光学参量振荡器OPO的研究.pdf
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长春理工大学硕士学位论文光学参量振荡器(OPO)的研究姓名:
段利红申请学位级别:
硕士专业:
光学指导教师:
丁蕴丰20080401摘要利用光参量振荡器(OPO)获得宽带可调谐、高相干的辐射光源,在激光测距、医学诊断和治疗等领域已显示出越来越广泛的应用前景。
经过几十年的发展已成为可调谐激光技术的主流,是实现可调谐激光输出的有效技术手段。
本文从非线性光学三波相互作用理论出发,以光参量振荡的基本原理为基础,按照光参量振荡器的设计理论,全面设计了足mDPD光参量振荡器。
在第类角度相位匹配条件下,得出了输出波长、有效非线性系数、参量增益等参数随角度变化的调谐曲线。
从而确定了晶体切割在X-Z面内,角度为725。
,调谐范围在10912劲脚。
根据双程泵浦的单谐振参量互作用方式,研制了一套完整的光参量振荡系统,对整个系统进行了相关实验,得出并分析了实验结果。
在论文最后,分析了影响参量光转换效率和空间模式的因素。
针对出现的问题,给出了对应的解决方案,为进一步的工作指明了方向。
关键词:
光参量振荡器相位匹配角度调谐泵浦源转换效率ABSTRACTUsingopticalparametricoscillator(OPO),wecangetwide-rangetunable、highlycoherentradiantsoutrce,ithasbeenwidelyusedincomprehensivedomainsuchaslaserranghlgmedicaldiagnoseandtherapy,etcwithseveraldecadesdevelopment,itbecomesmains扛eamoftunablelasertechnologyItisallefficienttechnicalmethodofrealizingtunablelaseroutputThisarticledesignedOPOKTPopticalparametricoscillatorItsetoutfromprincipleofnortlincaropficaItricrotisminfraction,andbasedonbothprincipleofopticalmramctricoscillationandprincipleofopticalparamclricoscillatordesigningUndertheconditionoftypeIIphasematching,tunableClIIVCofthewavelength,effectivenonlinearcoefficient,parametricgainVsanglechangingWeleobtainedSo,thetuningSp鳓rtlmandcut廿ngandeoftheKTPwasfmallyestablished私109一122zmand725。
respectivelyAccordingtointeractionofdoublepassmgpun,podSROparmnetcT,wedevelopedthecompleteOPOsystemandrelatodexperimentswiththewholesystemw讯finishedFinallywegotusefulexperimentalresultsAttheendofthesis,thefactorsthataffectU-ansfcrefficiencyandspacemodelWCTCanalyzedAgainstarisenproblem,We删dedsolutionandpointedoutthenextworkingKeywords:
OpticalParametricOscillator(OF01angle-tuningphase-matchingpumpingsourcetransferefficiency长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:
所呈交的硕士学位论文,光学参量振荡器(OPO)的研究是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名:
馨椎边净卫月豆日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解。
长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”,同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印,缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文作者签名;赫2年!
