內容簡介
     《全固態多光參量振蕩激光技術研究》主要講述瞭全固態多光參量振蕩激光技術的應用背景和發展趨勢以及作者近年來在該領域取得的一些研究成果,包括多重準相位匹配超晶格材料極化結構設計,多光參量振蕩器輸齣特性及調諧特性研究,特彆對多重準相位匹配技術、電場調諧技術進行瞭闡述,並進一步分析瞭多光參量振蕩過程能量逆轉換問題,並介紹瞭基於電場調控的逆轉換抑製新方法。
  《全固態多光參量振蕩激光技術研究》既可作為高等院校有關專業的教學參考書,也可供本領域科技工作者閱讀參考。     
內頁插圖
          目錄
   第1章 全固態多光參量振蕩器概述
1.1 研究背景與意義
1.1.1 光學參量振蕩器發展現狀
1.1.2 多光參量振蕩器概念
1.1.3 多光參量振蕩器研究意義
1.2 準相位匹配光學參量振蕩器研究概況
1.2.1 連續運轉的QPM-OPO國內外研究現狀
1.2.2 脈衝運轉的QPM-OPO國內外研究現狀
1.3 準相位匹配多光參量振蕩器研究進展
1.3.1 多晶體串接QPM-MOPO研究進展
1.3.2 周期級聯QPM-MOPO研究進展
1.3.3 單周期二次泵浦QPM-MOPO研究進展
1.4 小結
第2章 多重準相位匹配超晶格極化結構設計
2.1 引言
2.2 準相位匹配理論
2.2.1 相位匹配原理
2.2.2 準相位匹配技術原理
2.2.3 準相位匹配技術特點
2.3 多重準相位匹配技術
2.3.1 多重準相位匹配理論概述
2.3.2 多重準相位匹配準周期極化結構
2.3.3 多重準相位匹配非周期極化結構
2.4 鈮酸鋰超晶格材料基本特性
2.4.1 LiNb03晶體極化結構及其摻雜屬性
2.4.2 LiNb03超晶格物化性質與光學特性
2.5 MgO:QPLN/APLN極化結構設計
2.5.1 MgO:QPLN極化結構設計
2.5.2 非周期極化結構設計的優化算法
2.5.3 MgO:APLN極化結構設計
2.6 小結
第3章 多光參量振蕩器理論分析及參數優化
3.1 引言
3.2 內腔連續泵浦MOPO的參數優化
3.2.1 內腔連續泵浦MOPO的動力學模型
3.2.2 內腔連續泵浦MOPO諧振腔設計及優化
3.3 外腔脈衝泵浦MOPO的參數優化
3.3.1 外腔脈衝泵浦MOPO參量光增益
3.3.2 外腔脈衝泵浦MOPO閾值分析
3.3.3 外腔脈衝泵浦MOPO轉換效率與閾值關係
3.3.4 外腔泵浦光束聚焦與腔模匹配優化
3.4 小結
第4章 內腔連續泵浦多光參量振蕩器實驗
4.1 引言m
4.2 內腔連續泵浦多光參量振蕩器實驗裝置
4.3 內腔連續泵浦多光參量振蕩器輸齣特性測量
4.4 內腔連續泵浦多光參量振蕩器實驗結果分析
4.5 小結
第5章 外腔脈衝泵浦多光參量振蕩器實驗
5.1 引言
5.2 外腔脈衝泵浦多光參量振蕩器實驗裝置
5.3 高重頻1064nm脈衝泵浦源實驗研究
5.3.1 808nm泵浦Nd:YV04高重頻RTP電光調Q激光器
5.3.2 880nm泵浦Nd:YV04高重頻聲光調Q激光器
5.4 外腔脈衝泵浦多光參量振蕩器輸齣特性測量及分析
5.5 雙晶體串接多光參量振蕩器對比分析
5.6 小結
第6章 多光參量振蕩器電場調諧特性理論與實驗
6.1 引言
6.2 多光參量振蕩器電場調諧特性理論研究
6.2.1 LiNb03材料的綫性電光效應
6.2.2 LiNb03超晶格實現電場調諧的條件分析
6.2 .3基於MOPO的電場調諧特性理論模擬
6.3 多光參量振蕩器電場調諧特性實驗研究
6.3.1 多光參量振蕩器電場調諧裝置設計
6.3.2 多光參量振蕩器電場調諧實驗測量與分析
6.4 小結
第7章 多光參量振蕩過程中的逆轉換問題
7.1 引言
7.2 逆轉換成因及影響因素分析
7.2.1 逆轉換現象産生原理
7.2.2 MOPO逆轉換過程演化分析
7.2.3 MOPO逆轉換影響因素分析
7.3 電場調控MOPO逆轉換方案構想
7.3.1 LiNb03材料y嚮電光效應
7.3.2 基於PPLN極化結構Solc型濾波器原理
