（光学工程专业论文）高功率脉冲光纤激光器及其泵浦的光参量振荡器研究.pdf

摘要 摘要 高功率脉冲光纤激光器具有高光束质量、高转换效率、高脉冲能量、较低热 效应等特点受到人们的广泛关注，最近几年来成为了国际科技界的研究热点。使 用高功率脉冲光纤激光器作为泵源，泵浦基于p p m g l n 晶体的光参量振荡器( o p o ) ， 可以产生高功率中红外激光输出，在光电对抗、红外干扰以及激光雷达等方面具 有重要应用。本论文主要目的是研究高功率的脉冲光纤激光器，获得几十n s 级 的高功率脉冲激光输出，并以此作为泵源，泵浦p p m g l n 晶体，获得高功率的中 红外激光输出。本论文主要包括三个方面的内容，声光调q 光纤激光器研究、m o p a 型脉冲光纤放大器研究以及光纤激光器泵浦的基于p p m g l n 晶体的光参量振荡器 研究。 。 声光调q 光纤激光器采用法布里一珀罗谐振腔结构，以大直径双包层掺镱光 纤作为增益介质，获得了稳定的高功率脉冲波形输出。系统地考虑了影响脉冲波 形稳定性的因素，包括声光调q 开关( a o m ) 与反射镜之间的距离、光纤长度、 泵浦功率以及重复频率等。使用自制光纤和l i e k k i 公司的熊猫型保偏光纤，分 别研制了随机偏振和线偏振光纤激光器，获得了脉冲激光输出功率分别为1 2 w 和 1 0 5 w ，激光输出脉冲稳定，脉宽分别为4 5 n s 和3 3 n s 。 分别采用固体激光器和全光纤型声光调q 光纤激光器作为种子源，研制了 m o p a 结构的高功率脉冲光纤激光器。固体激光器的光谱线宽较窄，在光纤放大器 运行过程中极易产生s b s 等非线性效应。调整种子激光的功率和重复频率，可以 有效抑制非线性效应，提高光纤放大器输出功率，最终在泵浦功率达到3 0 4 w 时， 获得线偏振输出功率2 0 w ，偏振抑制比大于1 4 d b 。全光纤型声光调o 光纤激光器 结构紧凑、功率较高，而且具有较大的光谱宽度，可增加s b s 等非线性效应的阈 值，减少非线性效应的影响。使用这种种子源的光纤放大器可以产生更高的输出 功率，在4 0 w 泵浦功率下，最终获得2 9 6 w 线偏振激光输出，偏振抑制比大于10 d b 。 以m o p a 型光纤激光器作为泵源，以p p m g l n 晶体为非线性材料，运行光参量 振荡器，获得了高功率中红外激光输出。首先，利用电光调q 固体激光器的高脉 冲能量，研究了l m m 厚度p p m g l n 晶体的抗光损伤特性，得到其损伤阈值约为 4 6 j c m 2 ，即4 6 0 m w c m 2 。其次以固体激光器作为种子源的光纤放大器泵浦o p o ， 在泵浦功率为1 5 2 w 时，1 6 0 2 n m 通道获得最高参量输出8 w ，对应3 1 6 3 n m 的闲散 浙江人学博l j 学位论文 光功率为2 5 w ，相应的斜效率约为6 9 ，光光转换效率为5 4 。在泵浦功率增长的 过程中，并没有发现功率饱和现象。再次，用全光纤结构的光纤放大器泵浦o p o ， 在泵浦功率为2 2 9 w 时，16 0 2 n m 通道得到最大参量输出11 7 w ，其中闲散光3 16 3 n m 功率为3 3 w ，光光转换效率为5 1 9 ，其运行过程中出现一定的功率饱和现象。 分析认为，闲散光吸收引起的热透镜效应是引起功率饱和现象的主要原因。腔镜 结构、泵浦光光斑大小以及散热系统的设计，对谐振腔内的热透镜效应有明显的 影响。 关键词：光纤激光器放大器、声光调q 、m o p a 、p p m g l n 、光参量振荡器 l l 人b s t r a c t a b s t r a c t h i g hp o w e rp u l s e df i b e rl a s e r s ，w h i c hd r a wal o to fa t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r s ， h a v eb e c o m et h ei n t e m a t i o n a lr e s e a r c hh o t s p o tb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e ss u c ha sg o o d b e a mq u a l i t y , h i g he f f i c i e n c y ，e x c e l l e n th e a td i s s i p a t i o nc a p a b i l i t y , a n dc o m p a c t n e s s u s i n gt h eh i g hp o w e rp u l s e df i b e rl a s e ra st h ep u m ps o u r c e ，t h ep p m g i 。