月盘日指导导师繇鞠坦啦月幺日第一章绪论11光参量振荡器的研究进展111光参量振荡器的发展历史1961年Franken等人在光波段观察到二次谐波不久,1962年Armstrong、Kingston、KroU、Akhl31anov和Kholdllov分别提出了光参量放大和产生可调谐光的建议;1965年CCWang和Raeette首次在试验中观察到了三波非线性过程中的参量增益,同年美国贝尔实验室的JAGiordmaine和ILCMiller用g开关多模Nd:
GaW03激光通过LiNb03晶体,获得了097-115zm的参量信号输出。
之后,世界各国都展开了对参量振荡器的研究。
在20世纪70年代中期,有C1rommix公司生产了第一台商品化的光参量振荡器(OpticalParametricOscillator,简称OPO)“。
OPO的发展与非线性频率转换晶体的研究发展有着密不可分的关系。
由于缺乏优质的非线性晶体,OPO的研究在20世纪70年代中后期和20世纪80年代初期基本陷于停滞状态。
1。
20世纪80年代中后期,随着透明范围宽、损伤阈值商、有效非线性系数大及大尺寸的非线性新型晶体KTP、LBO、BBO等的出现,人们对OPO的研究又进入一个高潮。
1986年的CLEO年会上,YXFan首先报到了BBOoOPO的研制情况。
1988年他们又报道了使用355nm、532nm泵浦的BBO-OPO分别获得了4122550nm和940-1220nm的波段输出。
1997年,又有文献报道采用355nm作为泵浦光源,类匹配双BBO组成的OPO-OPA系统,其调谐范围04,-2和所,效率高达25。
通过倍频可获得208nm415nm波长输出,倍频效率大于40。
关于KTP晶体,20世纪90年代初期,L。
1LMarshaU等人报道了使用15ram长的KTP晶体,1064nm作泵浦光,参量调谐范围1Ol,61zm,转换效率达35的OPO-OPA系统的情况。
之后,人们使用不同波长的激光作为泵浦光,采用不同的腔型结构,进行KTP-OPO实验,实现了不同波段的输出脚。
112国内外研究现状光学参量振荡器发展到今天种类繁多,有脉冲、连续及锁模运转,有多模也有单模工作,泵浦源遍及固体、气体、染料、准分子、半导体、光纤等激光器以及二极管直接泵浦,输出激光脉冲宽度从长脉冲,几个纳秒到皮秒,甚至进入飞秒量级,共振类型有单共振和双共振之分,相位匹配方式也有I类类之别,腔型也从直腔发展为三镜、四镜、多镜折叠环形腔结构。
近几年迅速发展起来的光学超晶格材料技术,为人们呈现了一种全新的准相位匹配(QuasiPhaseMatch,QPM)光学参量振荡器,这极大地推动了参量变换技术的发展,使OPO成为可调谐激光的主流,是实现可调谐激光输出的有效技术手段阿。
1994年报道了可调谐Ti:
sapphire激光泵浦的非临界相位匹配KTP光学参量振荡器,1997年还出现了一种新型的相位匹配自倍频翩弘凹D,参量振荡和倍频过程只用一块晶体来实现。
英国的Southampton大学和美国的cornell大学关于这方面的研究较多。
以KTP和RTA为基底制成的光学超晶格材料已见报道,英国Southampton大学成功地实现了PPRTAOPO的运转,土耳其BILkent大学演示了建立在PP-KTP基础上n:
sapphire激光泵浦的fsOPO。
目前,世界上生产OPO系统并推广到市场上的厂商并不少,其中以美国的Continnum公司、SpectraPhysics(SP)公司和德国的LambdaPhysik公司为代表。
表卜1Continnum公司OPO表1-2LambdaPhysik公司和SP公司的OPO系统“1如表l-l所示,Mirage3000采用了非线性晶体KTP的频率变换和放大效应,而Mirage500和SunliteOPO则分别采用了KTP和BBO晶体。
SunlitcOPO由于采用了特殊的谐振振荡器,因而压窄了线宽并扩大了调谐范围。
如表1-2所示,LambdaPhysik公司生产的SCANMATEOPO系统利用BBO晶体实现频率变换,他采用的是两个分开的OPO系统,而不是OPO-OPA系统。
两个主振荡器是高性能的OPO,因而可以获得单纵模的线宽。
我国在OPO研究方面也取得了很大进展。
黄骝人报道采用n类非临界匹配LBO2及I类临界匹配的BBO,用波长为355nm激光泵浦。
获得415-4826nm的调谐范围,输出线宽小于015nm;姚建铨用调Q的Nd:
YAG激光器的二次谐波(532nm)泵浦LiNb03,采用温度调谐获得了7389-14113nm的调谐范围;柳强等人用腔内含有KTP光学参量振荡器的调Q的Nd:
Y4G激光振荡器实现了高达45的转换效率31。
