基于抗灰跡KTP晶體的單一及復(fù)合非線性頻率轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，簡(jiǎn)稱KTP)晶體具有非線性光學(xué)系數(shù)大，熱導(dǎo)率高，失配度小，激光抗損傷閾值高，不潮解及化學(xué)機(jī)械性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于中小功率Nd3+激光的倍頻。然而當(dāng)將其用于大功率1064nm激光倍頻以及532nm泵浦的OPO時(shí)，都會(huì)觀察到“灰跡效應(yīng)”(gray tracking effect)。在形成灰跡的區(qū)域，晶體對(duì)可見光及近紅外波段吸收顯著增加，導(dǎo)致非線性頻率轉(zhuǎn)換效率顯著下降，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致晶體發(fā)熱，造成永久性的

2、損傷。為解決這一問題，人們通過使用特殊的助熔劑和熱處理技術(shù)并更好地控制晶體生長(zhǎng)條件，生長(zhǎng)出了抗灰跡KTP晶體(Gray Track Resistance KTP，簡(jiǎn)稱GTR-KTP)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GTR-KTP較之普通KTP(common KTP，簡(jiǎn)稱CKTP)在吸收損耗控制及抗損傷閾值等方面均有大幅度提高。本文以全固態(tài)激光器為載體，從理論及實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)研究了GTR-KTP晶體參與的腔內(nèi)非線性頻率轉(zhuǎn)換過程，包括大功率倍頻、OPO、SRS

3、及復(fù)合頻率轉(zhuǎn)換過程。研究表明，由于GTR-KTP較CKTP在可見光及近紅外波段的吸收大大減少，其參與的非線性頻率轉(zhuǎn)化性能大為改善，如輸出功率、轉(zhuǎn)換效率、溫度特性及輸出光束質(zhì)量方面等：文中建立了相應(yīng)的速率方程組對(duì)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)行指導(dǎo)；鑒于GTR-KTP優(yōu)良的二階及三階非線性特性，本文還進(jìn)一步對(duì)其參與的并聯(lián)型復(fù)合頻率轉(zhuǎn)換進(jìn)行了有益的探索，拓展了晶體的應(yīng)用范圍。具體內(nèi)容如下：
　　 ⑴建立了考慮腔內(nèi)非線性頻率轉(zhuǎn)換過程的速率方程組，包括OP

4、O、一階及二階SRS過程。為了驗(yàn)證理論模型，以KTA晶體為頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)研究了其參與的IOPO及腔內(nèi)一階SRS過程，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，所建立的速率方程模型可以較好地描述相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程，這對(duì)GTR-KTP參與的腔內(nèi)非線性頻率轉(zhuǎn)換具有一定的理論指導(dǎo)意義。(第二章)
　　 ⑵對(duì)晶體進(jìn)行了抗灰跡性能測(cè)試，與CKTP相比，GTR-KTP抗灰跡性能顯著改進(jìn)；比較了GTR-KTP與CKTP在大功率腔內(nèi)倍頻的性

5、能差異。當(dāng)采用GTR-KTP時(shí)，在10kHz重復(fù)頻率和180W LD泵浦功率下，獲得了最大平均功率為40.6W的綠光輸出，這比相同實(shí)驗(yàn)條件下CKTP的綠光輸出功率提高了近50％；研究腔內(nèi)倍頻溫度特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)GTR-KTP的溫度帶寬大大優(yōu)于CKTP，并且觀察到腔內(nèi)、腔外倍頻時(shí)晶體的溫度調(diào)諧曲線有所差異；考慮到晶體對(duì)基波及二次諧波吸收不同會(huì)導(dǎo)致溫度特性的差異，提出了一種定性比較KTP晶體抗灰跡能力的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期較為吻合；在以上研究基

6、礎(chǔ)上，利用GTR-KTP晶體，試制了一臺(tái)可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的、輸出功率為20W的準(zhǔn)連續(xù)532nm激光器。(第三章)
　　 ⑶在理論上研究了shared cavity及coupled cavity兩種OPO結(jié)構(gòu)下的F-P透過率譜，發(fā)現(xiàn)shared cavity結(jié)構(gòu)的透過率帶寬遠(yuǎn)大于coupled cavity結(jié)構(gòu)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明shared cavity OPO輸出的信號(hào)光線寬確實(shí)大于coupledcavity結(jié)構(gòu)的。這為sha

7、red cavity OPO可以大幅改善輸出信號(hào)光功率穩(wěn)定性提供了合理的理論解釋。(第四章)
　　 ⑷考慮到GTR-KTP晶體在近紅外波段的吸收也大大小于CKTP，我們比較了二者參與的IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)特性。以LD端面泵浦聲光調(diào)Q Nd：YAG1064nm激光器作為激勵(lì)源并采用coupled cavity結(jié)構(gòu)，在重復(fù)頻率為15kHz和LD功率為11.4W時(shí)，GTR-KTP IOPO輸出的1572nm信號(hào)光最大平均功率1.2W，相應(yīng)的光

8、光轉(zhuǎn)換效率10.5％，這較之相同條件下CKTP IOPO的轉(zhuǎn)換效率提高了25％；進(jìn)一步研究了以LD端面抽運(yùn)Nd：YAG/Cr4+：YAG鍵合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光泵浦GTR-KTP的shared cavity OPO輸出特性。在LD功率為8.4W時(shí)，1572nm最大平均輸出功率為900mW，而相同條件下CKTP信號(hào)光的最大輸出功率只有640mW。利用第二章中的IOPO速率方程組，從理論上進(jìn)一步模擬了該Nd：YAG/Cr4+：YAG激光泵浦GT