n - b a s e d o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o rc a na c h i e v eh i 曲p o w e ro u t p u ti nm i d - i n f r a r e dw a v e b a n d ， w h i c hc a nb eu s e di naw i d ev a r i e t yo f a p p l i c a t i o n ss u c ha sl i d a r ，i n f r a r e dj a m m i n g a n do p t o e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r e i nt h i st h e s i s ，t h em a i n w o r ki so nt h ed e v e l o p m e n t o ft h e h i g hp o w e rm u l t i - 10 n sp u l s e d f i b e rl a s e r sa n dt h e i r a p p l i c a t i o n o n p p m g l n b a s e do p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r t h et h e s i si sc o m p o s e do ft h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r k ：a c o u s t o o p t i c ( a o ) q - s w i t c h e df i b e rl a s e r , m o p as t r u c t u r e dp u l s e d f i b e r a m p l i f i e ra n dp p m g l n b a s e do p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r t h ea oq s w i t c h e df i b e rl a s e rw a ss e tu pw i t hf a b r y p e r o t c a v i t ys t r u c t u r e u s i n gal a r g em o d ea r e ad o u b l e c l a d d i n gf i b e ra st h eg a i nm e d i u m ，s t a b l eq s w i t c h e d s h o r tp u l s eh i g hp o w e rl a s e ro u t p u tw a sa c h i e v e d t om a i n t a i nt h el a s e rp u l s es t a b l e ， m a n yf a c t o r sw e r ec o n s i d e r e ds u c ha st h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea om o d u l a t o ra n dt h e r e f l e c tm i r r o r , t h el e n g t ho ft h ea c t i v ef i b e lt h ep u m pp o w e ra n dt h er e p e t i t i o nr a t e u s i n gt h eh o m e m a d ef i b e ra n dt h ep a n d ap mf i b e rf r o ml i e k k i ，w eo b t a i n e dr a n d o m p o l a r i z e do u t p u tp o w e ro v e r12 wa n dl i n e a r l yp o l a r i z e do u t p u tp o w e ro v e r10 5 w w i t hp u l s ed u r a t i o no f 4 5 n sa n d3 3 n sr e s p e c t i v e l y w ed e m o n s t r a t e dt w ok i n d sm o p as t r u c t u r e df i b e ra m p l i f i e r ；o n es e e d e db ya s o l i ds t a t el a s e ra n da n o t h e rs e e d e db yaq s w i t c h e df i b e rl a s e r b e c a u s eo ft h en a r r o w 1 i n e w i d t ho ft h es o l i ds t a t el a s e r , s e r i o u sn o n l i n e a re f f e c tw a so b s e r v e di nt h ef i b e r a m p l i f i e r b ya d j u s t i n gt h eo u t