国内对磷酸钛氧化合物光学参量振荡器主要集中于Nd:
YAG泵浦的非临界相位匹配KTP,其输出为人眼安全的157,um激光,研究单位主要有华北光电所、西南技术物理所和哈尔滨工业大学等单位”。
哈工大对外腔和内腔KTP-OPO单元光参量技术进行了大量研究,最大获得了转换效率64,能量大于50mJ的15和21激光输出。
对PP-KTP的研究国内尚未见报导。
113光参量振荡器的未来发展趋势宽带可调谐作为光学参量振荡器的最大特点,也必然成为光学参量振荡器发展的主要趋势。
OPO同倍频、和频、差频甚至受激拉曼散射、染料或固体可调谐激光光源等组合起来,构成多种的组合调谐方式必将成为拓展OPO所不能匹配波长的主要手段。
总体来说,未来的OPO将向以下几个方面进行”:
l红外的扩展和紫外的延伸红外的扩展主要利用新型的激光源,如c,Er:
YSGG、KTP-OPO等,泵浦AgGaSe2、AgGaS2、CdGeAsz、CdSe、ZnGeP2等晶体,可以匹配出更长的波段。
紫井的延伸主要利用Nd:
YAG的谐波泵浦胎D、LBO、CBO等晶体产生的参量光倍频或是经和频获得短波长激光。
2准相位匹配技术的进一步发展利用周期性极化技术实现准相位匹配条件下参量振荡首先是在LiNb03晶体上实现的,简称PPLN技术,该技术具有操作简单、高增益、低损耗等优点,还由于其高度非线性和群速色散可以实现光脉冲压缩。
所以是近一段时期争相研究的热点,着重解决的问题是:
大通光孔径技术,新型光学超晶格材料的研制,光学超晶格OPO的多种调谐方式,发展紫外和长波波段的光学超晶格OPO以及必短脉冲输出。
3新型参振晶体的研制光学参量振荡器的发展与非线性晶体的发展有着密不可分的关系,非线性晶体的发展直接影响光学参量振荡器的发展,具有宽的透光光谱范围,大的非线性系数,高的损伤阈值,物化性能稳定且能生长大尺寸的新型晶体是DPD研究的另一热点。
4进一步提高光学参量振荡器输出指标在调谐范围、输出能量、转换效率不断提高的同时,脉宽也不断向更短脉冲发展,使OPO的输出具有比泵浦光更高的峰值功率密度。
利用各种线宽压缩技术获得窄线宽OPO输出,高重复频率和CtV-OPO的方面将会有很大进展。
5全固化凹D利用二极管泵浦固体激光技术,发展全固化宽调谐OPO在近几年发展十分迅速,是将来的发展方向。
12光参量振荡器研究的目的及意义因为自然界的一切物质都能对某波长范围的光具有强烈的吸收和荧光效应,激光光谱分析是当前探测物质结构最先迸的方法,而光源波长可变化是该项技术的关键。
可调谐激光器目前常用的有:
染料激光器、掺钛蓝宝石激光器、色心激光器和铅盐半导体激光器以及光学参量振荡器(0PD)。
光参量振荡器OPO在调谐范围和输出功率方面均优于染料激光器和掺钛蓝宝石激光器,特别是近年来一些新型而高效率的非线性晶体的出现和发展,使得OPO成为目前世界上调谐范围最宽的一种固体激光器,并因其具有结构紧凑,使用方便以及功率高,能够产生从紫外到红外的激光辐射等特点,已被广泛应用于激光光谱学、激光差分吸收雷达、光电对抗、激光扫描成像、人眼安全激光测距、目标指示器、激光定向红外干扰等领域“。
13本论文研究的内容及目标本论文从三波混频的基本原理出发,介绍了光参量振荡器的相关理论,给出了参量振荡的物理解释。
从转化效率的角度研究了光参量振荡部分对参振晶体的选择和相位匹配理论;设计了晶体的匹配切割角;OPO系统的选择和构建,考虑到接收角和允许走离角,得出了光参量振荡的调谐曲线。
根据OPO相关原理和理论计算,研制了一套完整的光参量振荡系统,包括满足OPO的泵浦源电光调Q的Nd:
YAG激光器和OPO参量振荡器。
研究了泵浦源和OPO的输出特性并给出了主要技术参数,并针对相关实验,进行了结果分析。
论文的主要目标就是自主研制一套完整的、模块化的实验系统。
模块化的结构设计可以增加系统的灵活性和可互换性,与其它同类系统相比,它能给学生留出动手操作的空间。
预计完成的这套系统将投入到本科生及研究生的专业实验课教学中。
4第二章光参量振荡的基本原理光学参量振荡同倍频、和频、拉曼等一样都属于非线性频率变换技术的一种sl。
早在1961年二次谐波就已经出现了,随后又出现了三波混频,在1965年出现了光学参量振荡。
此后,发现利用倍频晶体材料的双折射效应以补偿折射率的色散来提高倍频效率,这就是人们所说的相位匹配技术啪。
本章将从耦合波方程出发,阐述光学参量振荡的原理,不同的作用结构,并给出光学参量振荡的物理解释。
21三波混频及基本原理211三波互作用的耦合波方程假设有三个频率分别为l,娩和叻沿Z方向传播的单色平面波,记为El,岛和历,垂直地入射到介质上,并有toa=tol+娩。
设三波的复振幅为“rm1:
El(:
-AI(z)exp(如1)(21)历(z)-A2(:
