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ZnGeP_2中红外激光器的特性研究

作　者: 李光
导　师: 王丽
学　校: 北京工业大学
专　业: 光学
关键词: 中红外激光差频(DFG) 光参量振荡(OPO) 磷锗锌(ZGP) Yb:YAG晶体调Q全固态激光器参量调谐特性线宽转换效率
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

课题来源于北京市自然科学基金项目(4062008)。论文对基于ZnGeP(2ZGP)晶体的中红外OPO-DFG系统所产生的可调谐输出特性进行了深入的理论分析。基于中红外激光晶体材料对激光进行频率变换产生的宽带可调谐中红外波段光源,在军事领域以及在环境监测、生物医药等民生领域中都有着广泛的应用前景。采用中红外激光晶体材料的光参量变频过程(如OPO、DFG)是获得宽带可调谐中红外光源的主要有效途径。因此,本课题的研究不仅具有一定的理论价值,而且也具有较强的实用意义。论文主要围绕着以下三个方面展开:1.阐述了课题研究的背景和意义。对中红外光源在军用民需领域的应用做了简单的介绍。介绍了目前常用的适合于中红外波段的非线性晶体材料。阐述了OPO技术的发展历史以及利用OPO和DFG技术获得中红外激光输出的研究状况。2.详细讨论了Yb:YAG激光晶体的能级结构和光学特性,通过建立准三能级调Q激光系统的理论模型,得到了调Q Yb:YAG全固态激光器的输出特性。利用MATLAB程序语言对其进行了数值模拟计算,并对其结果进行了分析。3.以三波耦合方程为出发点,介绍了角度相位匹配的基本原理以及正负单轴晶体的I、II类相位匹配。介绍了OPO和DFG运转的基本原理并对二者的异同进行了分析比较。基于中红外激光晶体材料的Sellmeier色散方程和角度相位匹配理论,对中红外激光晶体材料的光学特性以及DFG过程的调谐特性、允许参量及走离角度、线宽特性以及转换效率进行了理论上的分析。通过MATLAB数值模拟计算,获得了ZGP晶体的折射率色散曲线,以及其在DFG过程中的有效非线性系数、角度调谐、允许角以及走离角等理论曲线,并且与AgGaSe2(AGSe)和AgGaS2(AGS)晶体的相应曲线进行了比较;得到了ZGP晶体抽运光线宽对DFG输出光线宽影响以及抽运光强度、晶体长度、相位失配对转换效率影响的理论曲线,同时与另外两种晶体相应曲线进行了比较。经过对三种晶体进行比较分析,我们得出结论:在DFG产生可调中红外输出的特性上,ZGP和AGSe两种晶体要优于AGS;但在转换效率方面,ZGP晶体要远优于AGSe和AGS。这与国内外已报道的实验数据相吻合。证实了ZGP晶体是一种可以产生可调谐中红外输出的较为理想的非线性光学晶体。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章：绪论  9-18
  1.1 课题研究的背景和意义  9-11
    1.1.1 军事应用  9-10
    1.1.2 环境监测  10-11
    1.1.3 医学应用  11
  1.2 中红外波段的非线性晶体  11-14
    1.2.1 概述  11-12
    1.2.2 三种常用的中红外非线性晶体材料  12-13
    1.2.3 其它中红外非线性晶体材料  13-14
  1.3 中红外可调谐激光技术的发展状况  14-17
    1.3.1 光参量振荡器（OPO）的发展历史  14
    1.3.2 利用OPO 技术获得中红外激光  14-16
    1.3.3 利用DFG 技术获得中红外激光  16-17
  1.4 本文研究的主要内容  17-18
    1.4.1 课题来源  17
    1.4.2 创新点  17-18
第2章：OPO-DFG 系统抽运源的理论研究  18-33
  2.1 引言  18
  2.2 Yb:YAG 的晶体结构  18-19
  2.3 Yb:YAG 的光谱特性  19-20
  2.4 Yb:YAG 的激光特性  20-21
    2.4.1 自吸收效应  20
    2.4.2 可调谐运转  20
    2.4.3 自调Q 特性  20-21
  2.5 调Q 准三能级激光系统的理论模型  21-26
    2.5.1 速率方程  21-23
    2.5.2 调Q 脉冲的峰值功率  23-25
    2.5.3 调Q 脉冲的宽度  25-26
    2.5.4 调Q 过程的转换效率  26
  2.6 数值模拟计算  26-32
    2.6.1 增益介质长度对脉冲峰值功率的影响  26-27
    2.6.2 输出镜反射率对脉冲峰值功率的影响  27-28
    2.6.3 增益介质长度对脉冲宽度的影响  28-29
    2.6.4 输出镜反射率对脉冲宽度的影响  29-30
    2.6.5 输出镜反射率和最佳增益介质长度的关系  30-31
    2.6.6 抽运功率对转换效率的影响  31-32
  2.7 本章小结  32-33
第3章：OPO-DFG 系统产生中红外输出的理论分析  33-59
  3.1 角度相位匹配的基本原理  33-38
    3.1.1 非线性光学中的三波耦合方程  33-35
    3.1.2 相位匹配条件  35-36
    3.1.3 角度相位匹配  36-38
  3.2 DFG 技术产生中红外输出的基本原理  38-39
    3.2.1 DFG 技术简介  38
    3.2.2 DFG 技术和OPO 技术的对比  38-39
  3.3 OPO-DFG 系统理论模型概述  39
  3.4 OPO-DFG 系统的数值模拟分析  39-57
    3.4.1 ZnGeP2 晶体的Sellmeier 曲线  39-40
    3.4.2 角度相位匹配调谐曲线  40-42
    3.4.3 有效非线性系数  42-44
    3.4.4 走离角  44-45
    3.4.5 允许角  45-47
    3.4.6 输出线宽  47-52
    3.4.7 转换效率  52-57
  3.5 本章小结  57-59
结论  59-61
参考文献  61-67
攻读硕士学位期间发表的学术论文和参加的科研项目  67-68
致谢  68

ZnGeP_2中红外激光器的特性研究

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