工 学 硕 士 学 位 论 文35m 光 学 参 量 振 荡 器 优 化 设 计OPTIMIZATION DESIGN FOR 35 m OPTICALPARAMETRIC OSCILLATOR朱 国 利哈 尔 滨 工 业 大 学2008 年 6 月国 内 图 书 分 类 号 ： TN248.1国 际 图 书 分 类 号 ： 535工 学 硕 士 学 位 论 文35m 光 学 参 量 振 荡 器 优 化 设 计硕 士 研 究 生 ： 朱 国 利导 师 ： 鞠 有 伦 教 授申 请 学 位 级 别 ： 工 学 硕 士学 科 、 专 业： 物 理 电 子 学所 在 单 位： 光 电 子 信 息 科 学 与 技 术 系答 辩 日 期： 2008 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index： TN248.1U.D.C.： 535Dissertation for the Masters Degree in EngineeringOPTIMIZATION DESIGN FOR 35 m OPTICALPARAMETRIC OSCILLATORCandidate： Zhu GuoliSupervisor： Prof. Ju YoulunAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Physical ElectronicsUnit： Department of Opto-electronicsInformation Science and TechnologyDate of Oral Examination： June, 2008University： Harbin Institute of Technology哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文摘 要随 着 一 批 新 型 优 质 非 线 性 光 学 晶 体 的 发 明 、 生 长 成 熟 、 广 泛 应 用 以 及 非线性光学频率变换和可调谐光学技术的飞速发展，由光学参量振荡器（ OPO） 实 现 的 宽 频 可 调 谐 激 光 在 环 境 监 测 、 遥 感 、 医 疗 诊 断 和 治 疗 、 激 光光 谱 学 研 究 、 材 料 处 理 、 数 据 通 信 、 光 电 测 量 、 激 光 测 距 、 激 光 雷 达 、 光 电对 抗 等 领 域 已 显 示 出 重 大 的 应 用 价 值 ， 尤 其 在 现 有 激 光 器 输 出 波 长 所 不 能 涵盖 而 在 军 事 上 具 有 很 高 应 用 价 值 的 35m 这 一 中 红 外 波 段 的 光 源 ,在 国 内 外都 需 求 紧 迫 。 本 论 文 的 主 要 工 作 就 是 从 OPO 泵 浦 系 统 、 OPO 腔 长 、 OPO 输出 镜 反 射 率 入 手 完 成 对 35m ZnGeP2（ ZGP） OPO 的 优 化 设 计 。理 论 方 面 ， 分 别 从 OPO 泵 浦 源 Tm,Ho 激 光 系 统 和 OPO 相 关 理 论 两 个方 面 进 行 了 介 绍 和 分 析 。 关 于 Tm,Ho 激 光 系 统 ， 介 绍 了 Tm,Ho 系 统 主 要 能级 结 构 和 跃 迁 ， 重 点 分 析 了 Tm， Ho 系 统 的 上 转 换 效 应 。 OPO 方 面 ， 以 稳态 波 方 程 为 基 础 ， 理 论 分 析 了 OPO 的 增 益 、 阈 值 及 转 换 效 率 。实 验 方 面 ， 完 成 ZGP OPO 泵 浦 源 和 ZGP OPO 本 身 的 优 化 。 通 过 实 验完 成 了 对 Tm,Ho:GdVO4 晶 体 最 佳 泵 浦 波 长 、 Tm,Ho:GdVO4 晶 体 几 何 尺 寸 、Tm,Ho:GdVO4 晶 体 离 子 掺 杂 浓 度 的 合 理 选 择 ， 用 一 块 Tm,Ho:GdVO4 晶 体 获得 了 19.1W 的 2m 输 出 ， 斜 率 效 率 达 到 50.4%， 光 -光 效 率 达 到 46.4%。 谐振 腔 中 放 置 两 块 Tm,Ho:GdVO4 晶 体 ， 实 验 获 得 30.5W 连 续 、 29.3W 脉 冲2m 激 光 平 均 功 率 输 出 ， 连 续 时 对 应 光 - 光 效 率 达 到 45.9% ， 斜 率 效 率47.2%， 完 成 了 对 ZGP OPO 泵 浦 源 的 进 一 步 优 化 设 计 。 ZGP OPO 部 分 ， 分别 对 单 程 泵 浦 和 双 程 泵 浦 方 式 进 行 了 实 验 研 究 ， 重 点 研 究 了 单 程 泵 浦 的ZGP OPO， 通 过 理 论 分 析 和 实 验 完 成 了 对 单 程 泵 浦 ZGP OPO 泵 浦 耦 合 系统 、 泵 浦 功 率 密 度 、 腔 长 和 输 出 镜 反 射 率 的 合 理 选 择 ， 实 现 了 对 35m 光学 参 量 振 荡 器 的 优 化 设 计 ， 平 均 输 出 功 率 超 过 了 国 际 上 报 道 的 最 高 水 平 。关 键 词 中 红 外 激 光 器 ； ZGP 光 学 参 量 振 荡 器 ； Tm,Ho:GdVO4 晶 体 ； 转 换效 率 ； 光 束 质 量-I-哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文AbstractWith the invention、 growth of maturity、 extensive application of a newbatch of high-quality nonlinear optical crystal, as well as the nonlinear opticalfrequency conversion tunable optical technology and the rapid development ofoptical parametric oscillator (OPO) achieving the broadband tunable laser. thebroadband tunable laser have shown great value in environmental monitoring,remote sensing, medical diagnosis and treatment, laser spectroscopy research,material processing, data communications, optoelectronic measurements, laserrange finder, laser radar, photoelectric confrontation and other fields, particularlyin 35m, the existing Laser can not covered the mid-infrared region, thewavelength have great value by the military. At home and abroad, the infraredband of light are pressing needs. The main thesis of this work is optimizing the35m ZGP OPO by optimizing the OPO pump system、 OPO length、 OPOoutput lens.Theoretically, the OPO pump source and the theory about OPO were descriptand analysed. In Tm, Ho laser system, The Tm, Ho system、 level structure andthe main transition were introduced. The Tm,Ho up-conversion of the system wasexpecially focused. In the aspect of OPO theories, the gain, the threshold valueand efficiency of OPO were analyzed.Experimentally, the optimization of ZGP OPO pump source and the ZGPOPO of their own were completed. Through experiments, the pump wavelengthof Tm, Ho:GdVO4 crystals, the Tm, Ho:GdVO4 crystals geometry, theTm,Ho:GdVO4 crystals doped ion concentration were reasonable choiced. With aTm,Ho:GdVO4 crystals, 19.1W output power of 2m, the slope efficiency of50.4% and light-light conversion efficiency of 46.4 % were obtained. A CWoutput of 30.5 W and a pulse arerage output power 29.3 W were obtained for theresonator with two Tm, Ho: GdVO4 crystals. The slope efficiency of 47.2% andlight-light conversion efficiency of 45.9 % were obtained. The furtheroptimization design of the ZGP OPO pump source was completed. In the aspectof ZGP OPO, the one-way pump and two-way pump were researched in theexperimental methods. The one-way pump for ZGP OPO was focused. Through- II -哈 尔 滨 工 业 大 学 工 学 硕 士 学 位 论 文theoretical analysis and experimental research, the one-way pump for ZGP OPOin the pump coupling system, the pump power density, the OPO cavity lengthand the output-reflectivity were reasonable choiced. The optimal design of the35 m optical parametric oscillator with an average output power over thehighest level reported in the world was achieved.Key Words: Mid-infrared laser, ZGP OPO, Tm,Ho:GdVO4 crystal, conversionefficie