7.3.3 電場調控MOPO逆轉換方案設計
7.4 小結
第8章 總結與展望
8.1 本書研究工作總結
8.2 未來研究工作展望
參考文獻      
前言/序言
     光學參量振蕩技術是激光領域的一個重要技術分支,是近年來獲得近、中紅外可調諧激光的主要技術手段,這種激光在軍事、醫療、通信等領域均有廣泛應用。多光參量振蕩是實現同光譜區域激光多波長同步可調諧的有效途徑,這一概念的提齣,不僅延展瞭多波長激光的光譜覆蓋範圍,而且極大拓寬瞭光學參量振蕩技術的應用範疇。針對目前多光參量振蕩器技術上的局限及欠缺,本書重點開展瞭一種基於多重準相位匹配實現多光參量振蕩的全新技術研究,對於多光參量振蕩激光技術未來的推廣、應用具有重要研究意義和價值。
  本書總結瞭近幾年國內外光學參量振蕩器的研究進展以及多光參量振蕩激光技術的最新研究成果,提供瞭大量的資料、圖錶及數據,既有係統的理論分析、數據計算結果,又有具體激光器的設計參數及實驗結果。全書分為8章,具體內容如下。
  第1章全固態多光參量振蕩器概述。介紹瞭連續與脈衝兩種運轉方式的準相位匹配光學參量振蕩器目前國內外研究現狀,總結瞭三種實現多光參量振蕩及輸齣技術的研究進展情況,指齣開展全新運轉體製多光參量振蕩器研究的必要性。
  第2章多重準相位匹配超晶格極化結構設計。基於多重準相位匹配理論,以近化學計量比Mg0摻雜LiNb03為基質,采用斐波拉契二組元投影法和模擬退火算法優化設計瞭準周期與非周期形式極化結構,在單塊晶體內形成兩個倒格矢,實現對1.57μm、3.3μm和1.47μm、3.84μm兩對參量光的同時相位補償。
  第3章多光參量振蕩器理論分析及參數優化。主要針對內腔連續泵浦和外腔脈衝泵浦兩種工作形式的多光參量振蕩器,由相應的動力學模型、增益特性、閾值特性、腔模匹配等入手,進行瞭光參量振蕩器耦閤透過率、泵浦功率、腔型結構等相關重要參數的理論分析及模擬優化,給定瞭最佳取值範圍。
  第4章內腔連續泵浦多光參量振蕩器實驗。實驗對比分析瞭內腔連續泵浦多光參量振蕩器不同極化結構、不同耦閤輸齣鏡透過率、不同泵浦參數對多光參量振蕩器輸齣性能的影響。    
				
 
				
				
					探索光學的奧秘:一窺固態多光參量振蕩激光技術的研究前景  在探索物質世界最微觀的領域,以及在追求更高效、更精確的宏觀應用中,激光技術始終扮演著至關重要的角色。其中,全固態多光參量振蕩(OPO)激光器以其獨特的優勢,正在深刻地改變著激光科學與技術的發展軌跡。本文旨在為廣大讀者,尤其是對光學、激光技術、精密測量、材料科學及相關領域感興趣的科研人員、工程師和學生,提供一個關於全固態OPO激光器研究的全麵而深入的介紹,並在此基礎上,描繪齣其廣闊的研究前景與無限的潛在應用。  第一章:全固態OPO激光器的基本原理與核心優勢  要理解全固態OPO激光器的研究價值,首先需要對其基本原理有所掌握。光參量振蕩(OPO)是一種非綫性光學過程,其核心在於利用非綫性晶體將一個高能量的泵浦光(通常為激光)轉換成兩個或多個具有不同頻率(能量)的輸齣光束,即信號光和閑頻光,或者更多數量的光束。這些輸齣光束的頻率可以通過調整泵浦光、非綫性晶體的性質以及光路參數來實現精確的調諧,從而産生覆蓋範圍廣泛的光譜。  全固態OPO激光器與傳統的OPO係統相比,其顯著的“全固態”特性至關重要。這通常意味著泵浦源本身是固態激光器,並且作為OPO增益介質的非綫性晶體也是固態材料。相較於氣體激光器或染料激光器作為泵浦源,固態激光器具有結構緊湊、效率高、壽命長、輸齣模式穩定等優勢。而作為OPO核心的非綫性晶體,其材料選擇與性能直接決定瞭OPO的轉換效率、調諧範圍、輸齣功率以及工作波段。  全固態OPO激光器之所以備受矚目,源於其不可比擬的核心優勢:     寬光譜調諧性: 這是OPO最顯著的特點。通過更換非綫性晶體、改變晶體角度或溫度,以及改變泵浦光波長,可以實現從紫外到中紅外甚至太赫茲波段的連續或分立光譜調諧。這種靈活性是許多其他激光器難以比擬的。    高效率的光譜轉換: 現代非綫性光學材料的發展,使得OPO能夠實現極高的光參量轉換效率,甚至可以接近甚至超越泵浦激光器的效率。    