p u tp o w e ra n dr e p e t i t i o nr a t eo ft h es e e ds o u r c e ，t h e n o n l i n e a re f f e c tc o u l db es u p p r e s s e d w h e nt h ep u m pp o w e re x c e e d e d3 0 4 w , a m a x i m u ml i n e a r l yp o l a r i z e do u t p u tp o w e ro f2 0 ww a so b t a i n e d t h em e a s u r e d p o l a r i z a t i o n e x t i n c t i o nr a t i o ( p e r ) w a sg r e a t e rt h a n14 d b t h ef i b e r i z e da o q s w i t c h e ds e e dl a s e rh a sh i ；g ho u t p u tp o w e ra n dl a r g el i n e w i d t h ，w h i c hi ss u i t a b l ef o r s u p p r e s s i n gt h en o n l i n e a re f f e c t t h i sk i n df i b e ra m p l i f i e rh a sm u c hh i g h e ro u t p u t p o w e r a tt h ep u m pp o w e ro f4 0 彤am a x i m u ml i n e a r l yp o l a r i z e do u t p u tp o w e ro f 2 9 6 ww a so b t a i n e d t h em e a s u r e dp o l a r i z a t i o ne x t i n c t i o nr a t i o ( p e r ) w a s g r e a t e rt h a n 1 0 d b p p m g l n b a s e do p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o rp u m p e db ym o p as t r u c t u r e df i b e r i i i 浙江人学博i ：学化论文 a m p l i f i e rc a na c h i e v eh i g ho u t p u tp o w e r ah i g h e n e r g yp p m g l no p t i c a lp a r a m e t r i c o s c i l l a t o r ( o p o ) p u m p e db yf l e oq s w i t c h e dn d ：y a gl a s e rw o r k i n ga t1 0 6 4 p m w a ss u c c e s s f u l l yi l l u s t r a t e d t h ed a m a g et ot h ei n p u ts u r f a c eo fp p m g l nc r y s t a lw a s c a r e f u l l yo b s e r v e dw i t had a m a g et h r e s h o l do f4 6j c m 2 w h e np u m p e db yt h es o l i d s t a t el a s e rs e e d e df i b e ra m p l i f i e r , am a x i m u mp a r a m e t r i co u t p u to fo v e r8ww a s o b t a i n e dw i t h2 5wa t3 16g m t h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h eo p ow a sc o m p u t e d t ob e5 4 w i t has l o p ee f f i c i e n c yo f6 9 n os a t u r a t i o np h e n o m e n o nw a so b s e r v e di n t h ee x p e r i m e n t w h e np u m p e db yt h ef i b e rl a s e rs e e d e df i b e ra m p l i f i e r , am a x i m u m p a r a m e t r i co u t p u to fo v e r11 7w w a so b t a i n e dw i t h3 3 wa t3 16l a m t h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo