泵浦PPLN OPO研究

3.2.2 并联注入双波长光纤激光泵浦PPLN OPO研究

3.3 本章小结

第四章基于受激拉曼效应的光谱调控PPLN OPO

4.1 基于光纤受激拉曼效应实现的中红外双波长PPLN OPO

4.1.1 双波长拉曼光纤激光泵浦源的搭建

4.1.2 双波长PPLN OPO实验结果讨论

4.2 基于PPLN晶体受激拉曼效应实现的中红外双波长PPLN OPO

4.3 本章小结

第五章光纤激光泵浦中红外宽带PPLN OPO研究

5.1 宽带光源泵浦PPLN OPO的影响因素分析

5.1.1 相位匹配区间宽度对宽带光源泵浦PPLN OPO的影响

5.1.2 谱功率密度对宽带光源泵浦PPLN OPO的影响

5.1.3 增强宽带光源泵浦PPLN OPO输出效果的几种方法

5.2 增益谱调控实现宽带PPLN OPO的初步探索

5.3 本章小结

第六章全文总结与展望

6.1 主要研究工作与相关成果

6.2 论文主要创新点

6.3 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王鹏

导师: 许晓军,李霄

关键词: 光纤激光器,中红外光学参量振荡器,光谱调控,非线性频率变换,准相位匹配,相位失配内腔差频

来源: 国防科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 国防科技大学

分类号: TN248

DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000032

总页数: 148

文件大小: 7696k

下载量: 3

光纤激光泵浦中红外光谱调控光学参量振荡器研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