【摘 要】
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作为重要大气透射窗口之一的3-5μm波段中红外激光,同时覆盖了多种分子原子特征吸收谱,为分子“指纹”区,在大气环境监测、新型医学诊疗以及红外光电对抗等领域具有非常重要的应用前景。随着激光输出模式从最初传统的长脉冲激光逐步发展到超快脉冲激光,使皮秒3-5μm中红外激光的应用研究进一步加深拓展。采用1μm光源泵浦MgO:PPLN是目前实现中红外激光连续调谐输出的主要技术手段之一,该方面研究对中红外皮秒
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作为重要大气透射窗口之一的3-5μm波段中红外激光,同时覆盖了多种分子原子特征吸收谱,为分子“指纹”区,在大气环境监测、新型医学诊疗以及红外光电对抗等领域具有非常重要的应用前景。随着激光输出模式从最初传统的长脉冲激光逐步发展到超快脉冲激光,使皮秒3-5μm中红外激光的应用研究进一步加深拓展。采用1μm光源泵浦MgO:PPLN是目前实现中红外激光连续调谐输出的主要技术手段之一,该方面研究对中红外皮秒激光的发展具有重要意义。本论文从泵浦源掺Yb全光纤MOPA皮秒激光系统的优化设计和同步泵浦MgO:PPLN OPO和OPA的理论分析与设计出发,对多级同步泵浦MgO:PPLN OPO和OPA高功率皮秒中红外激光输出进行研究,主要研究成果如下:理论设计方面:分别对泵浦源掺Yb全光纤MOPA皮秒激光系统和同步泵浦MgO:PPLN OPO和OPA皮秒中红外激光进行理论分析和优化设计。在全光纤泵浦源部分,设计采用新型二维钙钛矿材料（CH3NH3）Pb I3作为可饱和吸收体,实现光纤激光器锁模种子源输出,同时采用多级同步延迟脉冲泵浦技术和长周期光纤光栅负双包层锥形增益光纤实现在放大过程中对ASE效应和SRS效应的抑制。在非线性频率变换部分,建立并求解皮秒同步泵浦体制下的MgO:PPLN OPO和OPA三波耦合模型,给出了OPO过程的初始条件、小信号近似解、大信号解,并分析了OPO和OPA过程的晶体最佳长度、线宽展宽特性以及波长调谐特性,对MgO:PPLN OPO和OPA系统参数优化选取。同时,对皮秒同步泵浦MgO:PPLN晶体热效应进行分析,提出采用侧面全包裹的温控夹具实现了对波前畸变的改善,并对皮秒同步泵浦MgO:PPLN OPO谐振腔折叠腔和蝶形腔结构以及OPA同步结构进行设计。最终为实现多级同步泵浦MgO:PPLN皮秒中红外激光输出提供了理论依据和实验基础。实验方面:对高功率皮秒1064nm光纤激光以及多级同步泵浦MgO:PPLN OPO和OPA实验研究。基于（CH3NH3）Pb I3纳米材料锁模,实现了输出脉宽17.4ps,平均功率10.56m W,中心波长1063.8nm的皮秒全光纤种子源激光输出。通过对光纤放大过程中对ASE效应和SRS效应的抑制,实现了脉冲宽度为17.6ps,输出功率51.5W,峰值功率59.88k W的1064.7nm皮秒激光输出。基于此同步泵浦MgO:PPLN OPO,实现了折叠腔和蝶形腔的对比优化,以及腔长失谐优化,最终实现输出功率为804m W的皮秒3.8μm闲频光输出,对应斜率效率为12.3%,转换效率为11.49%,并实现了在极化周期调谐下中红外3.6μm～4.1μm和在温度调谐下3.6μm～3.8μm中红外调谐激光输出。基于此进一步进行两级同步泵浦MgO:PPLN OPA激光系统研究,在第一级OPA实现了从OPO闲频光804m W到2.51W的定标放大,对应的斜率效率为12.11%,转换效率为12.19%。在此基础上在第二级OPA实现了从2.51W到6.63W的定标放大,其对应的斜率效率为16.40%,转换效率为16.46%,最终多级同步泵浦MgO:PPLN激光闲频光整体的转换效率为14.41%。同时证明了OPA在闲频光功率放大的过程中可以有效遏制光束质量的恶化,最终通过两级OPA实现光束质量为MX2=2.56和MY2=2.62,最终实现了掺Yb全光纤MOPA激光多级同步泵浦MgO:PPLN高功率皮秒中红外激光输出。
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