近紅外和中紅外經(jīng)典和量子光源在光譜分析、大氣污染監(jiān)測(cè)、生命科學(xué)以及量子保密通信和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。為了能夠滿足近紅外和中紅外光源在這些領(lǐng)域的需求,本文開展了單共振光學(xué)參量振蕩器（SRO）經(jīng)典和量子特性的實(shí)驗(yàn)和理論研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:1、研究了駐波腔和環(huán)形腔SRO獲得信號(hào)光和閑置光的波長(zhǎng)調(diào)諧特性以及輸出特性。首先根據(jù)理論計(jì)算設(shè)計(jì)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(diào)諧,兩種SRO均可獲得調(diào)諧范圍分別為1.4μm-1.7μm和3.9μm-2.6μm的信號(hào)光和閑置光輸出。然后實(shí)驗(yàn)研究了SRO的輸出特性。在晶體極化周期為29.4μm、溫度為120℃時(shí),駐波腔SRO的閾值功率為3 W,在泵浦功率為15.5 W時(shí),信號(hào)光和閑置光的輸出功率分別為5.1 W和2.1 W（波長(zhǎng)分別為1.522μm和3.533μm）,光光轉(zhuǎn)換效率為46.5%;信號(hào)光和閑置光在4小時(shí)內(nèi)的功率波動(dòng)分別優(yōu)于±2.77%和±2.79%、信號(hào)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(shí),信號(hào)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(xué)山西省

【文章頁(yè)數(shù)】：117 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

不同波長(zhǎng)激光在大氣中的透射譜線

學(xué)參量振蕩器的經(jīng)典和量子特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究2和3μm-5μm的激光位于大氣窗口波段，對(duì)大霧、粉塵等具有較強(qiáng)的穿透能力，可以應(yīng)用于自由空間激光通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域[17]。其中1.5μm激光在人眼中基本不透射，可以應(yīng)用于人眼安全測(cè)距等領(lǐng)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(yīng)用于量子保密通信、量子密鑰分發(fā)等實(shí)驗(yàn)研究[39-42]。波長(zhǎng)位于3μm-5μm波段的激光，對(duì)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(qiáng)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(yīng)用于痕量氣體檢測(cè)和環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等方面[44]。圖1.2多種分子伸縮鍵對(duì)應(yīng)的光譜范圍[43]另外，紅外激光也可以廣泛應(yīng)用于石油管道中氣體泄露的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等工業(yè)過程中[29]，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以提高工業(yè)操作的安全性及有效性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，紅外激光光源對(duì)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(qiáng)的吸收帶寬，可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)以及生命科學(xué)中相關(guān)氣體的檢測(cè)等領(lǐng)域[30,45,46]�；诮t外和中紅外激光在這些領(lǐng)域的重要性，獲得寬調(diào)諧和高功率的近紅外和中紅外激光光源勢(shì)在必行。1.1.2近紅外和中紅外激光的產(chǎn)生為了滿足自由空間光通信、痕量氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物醫(yī)學(xué)等多種應(yīng)用對(duì)光源的需求，首先需要研制具有寬調(diào)諧、高功率等優(yōu)點(diǎn)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(jí)聯(lián)激光器雖然能夠獲得寬調(diào)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(diào)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(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用[52-55]。固體激光器雖然可以獲得瓦級(jí)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(zhǎng)的可調(diào)諧范圍較窄[62-69]。與以上產(chǎn)生紅外激光的方式相比，光學(xué)參量振蕩器[70-73](OpticalParametricOscillator,OPO)具有三個(gè)優(yōu)勢(shì)，首先利用OPO獲得的激光波長(zhǎng)可以從紫外調(diào)諧到中遠(yuǎn)紅外波段，且容易實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的快速調(diào)諧；其次是OPO的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)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O(shè)PO是獲得寬調(diào)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(nèi)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(hào)光或者閑置光共振即可，設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，而且在沒有外部伺服系統(tǒng)鎖定時(shí)，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(diào)諧和高功率紅外激光的最佳選擇。圖1.31.064μm激光泵浦時(shí)，SRO的非穩(wěn)閾值隨激光波長(zhǎng)的變化[74]對(duì)于SRO而言，可以選擇信號(hào)光或者閑置光在腔內(nèi)單共振。而對(duì)于腔內(nèi)共振光波長(zhǎng)的選擇已有研究人員報(bào)道過，2010年，C.R.Phillips等人通過理論計(jì)算了利用1.064μm激光泵浦基于PPLN晶體的SRO時(shí)，SRO的非穩(wěn)閾值與共振光波長(zhǎng)的關(guān)系，如圖1.3所示[74]。從圖中可以看出，選擇較短波長(zhǎng)的激光在腔內(nèi)共振時(shí)，SRO的非穩(wěn)閾值比長(zhǎng)波長(zhǎng)要高。而且在泵浦激光波長(zhǎng)為1.064μm時(shí)，PPLN、MgO:PPLN、PPLT等晶體對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)激光的吸收是短波長(zhǎng)激光的5倍以上[75-77]，如果選擇閑置光作為共振光，則會(huì)導(dǎo)致SRO閾值增大、輸出功率降低、轉(zhuǎn)換效率降低，而且輸出激光


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