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光学超晶格的内腔光参量上转换技术研究

作　者: 陆骏
导　师: 祝世宁
学　校: 南京大学
专　业: 物理学
关键词: 准位相匹配光学超晶格腔内倍频腔内三倍频被动锁模皮秒激光非线性镜锁模 Nd:GdVO4晶体 MgO:PPLN
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光学超晶格是近年来快速兴起的一种新型非线性频率转换材料,具有可利用晶体的最大非线性系数、无走离效应、结构设计灵活、可同时满足多种非线性过程的位相匹配等优点。光学超晶格与全固态激光技术相结合,可产生的激光频谱覆盖从紫外至中远红外这一很宽范围。在非线性频率转换中,光学超晶格可以置于激光腔内或者激光腔外。将非线性材料放入激光腔内,可以获得高的非线性转换效率,提高系统集成度,并可以实现如被动锁模等腔外无法实现的功能。研究光学超晶格材料在激光器腔内的频率转换特性,以及探索其应用,对于提高此类激光器的性能,拓展应用领域,具有重要的科学价值和应用意义。本论文首先研究激光腔的设计方法和激光晶体的热效应,对实验用的固态激光系统进行了优化；在此基础上首先实现了Nd:GdVO4这一新型激光晶体的瓦级连续腔内倍频绿光输出,并进一步从理论上对腔内三倍频的最优条件进行了探讨；此外,在上述腔内频率转换工作的基础上,我们研究了光学超晶格非线性锁模Nd:GdVO4激光的性能。本文主要包括以下几个方面的研究内容：1.第一章前言简要介绍了激光技术的发展历史和其意义,之后具体介绍了激光技术中频率转换激光器和被动锁模激光器的发展、实现原理和已取得的研究成果,介绍了准位相匹配技术和光学超晶格在这两个方向上的应用潜力和发展现状,阐述本工作的目的和意义。2.第二章从在理论和实验上对全固态激光器的设计方法进行了系统的研究,从高斯光束的传输特性出发,提出了一种在线测量固体激光中热透镜效应的方法,并对一个侧泵激光模块的热透镜焦距进行了测量,为设计激光腔提供了重要参数。在此基础上搭建了多台侧泵及端泵的激光器,对热透镜、光束质量等参数进行了优化,得到了较好的结果,为以后的实验打下基础。3,第三章从腔内倍频的基本理论出发,建立了腔内倍频过程的数值模拟方法,研究了各项参数对输出的影响；搭建了使用KTP、掺镁周期极化铌酸锂(MgO-Doped Periodically-Poled Lithium Niobate, MgO:PPLN)的腔内连续倍频绿光激光器；首次在Nd:GdVO4激光器的腔内使用光学超晶格实现连续倍频绿光的产生,获得了功率较高的输出；将实验测量数据与数值模拟结果进行了对比及讨论,分析了光学超晶格材料与传统非线性材料相比在腔内使用时的优缺点。4,第四章在理论上研究了腔内单共振三倍频激光系统的性质,获得了输出功率随增益、损耗和非线性参数的变化规律,给出了级联结构和准周期结构在腔内三倍频使用时的最优设计参数。数值实验的结果表明,准周期结构可以在更短的样品长度上达到最大三倍频输出。5,第五章从腔内二阶非线性效应锁模的原理出发,在实验上研究了光学超晶格材料在被动锁模超短脉冲激光器上的应用；利用非线性镜的方法,使用MgO:PPLN搭建了1063nm的被动锁模皮秒激光器,获得了重复频率96.7MHz下脉宽为30-45ps的锁模脉冲序列。通过测量激光系统的输出功率、光束模式、脉冲宽度等参数,计算了该实验系统对脉冲的压缩率,讨论了影响脉冲稳定性和脉宽的主要原因。同时还对级联二阶非线性锁模(casade second-order nonlinearity mode locking, CSM)技术进行了初步尝试。6,最后一章对论文的研究结果进行了总结。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-11
第一章前言  11-23
  1.1 位相匹配与准位相匹配  12-15
  1.2 内腔频率转换  15-16
  1.3 非线性锁模技术  16-18
  1.4 本文主要工作  18-20
  参考文献  20-23
第二章基横模输出激光腔的设计方法和激光晶体热透镜测量的测算  23-46
  2.1 激光腔内的横模与输出光束M~2因子  23-24
  2.2 激光腔设计方法的理论研究  24-31
    2.2.1 腔模的形成原理及高斯模的特征参数  24-26
    2.2.2 高斯光束q参数的传输规律  26-30
    2.2.3 激光谐振腔中的高斯基模q参数的求解方法  30-31
  2.3 固态激光器热透镜效应的在线测算  31-39
    2.3.1 热透镜产生的物理原理  32-34
    2.3.2 光束分析法测量对热透镜效应的测量和分析  34-39
  2.4 基横模输出的激光系统的搭建和模式测量  39-44
    2.4.1 使用侧泵Nd:YAG模块的连续基横模输出1064nm激光器  39-40
    2.4.2 使用端泵Nd-YVO4晶体的连续基横模输出1064nm激光器  40-44
  2.5 本章小结  44-45
  参考文献  45-46
第三章使用光学超晶格的连续输出腔内倍频激光器的理论与实验研究  46-64
  3.1 连续腔内倍频激光系统的理论研究  46-53
    3.1.1 小信号近似下的连续腔内倍频的理论  46-48
    3.1.2 连续腔内倍频稳态输出的数值模拟计算  48-53
  3.2 使用KTP和MgO:PPLN的腔内倍频激光实验  53-62
    3.2.1 KTP倍频实验与理论模拟的对比  53-56
    3.2.2 使用MgO:PPLN的连续光腔内倍频绿光激光器  56-62
  3.3 本章小结  62-63
  参考文献  63-64
第四章腔内三倍频的理论分析  64-79
  4.1 使用倍频+和频级联过程的单共振腔内三倍频的理论研究  65-73
    4.1.1 级联过程的单共振腔内三倍频的小信号求解  65-68
    4.1.2 级联过程的单共振腔内三倍频的数值模拟  68-73
  4.2 准周期结构的单共振腔内三倍频  73-76
    4.2.1 准周期结构的单共振腔内三倍频的小信号求解  73-75
    4.2.2 准周期结构的单共振腔内三倍频的数值模拟  75-76
  4.3 本章小结  76-78
  参考文献  78-79
第五章使用光学超晶格材料的被动锁模超短脉冲激光器  79-101
  5.1 超短脉冲形成的基本原理  79-81
  5.2 腔内二阶非线性被动锁模原理  81-91
    5.2.1 锁模技术简介  81-84
    5.2.2 非线性镜被动锁模的原理  84-89
    5.2.3 级联二阶非线性效应被动锁模的原理  89-90
    5.2.4 自相关法测量超短脉冲脉宽的原理  90-91
  5.3 使用超晶格材料的被动锁模激光器  91-99
    5.3.1 使用非线性镜原理的被动锁模激光器  91-97
    5.3.2 使用CSM原理的被动锁模激光实验  97-99
  5.4 本章小结  99-100
  参考文献  100-101
第六章总结  101-103
附录  103-104
致谢  104-105

光学超晶格的内腔光参量上转换技术研究

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