【摘要】：光學(xué)非線性頻率變換是隨著激光技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生的一門新學(xué)科,它使在目前現(xiàn)有激光材料基礎(chǔ)上,獲得更多波段范圍內(nèi)的激光輸出成為了可能,因此自出現(xiàn)以來就備受關(guān)注。激光倍頻是目前非線性頻率變換領(lǐng)域應(yīng)用最多和最廣的技術(shù),由于倍頻過程對基頻光光強的依賴很高,僅有少數(shù)情況能獲得高倍頻效率的激光輸出。外腔諧振倍頻理論與技術(shù)的出現(xiàn)極大地提高了倍頻效率,尤其是在低平均功率、連續(xù)輸出的基頻光倍頻過程中,外腔諧振倍頻能將倍頻效率較單通情況提高兩個量級,顯示出了其巨大的優(yōu)越性。本文主要開展了外腔諧振倍頻的理論和實驗研究。首先,在對國內(nèi)外研究進(jìn)展充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,確定了基于PDH技術(shù)外腔諧振倍頻路線。結(jié)合理想平面波倍頻結(jié)論,建立了聚焦高斯光束倍頻理論模型并進(jìn)行了數(shù)值計算；引入BK聚焦因子和多光束干涉理論進(jìn)一步求解了諧振倍頻情況下的倍頻效率公式,理論分析了倍頻晶體長度、基頻光注入功率與束腰半徑對諧振倍頻效率的影響,并在理想情況下采用LBO晶體長度為30mm、注入基頻光功率為10W、束腰半徑為50μm時,最佳諧振倍頻轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上；對滿足最佳倍頻條件的環(huán)形倍頻腔進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化,利用傳輸矩陣法分析了腔鏡曲率半徑、間距等對腔模束腰半徑的影響,確定了采用“8字”環(huán)形腔的諧振倍頻腔結(jié)構(gòu)以及滿足最佳倍頻條件的腔參數(shù),并進(jìn)一步研究了基頻光與環(huán)形腔之間的模式匹配特性與阻抗匹配特性。其次,對基于PDH技術(shù)腔長鎖定理論進(jìn)行了研究,分析了PDH誤差信號的產(chǎn)生原理并進(jìn)一步研究了環(huán)形腔透射腔模信號與誤差信號隨腔長微小偏移量的變化關(guān)系,從而驗證了采用PDH技術(shù)實現(xiàn)腔長鎖定的可行性。設(shè)計了適用于外腔諧振倍頻的PDH腔長反饋控制系統(tǒng),并開展了腔長鎖定實驗。針對影響鎖定誤差信號的電光相位調(diào)制器、調(diào)制信號以及掃描信號的頻率與幅值、PID控制器參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化和整定,并通過監(jiān)測經(jīng)環(huán)形腔某一腔鏡的腔內(nèi)基頻光漏光功率和光斑分布判定腔長鎖定效果。實驗中通過將空間相位調(diào)制器更換為光纖相位調(diào)制器,調(diào)制信號頻率與幅值分別設(shè)為12.5MHz與0.2V,掃描信號頻率與幅值設(shè)為10Hz與5 V, PID控制器參數(shù)G、P、I、D分別設(shè)為21、9500、215、0時獲得了較理想的鎖定效果。通過監(jiān)測到的漏光推算出鎖定時腔內(nèi)基頻光循環(huán)功率為152.69W,諧振增強因子為15.87,且漏光光斑分布均勻,呈基橫模分布。最后,在腔長鎖定基礎(chǔ)上將LBO倍頻晶體插入環(huán)形腔內(nèi)開展諧振倍頻實驗。采用尺寸為8mm×8mm×30mm,類非臨界相位匹配的LBO晶體,并將晶體放置于銅制熱沉中進(jìn)行150℃左右溫控,實驗結(jié)果顯示晶體內(nèi)部溫度分布均勻,溫寬較�。辉谥C振倍頻實驗中,分別分析了LBO晶體溫度、基頻光功率、束腰半徑與中心波長和輸入耦合腔鏡反射率等重要參數(shù)對諧振倍頻效率的影響,獲得的實驗結(jié)果與理論分析基本一致,且當(dāng)LBO晶體溫度為150℃,注入基頻光功率為8.5W,束腰半徑為50ìμm,輸入耦合腔鏡反射率為93%時,獲得最高功率諧振倍頻綠光輸出為4.59W,倍頻效率達(dá)到54%,比較了LBO晶體單通倍頻情況下的實驗結(jié)果,其倍頻效率提高約200倍。最后測量了綠光功率的波長調(diào)諧特性、線寬、光束質(zhì)量和輸出穩(wěn)定性等,均獲得了較好的實驗結(jié)果。在上述的研究工作中,本文取得的主要成果有以下3個方面：1).