单共振光学参量振荡器的经典和量子特性的理论和实验研究
发布时间：2021-10-30 02:06
近红外和中红外经典和量子光源在光谱分析、大气污染监测、生命科学以及量子保密通信和量子精密测量等领域具有重要的应用。为了能够满足近红外和中红外光源在这些领域的需求,本文开展了单共振光学参量振荡器（SRO）经典和量子特性的实验和理论研究。主要研究内容如下:1、研究了驻波腔和环形腔SRO获得信号光和闲置光的波长调谐特性以及输出特性。首先根据理论计算设计了基于PPLN晶体的驻波腔和环形腔SRO,通过PPLN晶体的极化周期和温度调谐,两种SRO均可获得调谐范围分别为1.4μm-1.7μm和3.9μm-2.6μm的信号光和闲置光输出。然后实验研究了SRO的输出特性。在晶体极化周期为29.4μm、温度为120℃时,驻波腔SRO的阈值功率为3 W,在泵浦功率为15.5 W时,信号光和闲置光的输出功率分别为5.1 W和2.1 W（波长分别为1.522μm和3.533μm）,光光转换效率为46.5%;信号光和闲置光在4小时内的功率波动分别优于±2.77%和±2.79%、信号光的频率漂移优于±45 MHz。环形腔SRO的阈值功率为9 W,在泵浦功率为25 W时,信号光和闲置光输出功率分别为6.9 W和3.1...
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同波长激光在大气中的透射谱线
学参量振荡器的经典和量子特性的理论和实验研究2和3μm-5μm的激光位于大气窗口波段，对大雾、粉尘等具有较强的穿透能力，可以应用于自由空间激光通信、激光雷达等领域[17]。其中1.5μm激光在人眼中基本不透射，可以应用于人眼安全测距等领域[37]，而且由于1.5μm激光在光纤中的传输损耗仅为0.17dB/km[38]，因此可以应用于量子保密通信、量子密钥分发等实验研究[39-42]。波长位于3μm-5μm波段的激光，对碳水化合物(CH伸缩键)和具有NH或者OH伸缩键的分子具有很强的吸收带宽，例如NH3、C2H2、HCN、CO、CH4、O3、H2CO等，如图1.2所示[43]，并且因其高灵敏度和良好的特异性，可以应用于痕量气体检测和环境污染监测等方面[44]。图1.2多种分子伸缩键对应的光谱范围[43]另外，红外激光也可以广泛应用于石油管道中气体泄露的实时监测等工业过程中[29]，通过实时监测可以提高工业操作的安全性及有效性。在生物医学领域，红外激光光源对于需要高选择性或成像灵敏度的医药中间体、药品、麻醉药和生化药品等具有强的吸收带宽，可以应用于生物医学以及生命科学中相关气体的检测等领域[30,45,46]。基于近红外和中红外激光在这些领域的重要性，获得宽调谐和高功率的近红外和中红外激光光源势在必行。1.1.2近红外和中红外激光的产生为了满足自由空间光通信、痕量气体检测、环境监测和生物医学等多种应用对光源的需求，首先需要研制具有宽调谐、高功率等优点的红外激光光源。目前获得红外激光光源的方法有很多。其中量子级联激光器虽然能够获得宽调谐的激光输出，但输出功率较低[47-51]。而光纤激光器的输出功率虽然有所提高，但可调谐范围较窄，而且输出激光存在高的额外噪声，限制了其在很多领域的实际应用[52-55]。固体激光器虽然可以获得瓦级以上的红外激?