ft h eo p ow a sc o m p u t e dt ob e5 1 9 t h es a t u r a t i o np h e n o m e n o nw a s o b s e r v e di nt h i se x p e r i m e n t i ti sd u et ot h ea b s o r p t i o no fp p m g l nw i t h i nt h ei d l e r w a v e l e n g t hb a n d t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eo p os y s t e m ，t h ec a v i t ys t r u c t u r e ， b e a m w i d t ho ft h ep u m ps o u r c ea n dt h ed e s i g no ft h ec o o l i n gs y s t e mm u s tb e o p t i m i z e d k c yw o r d s ：f i b e rl a s e r a m p l i f i e r , a oq - s w i t c h ，m o p a ，p p m g l n ，o p o i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位做作者躲墨兹袁签字吼叫年占月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘鲎可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：墨兹镌 签字日期：为口 年6 月专日 导师签名： 签字e t 期： 多日 致谢 致谢 在本论文顺利完成之际，向多年来一直给予我极大关怀和帮助的导师沈永行 教授表示最真诚的感谢。导师渊博的知识、敏锐的科学洞察力、严谨的科研作风、 忘我的工作精神以及对科研孜孜不断的追求精神使我受益非浅，是我今后从事工 作的榜样。导师提供了一流的科研工作平台以及与国内外同行交流的机会，使我 在学术研究方面有了更高的起点和更广阔的视野，为我今后的学术研究之路打下 了坚实的基础。 同时，特别感谢课题组孔剑副教授及吴波博士后在交流中给的建议，本论文 实验工作的顺利进行与他们无私的帮助密不可分。 感谢课题组的博士生杨丁中、汪园香、徐海斌、傅志辉、沈剑威、叶雯，硕 士生苏立钦及张振洲，本科生陈涛等，在众人的共同努力营造了一个良好的学习 科研环境，使我不断地感受到生活的充实和愉悦。 感谢夫人蔡双双博士一直陪伴左右，在学业上帮助鼓励、在生活上照顾包容， 生活只因有你才变得更加绚丽多彩! 感谢父母养育之恩，感谢他们对我一贯的支持、理解、鞭策、鼓励和帮助， 他们崇尚知识的理念和热爱生活的态度对我影响至深，并将继续鼓励、鞭策着我 不断前进。 最后，感谢各位业内资深专家对本论文的评审，谢谢你们的斧正。 姜培培 2 0 0 9 年6 月于求是园 第一章绪论 第一章绪论 高功率脉冲激光器可以产生高能量、窄脉冲激光，在非线性光学、材料制备、 光信息处理、医疗应用、激光雷达等众多科研和工业领域有广泛的应用。经过几 十年的发展，高功率、高亮度、高效率的传统固体激光器取得了极大的进步，能 够满足各种应用的需要。但是，因为固体激光器在高功率运行时，容易产生大量 热能导致出现热透镜现象，很难获得高光束质量的激光输出。另外，高功率固体 激光器体积庞大，不易集成化，对工作环境要求较高。薄片激光器是产生高功率 脉冲激光的另一种选择。由于结构上的特点，薄片激光器可以很好的解决热效应 问题，同时与传统固体激光器在设计上具有类似性。但是，薄片激光器需要在自 由空间添加很多光学元件，使得其系统复杂化。相对于固体和薄片激光器，光纤 激光器拥有很多优点。首先，稀土掺杂的玻璃光纤激光器比晶体材料作为基底的 固体激光器具有更高的效率；其次，玻璃基底的光谱增益范围比晶体中宽，使得 激光器更能适应宽带、可调谐应用；再次，光纤激光器在高功率泵浦下，散热更 加方便，基本没有热透镜效应；最后，光纤激光器输出激光的光束质量可以由光 纤结构决定，更加容易得到高光束质量激光输出。所以，高功率、高效率、高光 束质量、可调谐、结构紧凑的脉冲光纤激光器获得了越来越多研究小组的关注， 成为了新的研究热点。 高功率脉冲光纤激光器在科研领域中一个重要的应用，是作为非线性光学研 究的优质泵源。非线性光学是随着激光技术的出现而发展起来的一门新兴学科， 主要研究光与物质相互作用过程中出现的一系列现象，探索光与物质相互作用的 本质和规律。经过四十余年的发展，非线性光学作为一门崭新的科学分支得到了 飞速发展。其中，二阶非线性光学效应包括二次谐波产生、和频、差频、双光子 吸收、光参量振荡( o p o ) 等非线性光学频率变换技术的研究是非线性光学主要 领域之一。基于非线性光学频率变换技术，常规激光器的波长范围得到了极大扩 展，几乎覆盖了从紫外、可见到红外的整个光学波段，同时也延伸到了毫米波和 x 射线波段。在非线性光学频率变换技术的研究过程中，要想获得较高的非线性 转换效率，优质的泵浦源是非常重要的因素。