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激光非线性频率变换是获得新型波长激光的主要途径。本论文对掺Nd3＋离子的固体激光变频获得可见光波段的红、蓝、黄激光和人眼安全的1.5μm波段激光进行了详细的研究。针对目前变频激光器设计中存在的问题,从晶体的选择、谐振腔结构设计及改善热效应等方面进行了实验优化,以进一步提高激光的转换效率和输出功率,并使结构简单紧凑、使用方便,有利于推广其应用。本论文包括以下几方面的工作:
1.采用LD侧面泵浦Nd:YAP晶体腔内倍频和三倍频分别实现了高功率的红蓝激光输出。通过分析Nd:YAP激光晶体的特性,利用Nd:YAP优良的热传导性能及物理化学特性以及大的4F3/2-4I13/2跃迁截面,实现了高功率的1.3μm波段激光输出；而其天然的双折射特性,具有克服热致退偏振和输出偏振激光的特点,有利于实现高效的激光变频转换。选择LBO作为倍频晶体,对比分析了V型和Z型腔的实验结构,实现了最高19.7w的670.7nm红光输出；首次提出将KTP晶体用作和频晶体,获得了比临界相位匹配切割的 LBO高得多的转换效率和功率稳定性。实现了最高4.76W的447nm蓝光激光输出,重复率4.6kHz,脉宽190ns。
2.基于复合的 Nd:YVO4晶体自拉曼倍频实现了高效黄光激光输出。通过分析拉曼晶体的性能,综合考虑拉曼变频和激光特性及其热效应特点,提出了通过设计复合自拉曼晶体进行激光研究。实验研究了泵浦光束腰在自拉曼晶体内的位置、腔长、Q开关重复频率和占空比等参数对激光失稳临界泵浦功率的影响。通过优化各参数,采用单端键合和双端键合的复合晶体,分别实现了5.7W(60KHz,16ns)和7.93w(110KHz.18ns)的588nm黄光输出,光光转换效率对应为24.2％和30％。此黄光激光输出功率和效率均为目前通过拉曼倍频获得的最高结果。
3.基于 LD端面泵浦内腔式KTAOPO实现了高效的1.5μm人眼安全激光输出。针对内腔式光参量振荡效率较低的问题,通过腔内模式分析,首次提出了在OPO腔内引入类可变透镜的腔结构,有效减缓激光晶体严重热效应导致的基频腔和OPO腔的模式失配。最终基于高效谐振腔及Nd:YVO4-KTA组合,在20W的泵浦功率和60kHz重复率下,实现了最高3.6W的1535nm波长人眼安全激光输出,脉宽2.2ns,光光转换效率大于18％。基于Nd:YAP-KTA组合,在21.5W的泵浦功率和20kHz重复率下,实现了最高2.3W的1562nm波长人眼安全激光输出,光光转换效率10.7％,其中基频光到信号光的转换效率最高达62％。同时对OPO实验中观察到KTA拉曼倍频进行了初步研究。