【摘 要】
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2.1μm激光在空气中有很强的穿透能力并且处于水吸收较强的波段,在激光雷达、激光测距和激光医疗等许多领域有十分重要的应用前景。但目前2.1μm激光器的结构都较为复杂,体积庞大,为简化现有2.1μm激光器的物理结构,本文以钕离子掺杂的MgO:PPLN晶体为自变频介质,将增益过程和光参量振荡（QPM-OPO,Quasi-Phase Matching Optical Parametric Oscilla
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2.1μm激光在空气中有很强的穿透能力并且处于水吸收较强的波段,在激光雷达、激光测距和激光医疗等许多领域有十分重要的应用前景。但目前2.1μm激光器的结构都较为复杂,体积庞大,为简化现有2.1μm激光器的物理结构,本文以钕离子掺杂的MgO:PPLN晶体为自变频介质,将增益过程和光参量振荡（QPM-OPO,Quasi-Phase Matching Optical Parametric Oscillator）过程统一,以单一Nd:MgO:PPLN晶体实现自光参量振荡。开展了基于Nd3+掺杂MgO:PPLN晶体的2.1μm自光参量振荡激光器的研究。理论方面,分析了Nd:MgO:LN晶体的吸收发射特性和不同温度下晶体的折射率变化规律。建立了晶体热效应模型,模拟了不同泵浦光斑半径与功率下晶体温度分布,并基于此结合温度调谐曲线分析了晶体温升热膨胀对2.1μm简并波长的影响,最终确定了晶体极化周期为32.55μm。基于ABCD矩阵理论模拟了基频光光斑与参量光光斑的分布变化,优化了基频光光斑与参量光光斑的匹配模式。其次对超阈值倍数进行模拟分析,通过优化选用相对较高的2.1μm简并光输出镜反射率降低参量光阈值。最后建立了主动调Q速率方程理论模型。并模拟得到了基频光与参量光在60k Hz重频下,获得了最窄的脉宽为40.76 ns和5.39 ns。实验方面,开展了短腔与复合腔自OPO基频光实验研究。在复合腔型下,泵浦功率为27.58 W时,获得了9.12 W的单1084 nm基频光连续输出。当重率为60 k Hz时得到了基频光最高输出功率8.68 W,脉宽为55.45 ns。在此基础上进一步开展了2.1μm自OPO实验研究。当设置温度为70℃,重频60 k Hz时,获得了中心波长为2168nm简并光,线宽为86.4nm,最高1.13 W的2.1μm激光输出,其脉冲宽度为8.41 ns,基频光-参量光转换效率为13.03%。实验结果基本上与理论分析一致,验证了基于Nd:MgO:PPLN晶体的2.1μm简并激光自光参量振荡输出的可行性,并实现了2.1μm激光器的整机小型化。
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