使用高功率脉冲光纤激光器作为泵 浦源，非线性光频变换技术得到了更快速的发展。 浙 i ：人学博i j 学化论义 1 1 脉冲型光纤激光器发展概况与应用 1 1 1 光纤激光器发展历程 上个世纪6 0 年代，第一台稀土掺杂光纤激光器由e s n it z e r 【1 和 c j k o e st e r 2 】研制完成。他们采用灯泵的方法，分别于19 6 1 年和19 6 4 年报道 了掺n d 多组分玻璃光纤中的光放大结果。不久之后，光纤激光器被用于光学信 息处理方面的工作。1 9 6 6 年，k c k a o 和g a h o e k h a m 首先讨论了利用光纤作为 通信介质的可能性，提出了控制光纤损耗的技术途径 3 】。同一年，k o e st e r 考虑 了使用半导体激光器作为泵浦源的可能性【4 】。由于高质量泵浦源的缺乏，在此 之后光纤激光器的发展一直停滞不前。但是许多发展光纤激光器所必须的工艺渐 渐趋于成熟，低损耗的硅基光纤和半导体激光器已经商品化并且得到了广泛的应 用，同时基于硅基光纤的定向耦合器的制作工艺日渐完善。特别是高功率半导体 激光器的出现，为光纤激光器的泵浦源提供了解决方案。 19 8 6 年，英国南安普顿大学的r j m e a r s 等人报道了工作波长为1 5 5um 的 光纤激光器【5 】。他们采用分子化学气相沉积法( m c v d ) 制作掺e r 单模光纤，利 用单模半导体激光器作为泵浦源，获得了输出工作波长位于低损耗通信波段的光 纤激光器。这一研究成果的发表，使得光纤激光器再次成为人们的研究热点。此 后该校电子工程系和物理系的研究小组先后报道了光纤激光器的调q 、锁模、单 纵模输出和光纤放大器方面的研究工作。另外，德国汉堡的技术大学 6 】，n t t 【7 】， h o y a 8 】，日本的三菱 9 】，美国的p o l a r o i dc o r p o r a ti o n 10 】，斯坦福大学【1 1 】 和g t e 1 2 】等研究机构也在这个研究领域做出了相应的贡献。 单模半导体激光器的输出功率极小，而高功率半导体激光器一般为多模激光 输出，无法直接耦合进单模增益光纤纤芯内，单模光纤激光器的输出功率一直没 有得到发展。1 9 8 8 年，e s n i t z e r 再次首先提出了双包层光纤技术，通过将多模 泵浦光耦合进尺寸较大的内包层，泵浦激光在内包层内传输时会通过纤芯，从而 使纤芯吸收泵浦激光，获得高功率激光输出【13 】。双包层光纤技术的提出，使得 高功率光纤激光器得到了快速发展，光纤激光器的输出功率越来越高。 1 9 9 5 年，h m p a s k 等人获得了2 w 输出功率 1 4 】，1 9 9 7 年，d i n n is s 等人 获得了2 0 w 输出功率【15 】，同年，m m u e n d e l 等人获得了3 5 w 输出功率 16 】，19 9 9 年，v d o m i n i e 等人获得了1 10 w 输出功率 1 7 】，2 0 0 4 年，y j e o n g 等人获得了高 2 第一章绪论 达1 3 k w 激光功率输出【l8 】。在以上高功率的光纤激光器研究中，基本都是采用 掺y b 的光纤作为增益介质，工作波长位于1 “i l l 左右，同时是连续激光输出。现 在，高效率、长寿命、小体积、上千瓦功率输出的连续光纤激光器技术已经基本 成熟，商品化生产也已经实现。 1 1 2 脉冲型光纤激光器国内外研究现状 在连续型光纤激光器发展的同时，短脉冲高功率双包层掺y b 光纤激光器也 取得了飞速发展。在过去几年里，许多研究小组报道了m j 级调q 掺y b 光纤激光 器。2 0 0 1 年，c c r e n a u d 等人报道的光纤激光器获得了单脉冲能量7 7 m j ，脉冲 宽度3 0 0 n s 的多模激光输出 1 9 】。利用大直径双包层光纤，a p i p e r 等人在2 0 0 4 年报道了接近基模输出的光纤激光器，单脉冲能量为1 2 m j ，脉冲宽度4 0 n s 【2o 】。 脉冲光纤激光器的性能参数已经达到了传统的调q 固体激光器的水平，完全胜任 工业应用中的生产要求。 使用啁啾脉冲放大技术( c p a ) ，在大直径光纤中可以获得f s 级超短脉冲激 光输出。啁啾脉冲放大技术的主要作用是抑制光纤中的非线性光学现象。在f s 级种子脉冲激光进入增益光纤之前，先把脉冲展宽，可以有效提高非线性现象的 阈值，经过光纤放大之后，再将脉冲压缩到原来的f s 级别。利用这一技术，2 0 0 1 年a g a i v a n a u s k a s 等人利用芯径为5 0 ”m 的大直径掺y b 光纤产生了单脉冲能量 1 2 m j 、脉冲宽度3 8 0 f s 的激光输出【2 1 】。2 0 0 4 年，a m ali n o w s k i 等人利用芯径 4 0um 的光纤获得单脉冲能量4 0 0 n j 、脉冲宽度为110 f s 的单模激光输出【2 2 】。 与此同时，使用大直径光纤的单模a s 级主级振荡光纤放大器( m o p a ) 也取得 了较大发展。