摘要
皮秒红外激光在光谱分析、高次谐波产生、激光探测、激光雷达、材料加工、生物医疗等领域有着重要的应用。基于成熟1μm激光进行非线性光学频率变换是获得皮秒近/中红外波段激光的有效手段，也是国内外研究的热点之一。常见的皮秒激光器重复频率高，但在降低重复频率至kHz量级实现光参量变频输出时存在技术困难。另一方面，被动调Q微片激光器具有体积小、重量轻、价格低等优点，但限于其kHz量级的、不稳定的重复频率，难以实现光参量变频输出。本论文围绕kHz量级重复频率下的皮秒光参量变频技术进行了理论和实验研究，取得创新成果如下: 1.提出了一种新型多级光参量产生-光参量放大(OPG-OPA)变频方式。该方式要求基频泵浦光的光斑模式与光参量变频装置的稳定模式匹配，且能够输出光束质量良好、单脉冲能量较高的的参量变频光，为千赫兹重复频率下获得高光束质量、高能量的皮秒近/中红外波段激光探索了一条新的途径。依据耦合波方程，推导了多级OPG-OPA过程的阈值计算公式，并依此分析了脉宽、晶体长度、光斑半径、OPA级次等对装置阈值的影响，理论计算结果和实际结果符合较好，阈值分析对多级OPG-OPA装置的设计起到指导性作用。开展了基于锁模激光的三级OPG-OPA验证实验研究。采用半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模激光注入的再生放大器做基频源，3对走离补偿的KTP晶体和周期透镜阵列用于光参量变频。在注入基频功率3W、重复频率10kHz、脉宽86ps下，成功获得了波长1.77μm、最高单脉冲能量为58.5μJ的红外信号光输出。在当前kHz量级、低于100ps的光参量变频装置中尚未见更高单脉冲能量报道。信号光光束质量因子可以优化提高至Mx2=1.87，My2=2.16。 2.开展了基于被动调Q微片激光的四级OPG-OPA实验研究。采用多级行波放大后的被动调Q微片激光器做基频源，4个KTA晶体和周期透镜阵列用于光参量变频。在注入基频功率3.8W、重复频率10kHz、脉宽390ps下，成功获得了获得1.54μm波长、最高单脉冲能量64.3μJ的信号光输出和3.5μm波段、最高单脉冲能量28.3μJ的闲频光输出。闲频光的光束质量因子可以优化提高至Mx2=1.73，My2=1.80。多级OPG-OPA技术和被动调Q微片激光的结合有望以更低成本和更小的体积实现皮秒光参量变频激光输出。 3.提出了一种基于被动调Q微片激光的脉冲串式同步泵浦光参量振荡方案。方案通过把单个脉冲分成脉冲间隔相同的脉冲串后，再进行同步泵浦光参量振荡，而避免了被动调Q微片激光固有的脉冲间隔抖动对同步泵浦光参量振荡的影响。依据耦合波方程，推导出了脉冲串式同步泵浦光参量振荡器的阈值计算公式，并分析了脉冲串中脉冲数目、脉宽、晶体长度、光斑半径等对阈值的影响，同时分析了该技术的可行性，为未来通过该技术实现基于被动调Q微片激光的低成本、小型化千赫兹光参量激光器的研制奠定了基础。
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