高輸齣功率與高光束質量: 通過優化設計和泵浦源的選擇,全固態OPO可以輸齣高功率的激光,同時保持良好的光束質量,這對於許多高強度應用至關重要。    緊湊便攜性: 相比於依賴液體或氣體介質的OPO係統,全固態OPO結構更加緊湊,易於集成和移動,為現場應用提供瞭可能。    可産生特殊波長: OPO能夠生成許多傳統激光器難以獲得的特定波長,例如某些具有高選擇性的吸收譜段,這在光譜分析和科學研究中具有重要價值。    多波長輸齣能力: 通過設計,一個OPO係統可以同時産生多個獨立調諧的光束,為光譜成像、多通道傳感等復雜應用提供瞭平颱。  第二章:全固態OPO激光器的關鍵技術研究方嚮  全固態OPO激光器的研究是一個多學科交叉的前沿領域,涉及光學、材料科學、電子工程、精密機械等多個方麵。其研究內容主要集中在以下幾個關鍵方嚮:  1.  高性能非綫性光學晶體材料的開發與應用:        新材料的探索與閤成: 尋找具有更高非綫性係數(deff)、更寬的透明窗口、更好的熱導率、更低的損傷閾值以及更易於加工的晶體材料是OPO發展的根本驅動力。例如,近年來崛起的周期性極化(PP)材料,如周期性極化鈮酸鋰(PPLN)、周期性極化磷酸鉀(KTP)等,通過工程化製備,能夠實現相位匹配,極大地拓展瞭OPO的工作波段和效率。        晶體性能的優化與錶徵: 對現有晶體材料的非綫性係數、雙摺射特性、熱光效應、光學損傷閾值等關鍵參數進行精確測量與錶徵,是設計高性能OPO係統的基礎。        晶體加工與封裝技術: 高質量的晶體切割、拋光、鍍膜以及可靠的封裝技術,直接影響OPO係統的穩定性和壽命。  2.  高效穩定的泵浦源技術:        高功率固態激光器: 泵浦源的功率、光束質量和穩定性是OPO性能的決定性因素。高功率、單模輸齣的DPSS激光器(如Nd:YAG、Yb:YAG、YLF等)或光縴激光器,是理想的泵浦源選擇。        短脈衝泵浦源: 為瞭實現寬帶光譜調諧和高轉換效率,納秒、皮秒甚至飛秒脈衝的激光器作為泵浦源越來越受到重視。這涉及到激光器的鎖模、脈衝壓縮等技術。        泵浦源的穩定性與可靠性: 泵浦源的功率波動、模式不穩或溫度變化都會直接影響OPO的輸齣穩定性,因此,開發高穩定性、長壽命的泵浦源是關鍵。  3.  OPO諧振腔設計與優化:        諧振腔模式: OPO的諧振腔設計直接決定瞭輸齣光的模式、光束質量和功率。研究不同類型的諧振腔,如單程OPO、半奏腔OPO、全奏腔OPO、綫性腔OPO、環形腔OPO等,以適應不同的應用需求。        相位匹配條件的實現: 在OPO過程中,能量守恒和動量守恒是必須滿足的條件。實現有效的相位匹配是OPO工作的關鍵,這通常通過角度匹配、溫度匹配或非周期性極化(NPP)技術來實現。        腔內損耗的降低: 諧振腔內的光學元件(如反射鏡、晶體)的損耗會顯著降低OPO的效率。優化鍍膜技術,減少光學元件錶麵的散射和吸收,是提高效率的重要途徑。  4.  OPO的調諧機製與控製:        連續調諧技術: 通過微調非綫性晶體的角度、溫度或泵浦光波長,可以實現OPO輸齣光譜的連續調諧。        寬光譜覆蓋: 研究如何通過多級OPO、級聯OPO或利用不同非綫性晶體組閤,來實現從紫外到紅外乃至太赫茲波段的寬光譜覆蓋。        快速調諧與動態控製: 開發能夠實現快速、動態光譜調諧的OPO係統,對於實現實時光譜測量和動態響應應用至關重要。這可能涉及到電光效應、聲光效應或MEMS技術在晶體驅動中的應用。  5.  多光參量振蕩(MOPO)與多輸齣OPO的研究:        同時産生多個不同波長的光: MOPO允許多個信號光和閑頻光同時産生,這為多通道光譜分析、光通信、量子信息等領域提供瞭強大的工具。        協同輸齣與獨立控製: 研究如何實現多個輸齣光之間的協同或獨立控製,以滿足復雜應用的需求。        設計與實現復雜MOPO係統: 這需要精密的腔設計,對多個非綫性相互作用過程進行精確控製。  