將聚焦高斯光束理論與諧振腔理論結(jié)合建立了外腔諧振倍頻理論計算模型,分析了注入基頻光功率Pin、倍頻腔內(nèi)最小束腰半徑ω0、輸入耦合鏡反射率r1等重要參數(shù)對轉(zhuǎn)換效率的影響并指導(dǎo)外腔倍頻實驗系統(tǒng)設(shè)計。2).采用了基于PDH腔長反饋控制技術(shù),相比于通常基于光強型譜線誤差信號反饋控制技術(shù),其鑒相靈敏度高,避免了激光幅度噪聲或不穩(wěn)定性對系統(tǒng)的影響,提高了整個系統(tǒng)的可靠性。3).建立了外腔諧振倍頻實驗系統(tǒng),利用“8字”環(huán)形倍頻腔實現(xiàn)了腔長的長時間精確穩(wěn)定的鎖定,獲得了鎖定時基頻光功率在腔內(nèi)諧振增強15倍,倍頻效率為54%的最高4.59W單頻連續(xù)綠光輸出,外腔諧振倍頻效率較單通倍頻效率提高了200倍,驗證了對低功率連續(xù)輸出基頻光高效倍頻技術(shù)的可行性。
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采用內(nèi)腔倍頻方式能使基頻光多次經(jīng)過倍頻晶化，增加倍頻次數(shù)，并且能有效利用逡逑較商的基頻光功率密度，從而獲得較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的聚浦光的闊值，另外也逡逑實現(xiàn)激光器的小型化和全固化Ｗ。１９８２年，Ｙ．ＳNｉｕ等人印Ｊ用ＫＴＰ晶體腔內(nèi)調(diào)Ｑ逡逑法，獲得了重復(fù)頻率為５Ａ化、平均功率為５．６Ｗ的５３２？ｗ綠光輸出；１９８７年，姚逡逑院±采用同種倍頻晶體，獲得了當(dāng)時國際最高平均功率３４Ｗ的綠光輸出１９９８逡逑Ｈｏｎｅａ等人采用雙調(diào)Ｑ的Ｖ型腔結(jié)構(gòu)，獲得了邋１４０Ｗ綠光町到２００９年，美國相逡逑Ｗｊ采用ＩＩ類匹配ＬＢＯ晶體在Ｚ字形腔內(nèi)倍頻，獲得了邋４２０Ｗ的綠光ｔＷ，是目前報逡逑脈沖體制下最高功串的內(nèi)腔倍頻綠光。１９９９年，Ｒ本的ＴｅｓｕｏＫｏｊｉｍａ等人分析了逡逑腔內(nèi)非線性晶體ＫＴＰ的熱效應(yīng)對輸出綠光功率穩(wěn)定性的影響，獲得了功率穩(wěn)定的逡逑（Ｍ２＝８），Ｗ及功率為口Ｗ（Ｍ２＝１．２）ＴＥＭ００模連續(xù)綠光輸出ＩＷ。在邋２０１１邋年，Ａｍａｉｊｅｅｔ逡逑ｈ等人利用ＫＴＰ品體Ｚ型腔腔閑倍頻獲得了邋８２Ｗ連續(xù)綠光輸出。但是由于存在嚴(yán)逡逑球差，綠光的光束質(zhì)量較差，Ａ／２接近４0ｔＷ。進(jìn)入一－十一世紀(jì)，隨著５３２ｎｍ倍頻綠逡逑術(shù)的日趨成熟，內(nèi)腔倍頻技術(shù)在其他波長的應(yīng)用開始備受關(guān)注。如２００８年逡逑ｍｏｕｄ邋Ｆａｌｂｈｉ邋等人義用邋ＩｎＧａＡｓ－ＧａＡｓ邋ＶＥＣＳＥＬ（ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｅｘｔｅｍａｌ－ｃａｖｉｔｙ，邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑ｉｔｔｉｎ結(jié)構(gòu)折疊腔腔內(nèi)倍頻，獲得了基頻光在１１４７－１１９７／�。鞣秶鷥�(nèi)連續(xù)可調(diào)，倍頻光逡逑

比如生長具有更高二次非線性系數(shù)的材料，提高基頻光功率密度與穩(wěn)定性，采用準(zhǔn)相匹配技術(shù)改善基頻光與非線性晶體有效作用長度等。尤其在連續(xù)或長脈沖體制下，由基頻光的峰值功率密度遠(yuǎn)小于ＭＷ／ｃｗ２星級，使得倍頻效率極低，通常約為千分之幾右。外腔諧振技術(shù)便是提z┓竅咝宰恍實囊淮畏淺３曬Φ拇蔥潞統(tǒng)⑹�，它蕼厦灾B蚵齔逄逯頻幕倒夤β式系偷那榭觶曰竦媒細(xì)咦恍食晌贍�。辶x喜皇庇諛誶槐鍍島頹煌獾ネū鍍擔(dān)馇恍癡癖鍍凳侵岡諛稱導(dǎo)す饌獠慷懶⑸杓菩潮鍍登唬ü∪『鮮實謀鍍登壞膶艉鮮淙刖搗瓷瀆�，并利用褱峡V沾珊偷繆Х蠢】叵低塵房刂破淝懷�，，蕼厦栽r鍍登荒謐⑷氳幕倒夤β拭芏扔捎諦癡竦玫郊蟮厙�，并且能《串Yü鍍稻逶黽穎鍍蕩問�；提笍s鍍底恍О耄ｅ義賢馇恍癡癖鍍檔母拍釷狀斡桑粒粒螅瑁耄椋畹熱嗽冢保梗叮賭晏岢�。他脡Λ基频光注葰杞置了邋ＫＤａ呎u宓鈉槳記荒�，获得琳b癡袷保保氨隊謐⑷牖倒夤β實那荒諮飯β省Ｑ樽爸猛既繽跡保乘盡Ｊ笛櫚玫降慕峁肜礪鄯治鑫嗆轄蝦�，并证明琳fズ�、单纵基频桂}墻型馇恍癡癖鍍檔淖羆壓庠礎(chǔ)Ｊ笛榛乖史址治雋誦癡癖鍍登壞乃鷙模準(zhǔn)氨毒宥員鍍底恍實撓跋歟ぱ粵送ü納破骷問�、處V淌笛榧際跏侄魏筒捎糜瘧鍍稻謇椿竦們篩弒鍍敵實目尚行�。辶x希

本文編號：2582023