2 0 0 2 年，f d i t e o d o r o 等人使用v 值为7 4 左右的大直径多模光 纤，通过将光纤绕成直径为1 6 7 c m 的圆圈，抑制高阶模增益，最终获得单模激 光输出，单脉冲能量为2 5 5 “j ，脉冲宽度为0 8 n s 23 】。稍后，j l i m p e r t 等人 报道了掺y b 高能量1 1 s 级脉冲光纤放大器【2 4 】。在重复频率5 0 k h z ，输出脉冲宽 度为9 0 n s 时，获得最高平均功率约1 0 0 w ，单脉冲能量2 m j 。在重复频率3 k l t z 、 输出脉冲宽度为9 0 n s 时，获得最高平均功率为1 5 w ，单脉冲能量为4 m j 。由于在 许多应用领域中需要使用线偏振激光，基于保偏光纤的光纤激光器也获得了很大 发展。2 0 0 4 年，c h a v il a 等人报道了线偏振脉冲光纤激光器，使用m o p a 结构 在大直径保偏光纤中获得了单脉冲能量2 0 0 “j 、脉冲宽度0 8 n s 的线偏振激光输 出 2 5 】。2 0 0 5 年，a l i u 等人获得了11o w 的线偏振单模激光输出，并利用倍频 3 浙江人学博l ：学位论义 晶体获得了6 0 w 的绿光输出 2 6 】。2 0 0 8 年，n u f e r n 公司的v k h i t r o v 等人报道 了金光纤型5 0 w 输出的单模线偏振激光器 2 7 】，这是第一次报道金光纤型的高功 率线偏振光纤激光器。 从上个世界8 0 年代末和9 0 年代初开始，国内也开始开展光纤激光器领域的 研究工作，并取得了一些阶段性成果。清华大学、南开大学、中国科技大学、上 海光机所、西安光机所等科研单位在各自的研究领域都取得了一定的进展。最初 阶段，国内研究的热点集中在高功率连续型光纤激光器。1 9 9 8 年，南开大学在国 内率先展开了这方面的基础研究工作。通过与中国电子科技集团第4 6 研究所的 合作，制作出了国内第一根大直径、大数值孔径双包层光纤，并成功运用于激光 器研制中。2 0 0 2 年，中科院上海光机所利用波长9 15 n m 半导体激光器泵浦5 0 米 长的d 型双包层光纤，获得了4 9 w 的激光输出。在以后的几年里，双包层光纤 激光器的输出功率越来越高，在2 0 0 6 年1 1 月，上海光机所采用由烽火科技提供 的新型大模场直径双包层光纤，单根光纤获得了1 0 5 0 w 的激光输出，斜率效率为 7 8 。 在连续型光纤激光器获得k w 级输出功率的同时，脉冲型光纤激光器的研究 工作也取得了不错的成绩。利用固体激光器作为种子源，清华大学的巩马理小组 在2 0 0 6 年报道了m o p a 型线偏振脉冲光纤激光器，获得了5 0 w 的线偏振脉冲激光 【2 8 】，并对光纤激光器工作过程中的非线性光学现象进行了详细分析 2 9 】。采用 国内生产的双包层光纤，上海光机所的楼祺洪小组在2 0 0 7 年报道的声光调q 光 纤激光器，获得了单脉冲能量2 0uj ，脉冲宽度为3 5 n s 的稳定激光输出【3 0 】。这 些相关报道说明了国内脉冲光纤激光器的研究已经达到了较高水平。 本课题小组从2 0 0 6 年开始光纤激光器及其相关器件的研究工作，主要工作 内容包括光纤光栅的制作、单频光纤激光器、声光调q 光纤激光器以及高功率线 偏振m o p a 型脉冲光纤放大器。通过大家的共同努力，在各个研究方向上已经取 得了不少可喜的成绩。 1 1 3 脉冲型光纤激光器的应用前景 脉冲型光纤激光器具有接近衍射极限的光束质量、高转换效率、高稳定性、 小体积等优点，在工业加工、医疗、通信以及非线性光学等领域得到了广泛的应 用。 在工业加工方面，光纤激光器适用于激光雕刻、微加工、激光焊接和材料切 4 第一章绪论 割等各种应用领域。传统的固体激光器的转换效率比较低，在高功率工作过程当 中，有很大一部分能量转换为热能，容易产生热透镜效应，使得光束质量无法提 高。另外，固体激光器对于震动比较敏感，容易因为光学元件的移动引起系统性 能的不稳定，需要较高的维护费用。光纤激光器本身的光纤化优点决定了激光器 本身对震动不敏感，而且不需要对系统进行复杂调节，适合于在各种生产条件下 稳定运行。另外，光纤激光器具有稳定的功率输出和较好的光束质量，在微加工 领域具有明显的优势。 高功率光纤激光器具有很高的光束质量和定位精度，通过对激光电源的调制 可以对产品表面进行扫描打标。典型调q 固体激光器在打标过程当中，容易产生 非一致性的打标深度和宽度。特别是在半导体膜层上面的打标，不稳定的打标功 率可能会使得产品变形，危害产品的性能和寿命。利用光纤激光器产生的高稳定 脉冲，可以有效解决上述问题。 在激光医疗方面，功率达到几瓦的光纤激光器可以在显微外科手术当中扮演 重要角色。光纤结构的设计，使得激光输出端在手术中可以灵活使用。在医疗应 用过程中，根据不同医疗要求，需要不同波长的激光。人体组织对于2pm 波长 的激光具有较强吸收，所以该波段的光纤激光器适用于纤维外科手术。在治疗皮 肤疾病和去痣等方面，可见光波长的激光会更加适合。目前获得不同波长的激光 输出主要有以下几个手段：在光纤中掺杂不同的稀土离子、利用光纤中的非线性 效应或采用非线性激光晶体倍频等等。 