随着光电信息技术的快速发展,3~5μm波段中红外光源对光谱学、遥感技术、激光通信等领域具有重要的应用价值和广阔的科研前景,开展该波段激光器的研究具有重要意义。调研发现,基于光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)的中红外激光输出方式具有全固态激光器的体积小、重量轻、性能稳定、可靠性好、光束质量好等优点,同时具有OPO激光可调谐光谱范围宽的优势。鉴于此,依托实验室中红外激光器项目,本课题将使用光纤激光器开展基于Mg O:PPLN晶体的中红外光参量振荡器的研究工作,着重分析如何通过合理的光学设计来获得更高效、更稳定的中红外激光器样机,工作内容具体如下:(1)调研了中红外激光器的实现方式和国内外研究现状,在此基础上确立以OPO方式实现中红外输出的技术途径。结合非线性光学建立光学参量振荡器的理论基础,对比不同的谐振腔并使用Code V设计仿真OPO光学系统结构。(2)基于OPO光斑聚焦参数与阈值关系的数值计算模型,仿真分析了聚焦参数与参量转换效率之间的关系,得出理想情况下的最优聚焦参数。在此基础上,分析理想情况下所得结论的适用范围以及所存在的局限性;通过建立热传导方程,对高功率泵浦下、晶体加热条件下晶体的热效应做了分析,指出泵浦光过度聚焦将会导致晶体内热透镜效应加强,进一步仿真分析了在不同泵浦功率、聚焦参数下晶体内部的温差。(3)通过Code V软件设计缩束系统并进行仿真,仿真结果指导实验泵浦光斑聚焦参数的调谐方法。运用此缩束系统,基于Mg O:PPLN晶体和光纤激光器搭建了OPO的系统实验装置,先后使用不同尺度的Mg O:PPLN晶体实验研究了聚焦参数对OPO的性能影响。实验结果表明,在较低的泵浦输入条件下,较大的光斑聚焦参数能够得到更高的参量转换效率。但是当泵浦光增加时,最优聚焦参数逐渐呈下降趋势,泵浦功率越高,最优光斑聚焦参数越小。(4)实验研究了光斑匹配对波长调谐的影响,实验结果显示聚焦参数越大,晶体的内部温度梯度值越大,故其对波长调谐存在一定影响。为了获得稳定波长输出,在高泵浦功率条件下应选择较小的聚焦参数以减小聚焦参数对波长调谐的影响,这样还可以得到更高的转换效率。(5)在线形腔基础上,搭建V形腔OPO实验装置,实验结果表明:V形腔参量光输出与泵浦光为不共线,避免了回光耦合效应。但是激光阈值比线形腔高,且光光转换效率下降显著,不利于实现OPO系统的高效率运行。