6.  OPO的穩定性與可靠性提升:        熱效應的補償: 非綫性晶體在高功率泵浦下容易産生熱透鏡效應,影響OPO的腔長穩定性和輸齣質量。研究主動或被動熱補償技術是提升穩定性的關鍵。        環境因素的抗擾: 溫度、濕度、振動等環境因素都會影響OPO的性能。開發具有良好環境適應性的OPO係統是其走嚮實際應用的重要一步。        長期穩定性測試與壽命評估: 對OPO係統進行長期的穩定運行測試,評估其關鍵部件(如非綫性晶體、泵浦源)的壽命,是確保其工程應用可行性的重要環節。  第三章:全固態OPO激光器的應用前景展望  全固態OPO激光器憑藉其獨特的性能優勢,在眾多科學研究和工程技術領域展現齣巨大的應用潛力,其研究成果將直接推動相關領域的進步。  1.  科學研究領域:        光譜學與分子診斷: OPO能夠提供高分辨率、可調諧的激光源,用於探測物質的吸收、激發和拉曼光譜,這在化學分析、生物醫學診斷(如早期癌癥檢測、疾病標記物識彆)、環境監測(如汙染物追蹤)等方麵具有重要價值。例如,在中紅外波段,OPO可以精確地匹配許多生物分子和化學物質的特徵吸收峰,實現高靈敏度、高選擇性的檢測。        原子與分子物理: 在原子光譜學、冷原子物理、量子模擬等研究中,需要精確調諧到特定能級的激光,OPO是實現這一目標的理想工具。        材料科學與固態物理: 通過OPO産生的特定波長的激光,可以用於激發或探測材料的光學、電學、磁學性質,研究材料的激發態動力學、非綫性光學效應等。例如,在半導體研究、納米材料錶徵中,OPO可以提供強大的研究手段。        激光誘導擊穿光譜(LIBS): 利用OPO産生的激光,可以實現對元素組成的精確分析,尤其是在難以直接采樣的現場或微小樣本分析中。  2.  工業與商業應用:        激光加工與製造: 特定波長的激光在材料加工(如精密切割、焊接、錶麵處理)中具有獨特的優勢,OPO能夠提供這些特定波長的光源,並且可以根據加工需求進行靈活調諧。        光學相乾層析成像(OCT): OPO的寬帶調諧能力可以用於開發更高分辨率、更深穿透能力的OCT係統,在生物醫學成像(如眼科、皮膚科、血管成像)和材料無損檢測領域有廣泛應用。        激光雷達(LIDAR)與遙感: OPO可以用於構建多波段、多功能的LIDAR係統,提高目標探測、距離測量、大氣成分分析等方麵的性能。        激光誘導熒光(LIF)與拉曼光譜: 在食品安全檢測、文物保護、礦物勘探等領域,LIF和拉曼光譜技術應用廣泛,OPO可提供最優化的激發光源。        光通信: OPO産生的可調諧激光可以用於開發下一代光通信係統,實現更高的傳輸容量和更靈活的信道選擇。  3.  國防與安全領域:        目標識彆與僞裝探測: 利用OPO産生的特定波長激光,可以有效探測和識彆各種目標,特彆是利用其光譜特性分辨目標與背景。        激光對抗與定嚮能武器: 高功率、可調諧的OPO激光器在激光對抗、目標毀傷等軍事應用中具有潛力。        化學和生物威脅探測: OPO在中紅外波段的強大探測能力,使其成為探測化學製劑、爆炸物和生物毒素等威脅物質的有效工具。  結論:  全固態多光參量振蕩激光技術,作為現代激光技術發展的前沿,正以其卓越的光譜調諧性、高效的光譜轉換能力以及日益增長的應用潛力,吸引著全球科研界的目光。對其關鍵技術的深入研究,包括高性能非綫性晶體材料的開發、高效穩定的泵浦源技術、精密的腔設計與控製,以及對多光參量振蕩現象的深入理解,將不斷推動該領域的技術突破。  本文所概述的研究方嚮和應用前景,僅僅是全固態OPO激光器廣闊天地中的一隅。隨著技術的不斷進步,我們有理由相信,全固態OPO激光器將在未來的科學探索、工業生産、醫療健康以及國防安全等領域,發揮越來越重要的作用,為人類社會的發展帶來新的機遇與變革。對於緻力於光學和激光技術的研究者而言,這是一個充滿挑戰與希望的領域,值得投入無限的熱情與智慧去探索其深邃的奧秘。