【摘 要】
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基于掺杂氧化镁周期性极化铌酸锂（periodically poled lithium niobate crystal doped Mg O,PPMgLN）晶体的非线性频率变换的激光器能够满足军事光电对抗对于轻量化、结构紧凑的高峰值功率3～5μm中红外固体相干光源的迫切需求,但目前受晶体尺寸、损伤阈值以及晶体对长波长中红外激光吸收等因素的限制,PPMgLN中红外激光器的体积和峰值功率分别有待于缩小和
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基于掺杂氧化镁周期性极化铌酸锂（periodically poled lithium niobate crystal doped Mg O,PPMgLN）晶体的非线性频率变换的激光器能够满足军事光电对抗对于轻量化、结构紧凑的高峰值功率3～5μm中红外固体相干光源的迫切需求,但目前受晶体尺寸、损伤阈值以及晶体对长波长中红外激光吸收等因素的限制,PPMgLN中红外激光器的体积和峰值功率分别有待于缩小和提高。基于此,本文在PPMgLN光学参量振荡器（optical parametric oscillator,OPO）与光学参量放大器（optical parametric amplifier,OPA）理论分析与设计的基础上,开展了小型化、高峰值功率PPMgLN中红外固体激光器及其泵浦源的研究。理论方面,首先研究了光学参量振荡和光学参量放大过程中的三波混频稳态耦合波方程以及准相位匹配原理。在此基础上,讨论了PPMgLN OPO的振荡阈值、转换效率、谱线宽度以及PPMgLN OPA的种子光增益和晶体轴向功率分布。以上述理论为依据,为了获得高峰值功率中红外激光输出,设计了1μm激光泵浦的PPMgLN中红外激光器,根据Sellmeier方程以及目标参量光波长,设计了PPMgLN晶体的极化周期,并分析了参量光波长随晶体极化周期、温度以及泵浦波长的变化规律;研究了1μm激光泵浦的PPMgLN晶体热效应;分析了1μm激光泵浦的PPMgLN OPO和PPMgLN OPA功率输出特性与泵浦光半径、输出镜透过率、晶体长度以及OPA种子光光强等参数的关系。为探索2μm激光泵浦的PPMgLN OPO,设计了晶体的极化周期,讨论了参量光波长调谐特性,研究了2μm激光泵浦的PPMgLN晶体热效应。实验方面,首先进行了PPMgLN中红外固体激光器的泵浦源研究。泵浦波长为1μm情况下,设计实现了885 nm LD（laser diode）端面共振泵浦的Nd:YAG激光器。在准连续运转时,晶体吸收泵浦功率23.31 W,输出功率14.44 W,斜率效率77.2%,接近量子极限;在电光调Q运转、重复频率2 k Hz时,晶体吸收泵浦功率79.3 W,输出功率15.6 W,峰值功率1.1 MW,中心波长1064.4 nm,谱线宽度0.48 nm,x和y方向光束质量M2因子分别为1.8和2.3。研究表明,基于端面共振脉冲泵浦结合主动调Q的方案,无需放大过程便可实现具有良好光束质量的兆瓦量级峰值功率脉冲输出,解决了现有PPMgLN OPO+OPA需两个独立泵浦源分别泵浦而导致系统体积较大的问题。泵浦波长为2μm情况下,设计实现了Tm光纤泵浦的Ho:Lu VO4激光器,采用F-P标准具法实现了对激光器的选模,在单纵模运转时,激光器输出功率163 m W,中心波长2074.91 nm。然后开展了高峰值功率PPMgLN中红外固体激光器实验研究。利用重复频率2 k Hz的调Q Nd:YAG激光分束泵浦PPMgLN OPO和OPA。OPO采用信号光单谐振四镜环形腔结构,在注入泵浦功率1.53 W时,闲频光输出功率0.145W,脉冲宽度4.9 ns,x和y方向光束质量M2因子分别为2.0和2.6。利用OPO闲频光作为种子光,在注入泵浦功率7.36 W时,OPA闲频光输出功率0.97 W,脉冲宽度5.3 ns,峰值功率91.1 k W,x和y方向光束质量M2因子分别为3.4和3.7。OPO和OPA输出闲频光波长均为3.731μm,相应谱线宽度分别为7.9 nm和8.8 nm,晶体温度由20°C升高到45°C时,闲频光波长由3.749μm减少到3.704μm。研究表明,采用PPMgLN OPO+OPA结合泵浦分束结构,能够实现小型化的高峰值功率中红外激光输出,该激光器可应用于机载定向红外对抗系统中。
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