近紅外和中紅外經典和量子光源在光譜分析、大氣污染監(jiān)測、生命科學以及量子保密通信和量子精密測量等領域具有重要的應用。為了能夠滿足近紅外和中紅外光源在這些領域的需求,本文開展了單共振光學參量振蕩器（SRO）經典和量子特性的實驗和理論研究。主要研究內容如下:1、研究了駐波腔和環(huán)形腔SRO獲得信號光和閑置光的波長調諧特性以及輸出特性。首先根據(jù)理論計算設計了基于PPLN晶體的駐波腔和環(huán)形腔SRO,通過PPLN晶體的極化周期和溫度調諧,兩種SRO均可獲得調諧范圍分別為1.4μm-1.7μm和3.9μm-2.6μm的信號光和閑置光輸出。然后實驗研究了SRO的輸出特性。在晶體極化周期為29.4μm、溫度為120℃時,駐波腔SRO的閾值功率為3 W,在泵浦功率為15.5 W時,信號光和閑置光的輸出功率分別為5.1 W和2.1 W（波長分別為1.522μm和3.533μm）,光光轉換效率為46.5%;信號光和閑置光在4小時內的功率波動分別優(yōu)于±2.77%和±2.79%、信號光的頻率漂移優(yōu)于±45 MHz。環(huán)形腔SRO的閾值功率為9 W,在泵浦功率為25 W時,信號光和閑置光輸出功率分別為6.9 W和3.1... 

【文章來源】：山西大學山西省

【文章頁數(shù)】：117 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

不同波長激光在大氣中的透射譜線

學參量振蕩器的經典和量子特性的理論和實驗研究2和3μm-5μm的激光位于大氣窗口波段，對大霧、粉塵等具有較強的穿透能力，可以應用于自由空間激光通信、激光雷達等領域[17]。其中1.5μm激光在人眼中基本不透射，可以應用于人眼安全測距等領域[37]，而且由于1.5μm激光在光纖中的傳輸損耗僅為0.17dB/km[38]，因此可以應用于量子保密通信、量子密鑰分發(fā)等實驗研究[39-42]。波長位于3μm-5μm波段的激光，對碳水化合物(CH伸縮鍵)和具有NH或者OH伸縮鍵的分子具有很強的吸收帶寬，例如NH3、C2H2、HCN、CO、CH4、O3、H2CO等，如圖1.2所示[43]，并且因其高靈敏度和良好的特異性，可以應用于痕量氣體檢測和環(huán)境污染監(jiān)測等方面[44]。圖1.2多種分子伸縮鍵對應的光譜范圍[43]另外，紅外激光也可以廣泛應用于石油管道中氣體泄露的實時監(jiān)測等工業(yè)過程中[29]，通過實時監(jiān)測可以提高工業(yè)操作的安全性及有效性。在生物醫(yī)學領域，紅外激光光源對于需要高選擇性或成像靈敏度的醫(yī)藥中間體、藥品、麻醉藥和生化藥品等具有強的吸收帶寬，可以應用于生物醫(yī)學以及生命科學中相關氣體的檢測等領域[30,45,46]�；诮t外和中紅外激光在這些領域的重要性，獲得寬調諧和高功率的近紅外和中紅外激光光源勢在必行。1.1.2近紅外和中紅外激光的產生為了滿足自由空間光通信、痕量氣體檢測、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)學等多種應用對光源的需求，首先需要研制具有寬調諧、高功率等優(yōu)點的紅外激光光源。目前獲得紅外激光光源的方法有很多。其中量子級聯(lián)激光器雖然能夠獲得寬調諧的激光輸出，但輸出功率較低[47-51]。而光纖激光器的輸出功率雖然有所提高，但可調諧范圍較窄，而且輸出激光存在高的額外噪聲，限制了其在很多領域的實際應用[52-55]。固體激光器雖然可以獲得瓦級以上的紅外激?

第一章緒論3于拉曼激光器，輸出功率較低，且光纖易受到損傷，輸出激光波長的可調諧范圍較窄[62-69]。與以上產生紅外激光的方式相比，光學參量振蕩器[70-73](OpticalParametricOscillator,OPO)具有三個優(yōu)勢，首先利用OPO獲得的激光波長可以從紫外調諧到中遠紅外波段，且容易實現(xiàn)波長的快速調諧；其次是OPO的結構簡單，容易實現(xiàn)全固化和小型化；最后利用OPO可以獲得高功率和窄線寬的紅外激光輸出，且輸出激光的穩(wěn)定性很好。所以OPO是獲得寬調諧、高功率和高穩(wěn)定性紅外激光的最佳選擇。根據(jù)激光在OPO腔內共振的數(shù)量，可以將OPO分為單共振OPO(SinglyResonantOPO,SRO)、雙共振OPO(DoublyResonantOPO,DRO)和三共振OPO(TriplyResonantOPO,TRO)。與DRO和TRO相比，SRO只需保證信號光或者閑置光共振即可，設計比較簡單，而且在沒有外部伺服系統(tǒng)鎖定時，仍能獲得穩(wěn)定的紅外激光輸出。雖然SRO的閾值比DRO和TRO要高，但是SRO能夠獲得更高功率的激光輸出。所以SRO是獲得寬調諧和高功率紅外激光的最佳選擇。圖1.31.064μm激光泵浦時，SRO的非穩(wěn)閾值隨激光波長的變化[74]對于SRO而言，可以選擇信號光或者閑置光在腔內單共振。而對于腔內共振光波長的選擇已有研究人員報道過，2010年，C.R.Phillips等人通過理論計算了利用1.064μm激光泵浦基于PPLN晶體的SRO時，SRO的非穩(wěn)閾值與共振光波長的關系，如圖1.3所示[74]。從圖中可以看出，選擇較短波長的激光在腔內共振時，SRO的非穩(wěn)閾值比長波長要高。而且在泵浦激光波長為1.064μm時，PPLN、MgO:PPLN、PPLT等晶體對長波長激光的吸收是短波長激光的5倍以上[75-77]，如果選擇閑置光作為共振光，則會導致SRO閾值增大、輸出功率降低、轉換效率降低，而且輸出激光


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