第一章绪论3于拉曼激光器，输出功率较低，且光纤易受到损伤，输出激光波长的可调谐范围较窄[62-69]。与以上产生红外激光的方式相比，光学参量振荡器[70-73](OpticalParametricOscillator,OPO)具有三个优势，首先利用OPO获得的激光波长可以从紫外调谐到中远红外波段，且容易实现波长的快速调谐；其次是OPO的结构简单，容易实现全固化和小型化；最后利用OPO可以获得高功率和窄线宽的红外激光输出，且输出激光的稳定性很好。所以OPO是获得宽调谐、高功率和高稳定性红外激光的最佳选择。根据激光在OPO腔内共振的数量，可以将OPO分为单共振OPO(SinglyResonantOPO,SRO)、双共振OPO(DoublyResonantOPO,DRO)和三共振OPO(TriplyResonantOPO,TRO)。与DRO和TRO相比，SRO只需保证信号光或者闲置光共振即可，设计比较简单，而且在没有外部伺服系统锁定时，仍能获得稳定的红外激光输出。虽然SRO的阈值比DRO和TRO要高，但是SRO能够获得更高功率的激光输出。所以SRO是获得宽调谐和高功率红外激光的最佳选择。图1.31.064μm激光泵浦时，SRO的非稳阈值随激光波长的变化[74]对于SRO而言，可以选择信号光或者闲置光在腔内单共振。而对于腔内共振光波长的选择已有研究人员报道过，2010年，C.R.Phillips等人通过理论计算了利用1.064μm激光泵浦基于PPLN晶体的SRO时，SRO的非稳阈值与共振光波长的关系，如图1.3所示[74]。从图中可以看出，选择较短波长的激光在腔内共振时，SRO的非稳阈值比长波长要高。而且在泵浦激光波长为1.064μm时，PPLN、MgO:PPLN、PPLT等晶体对长波长激光的吸收是短波长激光的5倍以上[75-77]，如果选择闲置光作为共振光，则会导致SRO阈值增大、输出功率降低、转换效率降低，而且输出激光
本文编号：3465831
【文章来源】：山西大学山西省
【文章页数】：117 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同波长激光在大气中的透射谱线
学参量振荡器的经典和量子特性的理论和实验研究2和3μm-5μm的激光位于大气窗口波段，对大雾、粉尘等具有较强的穿透能力，可以应用于自由空间激光通信、激光雷达等领域[17]。其中1.5μm激光在人眼中基本不透射，可以应用于人眼安全测距等领域[37]，而且由于1.5μm激光在光纤中的传输损耗仅为0.17dB/km[38]，因此可以应用于量子保密通信、量子密钥分发等实验研究[39-42]。波长位于3μm-5μm波段的激光，对碳水化合物(CH伸缩键)和具有NH或者OH伸缩键的分子具有很强的吸收带宽，例如NH3、C2H2、HCN、CO、CH4、O3、H2CO等，如图1.2所示[43]，并且因其高灵敏度和良好的特异性，可以应用于痕量气体检测和环境污染监测等方面[44]。图1.2多种分子伸缩键对应的光谱范围[43]另外，红外激光也可以广泛应用于石油管道中气体泄露的实时监测等工业过程中[29]，通过实时监测可以提高工业操作的安全性及有效性。在生物医学领域，红外激光光源对于需要高选择性或成像灵敏度的医药中间体、药品、麻醉药和生化药品等具有强的吸收带宽，可以应用于生物医学以及生命科学中相关气体的检测等领域[30,45,46]。基于近红外和中红外激光在这些领域的重要性，获得宽调谐和高功率的近红外和中红外激光光源势在必行。1.1.2近红外和中红外激光的产生为了满足自由空间光通信、痕量气体检测、环境监测和生物医学等多种应用对光源的需求，首先需要研制具有宽调谐、高功率等优点的红外激光光源。目前获得红外激光光源的方法有很多。其中量子级联激光器虽然能够获得宽调谐的激光输出，但输出功率较低[47-51]。而光纤激光器的输出功率虽然有所提高，但可调谐范围较窄，而且输出激光存在高的额外噪声，限制了其在很多领域的实际应用[52-55]。固体激光器虽然可以获得瓦级以上的红外激?
第一章绪论3于拉曼激光器，输出功率较低，且光纤易受到损伤，输出激光波长的可调谐范围较窄[62-69]。与以上产生红外激光的方式相比，光学参量振荡器[70-73](OpticalParametricOscillator,OPO)具有三个优势，首先利用OPO获得的激光波长可以从紫外调谐到中远红外波段，且容易实现波长的快速调谐；其次是OPO的结构简单，容易实现全固化和小型化；最后利用OPO可以获得高功率和窄线宽的红外激光输出，且输出激光的稳定性很好。所以OPO是获得宽调谐、高功率和高稳定性红外激光的最佳选择。根据激光在OPO腔内共振的数量，可以将OPO分为单共振OPO(SinglyResonantOPO,SRO)、双共振OPO(DoublyResonantOPO,DRO)和三共振OPO(TriplyResonantOPO,TRO)。与DRO和TRO相比，SRO只需保证信号光或者闲置光共振即可，设计比较简单，而且在没有外部伺服系统锁定时，仍能获得稳定的红外激光输出。虽然SRO的阈值比DRO和TRO要高，但是SRO能够获得更高功率的激光输出。所以SRO是获得宽调谐和高功率红外激光的最佳选择。图1.31.064μm激光泵浦时，SRO的非稳阈值随激光波长的变化[74]对于SRO而言，可以选择信号光或者闲置光在腔内单共振。而对于腔内共振光波长的选择已有研究人员报道过，2010年，C.R.Phillips等人通过理论计算了利用1.064μm激光泵浦基于PPLN晶体的SRO时，SRO的非稳阈值与共振光波长的关系，如图1.3所示[74]。从图中可以看出，选择较短波长的激光在腔内共振时，SRO的非稳阈值比长波长要高。而且在泵浦激光波长为1.064μm时，PPLN、MgO:PPLN、PPLT等晶体对长波长激光的吸收是短波长激光的5倍以上[75-77]，如果选择闲置光作为共振光，则会导致SRO阈值增大、输出功率降低、转换效率降低，而且输出激光
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