在光通讯方面，随着信息社会的进一步发展，w d m 系统的传输速率达到了 4 0 g b i t s 。传统的单模光纤激光器输出功率只有m w 级别，远远满足不了日益增 长的通讯要求。高功率光纤激光器输出功率可以达到w 量级，在光纤通讯领域起 到了相当重要的作用。10 6 4 n m 波长的光纤激光器可以作为掺e r 光纤放大器( e d f a ) 的泵源。拉曼光纤放大器可以工作于光通信窗口的任意波长，利用高功率的光纤 激光器作为拉曼光纤放大器的泵源，对光信号进行放大，可以有效满足光通信传 输的需求。 在非线性光学频率转换研究领域，泵源的光束质量以及非线性晶体的性能参 数是影响非线性转换效率的主要因素。传统的固体激光器在高功率工作时，由于 热透镜效应，输出的激光光束质量不易控制，使得非线性转换效率低下。高功率 光纤激光器不需要对热现象进行特别处理，良好的散热特性和光纤本身特性使得 浙江人学博i j 学位论文 在高功率工作情况下，能够获得较好光束质量的激光，可以作为非线性光学研究 领域的优质泵源。 1 2 基于准相位匹配技术的光参量振荡器发展概况 1 2 1 准相位匹配技术简介 在非线性光学频率转换过程中，提高系统的非线性光光转换效率是需要考虑 的指标之一。要获得较高的非线性转换效率，除了要求非线性晶体有尽可能大的 非线性系数之外，还必须满足相位匹配条件。人们常使用的方法是双折射相位匹 配技术，利用单轴或双轴非线性晶体的双折射特性和色散特性，通过选择光波的 波矢方向和偏振方向来实现。双折射相位匹配技术依赖于非线性材料的特性和光 波的波矢和偏振方向，使得在特定的晶体材料上只能实现固定方向、固定波长的 相位匹配，大大限制了非线性光学频率转换技术的发展。 1 9 6 2 年，j a a r m s t r o n g 和诺贝尔物理学奖得主n b 1 e m b e r g e n 等人提出了 准相位匹配理论( q p m ，o u a s i - p h a s em a t c h i n g ) 3 1 1 。他们采用半经典理论，系 统地研究非线性光学相互作用，从理论上提出了利用非线性极化率的周期跃变来 提高非线性光学频率转换效率的可能性。几乎同时，p a f r a n k e n 与j f w a r d 也 从理论上研究了光的谐波产生的非线性光学过程，独立提出了相位匹配和准相位 匹配理论的基本思想 3 2 】。准相位匹配技术的主要思想是，在二次谐波的产生过 程中，如果采用某种手段使得失谐的相位发生1 8 0 度的突变，可以有效补偿不同 相位间的相位失配，使光的能量持续地从基频光往信号光转换，提高非线性光学 转换效率。 然而由于当时加工制作工艺的限制，在很长一段时间里都无法制造出满足准 相位匹配条件的晶体，使得准相位匹配技术仅仅停留在理论阶段，没有得到实际 的应用。上个世纪末，周期性极化制作工艺得到了快速的发展，特别是外加电场 极化法的发展使得满足准相位匹配条件的晶体开始走上光学平台，为非线性光学 频率变换领域的发展，提供了新的研究动力。 相比传统的相位匹配技术，准相位匹配技术具有很多优点 3 3 】。首先，o p m 技术不需要利用晶体的双折射效应，突破了材料内在特性的限制，利用晶体的周 期性极化结构来获得有效的能量转换，对任意晶体透光区内的任意波长的光波都 可以实现准相位匹配。其次，o p m 技术没有双折射特性的限制，可以任意选择三 6 第一幸绪论 种光波的偏振方向。为了使走离角为零，消除走离效应，可以使它们沿晶体的同 一晶轴方向传输。走离效应的消除，可以有效降低对入射角的要求，使得基波和 谐波等相互作用的光束能够严格限制在非线性晶体中，这样就可以使用较长的晶 体，获得较大的转换效率。再次，q p m 过程降低了对入射光束的要求，不再需要 正交光束，能够利用传统双折射相位匹配过程所达不到的高非线性系数，使得非 线性转换效率大大提高。最后，合理选择适当的极化周期，q p m 技术可以在任意 工作点实现非临界相位匹配。非临界相位匹配不但有效降低了对基波光束发散角 和晶体调整角的要求，而且可以实现较高的转换效率。 1 2 2 准相位匹配技术的发展与实现 准相位匹配技术可以极大地提高非线性光学转换效率，并且可以使那些在通 常条件下无法实现相位匹配的晶体和通光波段得以实现频率转换。因此自从准相 位匹配理论提出之后，人们一直在寻求各种方法来研制满足准相位匹配理论的晶 体材料。比较典型的方法包括薄片粘接法、化学扩散法、电子扫描法、晶体生长 法和高压电场极化法等等。 最早人们采用的是薄片粘接法，通过将不同极化方向的晶体粘接起来，实现 周期性极化反转，使晶体满足准相位匹配条件。19 7 6 年，m s p ilt c h 3 4 】及 m o k a d a 3 5 等人分别将c d t e 、g a a s 、l i n b o ，、石英晶体等晶体材料制作成薄片， 然后按照自发极化方向交替变化的方式粘接起来，实现了倍频输出。这种方法不 但工艺繁琐，重复性差，而且因为晶体薄片的厚度远大于相干长度，只能利用高 阶准相位匹配，导致非线性转换效率依然很低。第二种方法是化学扩散法，在制 作晶体的过程当中，通过不同化学材料的扩散作用来完成质子交换，从而改变晶 体的极化方向，实现周期性极化反转。