9、R-KTP IOPO的輸出特性。結(jié)果表明，理論與實(shí)驗(yàn)可以較好的吻合。(第四章)
　　 ⑸首先測(cè)量了GTR-KTP自發(fā)拉曼散射光譜，并與相同規(guī)格KTA晶體的拉曼光譜做了比較，得到了GTR-KTP的相對(duì)拉曼增益系數(shù)；利用LD端面泵浦聲光調(diào)Q Nd：YVO41064nm激光器作為激勵(lì)源，實(shí)現(xiàn)了GTR-KTP腔內(nèi)二階SRS激光器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在重復(fù)頻率為20kHz及LD功率為9.5W時(shí)，1129nm最大平均功率為860mW，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換

10、效率及斜效率分別為9.1％和11.6％。與相同諧振腔參數(shù)下的CKTP SRS做比較發(fā)現(xiàn)，GTR-KTP SRS的轉(zhuǎn)換效率提高了近20％。結(jié)合第二章中給出的腔內(nèi)多階SRS速率方程組，對(duì)該Nd：YVO4/GTR-KTP二階拉曼激光器進(jìn)行了理論模擬；進(jìn)一利用LD端面泵一j浦Nd：YAG/Cr4+：YAG鍵合晶體作為激勵(lì)源，研究了被動(dòng)調(diào)Q下的GTR-KTP腔內(nèi)拉曼激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。當(dāng)LD功率為8.1W時(shí)，1129nm最大輸出功率為420mW，相

11、應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換及斜效率分別為5.2％和11.4％，相應(yīng)的脈沖寬度及重復(fù)頻率分別為2.2ns和5.9kHz。(第五章)
　　 ⑹實(shí)驗(yàn)研究了GTR-KTP參與的并聯(lián)型復(fù)合頻率轉(zhuǎn)換過程。將非臨界相位匹配的GTR-KTP及KTA放入一LD端面泵浦Nd：YAG/Cr4+：YAG激光器中，采用shared cavity OPO結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的晶體參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了1534nm及1572nm的雙波長(zhǎng)同步輸出。在LD泵浦功率為7W時(shí)，兩信號(hào)光的平均輸出功率

12、均為230mW，相應(yīng)的脈沖寬度和重復(fù)頻率均為3.9ns及5.5kHz；分別采用LD端面泵浦Nd：YAG聲光調(diào)Q及被動(dòng)調(diào)Q激光器作為激勵(lì)源，在一塊GTR-KTP晶體上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了OPO及SRS兩個(gè)過程，獲得了相應(yīng)的拉曼光及信號(hào)光輸出。主動(dòng)調(diào)Q情況下，在重復(fù)頻率15kHz及LD功率為10W時(shí)，1129nm及1572nm的平均輸出功率分別為150mW和180mW，相應(yīng)的脈沖寬度分別為22ns及3ns。被動(dòng)調(diào)Q情況下，通過更換適合的腔鏡，實(shí)現(xiàn)了復(fù)

13、合SRS+OPO的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在LD泵浦功率為8.6W時(shí)，一階拉曼光1096nm和信號(hào)光1572nm的平均輸出功率分別為1.1W和0.36W，相應(yīng)的脈沖寬度分別為2.8ns和1.1ns，重復(fù)頻率均為11.2 kHz。(第六章)
　　 本研究主要?jiǎng)?chuàng)新工作包括：①系統(tǒng)研究了GTR-KTP與CKTP在大功率1064nm倍頻中性能的異同，發(fā)現(xiàn)GTR-KTP在輸出功率、溫度特性及光束質(zhì)量方面較CKTP均大為提高及改善。②提出了一種定性比較K

14、TP晶體抗灰跡能力的方法。③對(duì)shared cavity OPO可以大幅改善輸出信號(hào)光功率穩(wěn)定性給出了合理的理論解釋。④以shared cavity結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了LD端面抽運(yùn)Nd：YAG/Cr4+：YAG鍵合晶體被動(dòng)調(diào)Q激光泵浦GTR-KTP IOPO。在LD功率為8.4W時(shí)，1572nm最大平均輸出功率為900mW，光光轉(zhuǎn)換效率為10.7％，此為shared cavity OPO下得到的最高效率。⑤首次測(cè)量了GTR-KTP自發(fā)拉曼散射光譜

15、，并得到了GTR-KTP相對(duì)與KTA的拉曼增益系數(shù)。研究了GTR-KTP參與的SRS轉(zhuǎn)換特性，在LD功率為9.5W時(shí)，1129nm最大平均功率為860mW，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率及斜效率分別為9.1％和11.6％。⑥對(duì)并聯(lián)型復(fù)合頻率轉(zhuǎn)換進(jìn)行了有益的探索。首次實(shí)現(xiàn)了基于GTR-KTP及KTA的復(fù)合OPO轉(zhuǎn)換，獲得了1534nm和1572nm信號(hào)光的同步輸出；首次以GTR-KTP為轉(zhuǎn)換介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了高效的OPO+SRS轉(zhuǎn)換，在LD泵浦功率為8.6W