)exp(却2)(22)历(z)=A3(z)exp(协)(23)式中,矿l,矿2,93分别为三波的初始相位,在稳态情况下,非线性激励项相对于线性响应的贡献很小,因此常把非线性激励项作为一种微扰来处理。
即在介质无损耗的情况下,由于非线性激励项作为线性响应的一种微扰,可以认为光电场复振幅是仅是z的函数,与时间无关,且振动矢量的改变量极小,变换又慢(所谓变换慢是指在辐射波长范围内,量的改变很小)。
假设三波共线相位匹配,采用慢变振幅近似:
俐“b刽“IE|,r=,旺4,上式表明;在波长厶数量级的长度范围内,电场幅度I磊l及其导数I=到的数值相对I四I变化不大,这在绝大多数的非线性光学问题中都是满足的71。
基于实际光束的情况,允许存在一个相位失配量,其相位失配因子的表达式为:
AK=K1+K2一K3(25)由邑=nnaln,C令兄=等l0802了式中,c为光速,脚是有效非线性极化率(标量),可推导出耦合波方程(26)华:
喝马磊酬一胜)韶孕:
诏:
毛豆exp(一iA拓)出(27)(28)dE,3:
iB3ElE2exp(iAk)(29)如果考虑到晶体的电导率西棚l(n;l,2,3),则耦合波方程变为V,Isl_dEl4-口1Et:
iBE3E2exp(-iAkz)(210)d_E2+a2E2:
坍2易E弧p(一丛舷)(211)孕+E3:
iB3E2EIcxp(iAkz)(212)式中an为损耗系数,其表达式为:
flo盯nCre=l,2,3n如果克莱曼(Kleinman)近似关系成立,则有船,。
矿2黼=黼=2如(213)上述的耦合波方程是在严格的单色均匀平面波条件下推导出来的,对于单色性很好的非聚焦单横模激光束,上述方程有很好的近似。
对于脉冲激光,当脉宽大于Ins时,通常可以用上述的稳态耦合波方程;但当脉宽小于lOOps时就要考虑用瞬态耦合波方程。
在实验中输出激光的静态脉宽在脚量级,动态脉宽在凇量级,故采用的是稳态耦合波方程。
在无损耗介质中a=0,通常克莱曼近似关系成立,即式(213)成立,则稳态耦合波方程组可以改写为:
鲁=纛幻易磊懿p(诎)眨譬=焘幻易豆晰她)(215)鲁=去锄易E1酬纰)(2t16)6式中,A(n-1,2,3)为置矢量与s矢量的夹角,经推导可得:
掣+掣cos岛+掣cos岛=。
该式表示无损耗非线性介质内流过垂喜z轴平面的总能流密度保持不变,守恒。
式(217)也可以改写成,JSiICOSPl+is2Ic,osp2+协ls岛=(常数)将上述耦合波方程两边同时乘以相应的复共轭场,还可以得出下列关系:
丢=兰喙=一丢也可以变为:
(217)也就是能量(2。
18)(219)兰陪+去=。
,夏dLfiS,+去=。
,差(岳一韵=。
c2zo,式中,表示光强即电场辐射能流率:
=iI岛吼旧12i=1,2,3(221式(219)和(220)表明了相互作用中三个光电场光子数的变化关系。
l和曲的光子数之和与n,2和奶光子数之和在非线性过程中始终保持不变。
l和忱光子数之差保持不变。
如果频率为铆和啦的光子同时湮没,可以产生频率为奶的一个光子,这就是和频过程。
反过来吐b光子湮没,同时产生两个频率为I和纰的光子,这就是参量光产生的过程“1。
22参量振荡的相关理论221光参量振荡的基本原理一束泵浦光叻入射非线性光学晶体,产生两束新的光波l和眈,且有m3=d01+o2关系成立,称光学参量发生(OpticalParametricGeneration,OPG),相应的晶体器件称为光学参量发生器。
一束强泵浦光叻和一束弱的信号光l一起入射非线性晶体,弱的信号光COt被放大,同时产生一束新光波忱,也有幼=功l慨成立,此称为光学参量放大(OpticalParametricAmplification,OPA)。
将非线性晶体放入谐振腔中,一束泵浦光叻入射,同时产生两束新光波COl和m2,同样有奶=l恤硷成立,此称为光学参量振荡(OpticalParametricOscillation,OPO),相应的谐振腔和晶体统称为光学参量振荡器。
光学参量振荡器(DP0)是利用非线性晶体的混频特性来实现频率变换的器件,7其中有一个或两个光波具有振荡特性。
有的文献中把OPO和OPA统称为OPG。
OPA在原理上同微波参量放大极为相似。
光学参量放大实质上是一个差频产生的三波混频过程。
由莱曼罗威关系可知,在差频过程中,每湮没一个光子,同时要产生两个低频光子,在此过程中这两个低频光波获得增益,因此光学参量放大器可作为它们的放大器。
将一个强的高频光(泵浦光)和一个弱的低频光(信号光)同时入射到非线性晶体上,就可以产生差频光(空闲光),而弱的信号光被放大了“1。
若信号光、空闲光同泵浦光多次通过非线性晶体,它们可以多次得到放大。
如果将非线性晶体置于
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- 光学 参量 振荡器 OPO 研究