1 9 7 9 年，日本的s m i y a z a w a 3 6 】在制作 钛扩散光波导的过程中发现了高温钛扩散可以使晶体中的铁电畴方向发生反转 的现象。这一发现后来被y is h i g a m e 等人【3 7 】用来制作t i 扩散准相位匹配倍 频器件。这种方法可以制作出质量较好的周期结构，而且制备的介质都很长，但 是扩散层很浅，为微米量级，只能制备波导型准相位匹配介质，不宜制作大尺寸 的准相位匹配晶体。第三种方法是电子束扫描法，使用电子束扫描使得晶体的畴 极化发生反转。1 9 9 1 年，h it o 等人 3 8 】利用电子束扫描法成功制作出周期性 极化反转的l i n b o ，晶体，并利用该晶体实现了倍频输出。这种方法重复率很低， 并且很难制作出光栅均匀的畴反转结构，其制备过程不宜进行大批量生产。第四 浙江大学博i j 学位论文 种方法是生长法，在晶体的生长过程中，控制温度的起伏等因素来实现畴极化反 转。这种方法的制作只是在l in b o ，、l i t a o ，和k n b o ，等晶体中取得了成功。从19 8 0 年开始，南京大学闵乃本院士领导的科研小组就开始了这方面的研究工作。他们 在c z o c h r als k i 提拉法生长晶体的过程中，控制晶体生长时的温度涨落，实现了 光学超晶格晶体的周期性畴极化反转。生产出的周期性畴极化反转晶体主要包括 l i n b o ，和l it a o ，两种 3 9 4 0 。用这种方法制备出来的晶体，通光面积大，可以 大量生产，但是，生长条件要求复杂，并且制备的准相位匹配介质周期不准，畴 边界不均匀，使得非线性转换效率很低。上面介绍的几种方法，都可以制作出周 期性极化的晶体材料。但是这些方法都有不同的缺点，使得制作出来的晶体材料 性能不够完善，准相位匹配技术的发展一度停滞不前。 最早提出使用高压电场极化法的是b f l e v i n e 等人 4 1 】，他们在19 7 5 年首 次提出了使用周期极化电场来调制非线性极化率、最终实现周期性极化反转的方 法。这一技术在发展初期并没有引起人们过多的关注，技术上的难点使其发展遇 到了障碍。1 9 9 3 年，m y a m a d a 等人【4 2 首次利用半导体光刻工艺与外加电场法 相结合的方法，有效地减少了边缘效应，成功地在铌酸锂晶体中制备出了周期性 畴极化反转结构。在此之后，高压电场极化法高速发展起来。上个世纪9 0 年代 中期，周期极化晶体的制作取得了突破性进展，l e m y e r s 等人在室温下对样品 进行了外电场极化，实现了铁电畴反转。斯坦福大学m m f e j e r 教授领导的研 究小组，从1 9 9 4 年开始这一方面的研究工作，在研究周期性畴极化反转铌酸锂 ( p p l n ，p e ri o d i c a ll yp o l e dl i n b o ，) 器件中发挥了重要作用。通过他们的研究， 进一步完善了该项技术，使得准相位匹配技术获得了进一步的发展。2 0 0 0 年， t h a t a n a k a 研制成功了2 m m 厚的p p l n 和p p l t ，同一年，j h e ll e s t r o m 研制成功 了3 m m 厚的p p k t p 【4 3 】。这些大尺寸晶体的制作成功，推动了周期极化晶体的应 用。 铌酸锂晶体具有很多优点，如较宽的透光范围( 0 4 - 5 9 i n ) 、较大的非线性系 数( 西，= 2 7 p m v ) 、相对低廉的价格、成熟的制备工艺等，在所有可实现周期性畴 极化反转的晶体中被研究得最为广泛。目前p p l n 的生产技术已经从传统的实验 室专用技术向商业生产发展，p p l n 的加工工业已经形成。目前，我国台湾的h c p h o t o n i c s 公司、美国的i n o 公司，加拿大的i s o w a v e 公司等都已经有p p l n 晶体 成品出售。 8 第章绪论 研究表明在铌酸锂晶体中掺入适量的m g o 不但可以极大地降低晶体矫顽场， 还可以大幅提高材料的抗光损伤阈值。1 9 9 6 年，日本的a k u r o d a 等人发现铌酸 锂晶体中掺杂5 m 0 1 m g o 可以使晶体在常温下的矫顽场降为无掺杂时的1 5 ( 4 4 5 k v m m ) ，更易实现铁电畴极化反转【4 4 。他们首次成功制备出p p m g l n ( p e r i o d i c a l l yp o l e dm g o d o p e d1i t h i u mn i o b a t e ) 晶体。采用液体电极，1 9 9 9 年，m n a k a m u r a 等人成功地制备出了长度大于3 0 m m 、畴周期大小为3 0 9 m 、厚度 为0 5 m m 、占空比接近1 ：1 的p p m g l n 晶体 4 5 】。 1 is hiz u k i 小组在p p m g l n 晶 体的制备方面始终处于世界领先水平。2 0 0 3 年，他们系统地研究了掺5 m 0 1 m g o 铌酸锂晶体在不同温度下的矫顽场大小，并采用油浴加热的方法控制反转畴的横 向膨胀速度，成功地制备出3