论文部分内容阅读
8-12微米波段处于大气窗口，因此该波段的光源被广泛应用于包括光电对抗、环境监测和激光雷达等涉及大气传输的领域，而光束质量作为传输性能和光束聚焦能力的直接体现，对该波段的光源来说是一个至关重要的参数。8微米磷锗锌（ZGP）光学参量振荡器（OPO）就是其中一种非常有用的光源，而大能量输出的ZGP OPO却普遍存在光束质量差的问题，所以本论文旨在对大能量8微米ZGP OPO的光束质量做出研究，力求让其光束质量得到很好的改善。首先，为了满足8微米ZGP OPO对泵浦光源的需要，采用大能量高重频输出的2.09微米Ho:YAG激光振荡器作为其泵浦光源。通过热场理论和速率方程理论计算分析了该激光器的热性能和输出性能，并以此作为初步设计Ho:YAG激光器的依据和进一步优化的参考。随后进行实验研究，通过偏振隔离双端泵浦的方式解决了输出功率不高的问题，并通过设计腔内振荡光斑以及改变谐振腔结构进行热透镜补偿等方式解决了大能量脉冲输出时的损伤问题，最终得到1kHz重频下31mJ的脉冲能量输出，对应的脉冲宽度和光束质量M2因子分别为28ns和1.14，已经达到了ZGP OPO对泵浦源的要求。其次，利用设计的2.09微米Ho:YAG激光振荡器作为泵浦源，对8微米ZGPOPO的输出性能和光束质量进行了详细的理论分析和实验研究。理论上利用OPO运转所需要的动量守恒和能量守恒以及其他相关理论，计算得到了2.09微米泵浦下，实现8微米闲频光输出对应的信号光波长为2.829微米，相应的I类和II类相位匹配角分别为51.39°和65.12°，并对泵浦阈值、转换效率、接受线宽和接受角进行了相应的计算，I类和II类ZGP对应的接受角分别为3.93mrad和6.76mrad。实验上首先为了克服OPO输出功率不稳定造成的光束质量难以用移动刀口法进行测量的问题，提出了“功率对照法”，并实现了波动功率条件下光束质量的准确可靠测量。随后通过一系列系统的对比性实验，分别研究了腔长、相位匹配类型、谐振波长以及谐振腔结构对ZGP OPO光束质量的影响情况，经过分析后发现，腔长的增加有助于改善光束质量，II类相位匹配下腔长增加对光束质量的改善作用减弱，长腔长下I类相位匹配输出光束质量优于II类相位匹配，长波谐振比短波谐振更有助于高光束质量的输出，环形腔结构相比直腔结构能够显著提高输出光束质量，在腔长为120mm的环形腔结构下，I类相位匹配长波谐振ZGP OPO得到了非常高的光束质量输出，水平和垂直两个方向上的光束质量M2因子分别为1.20和1.22。所以，本论文在经过理论上和实验上对ZGP OPO的泵浦源Ho:YAG大能量激光器进行了验证之后，然后从理论上对ZGP OPO的性能进行了简单分析的基础上，对ZGP OPO的光束质量进行了实验研究和改善，并最终取得了水平和垂直方向上光束质量M2因子分别为1.20和1.22的8微米激光输出，达到了实用的要求。