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基于PPLN晶体和双波长光纤激光器的可调谐THz辐射

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基于PPLN晶体和双波长光纤激光器的可调谐THz辐射

作者：孙耀中北京交通大学

学位级别：硕士

太赫兹波具有很多独特性质,如宽带性、互补性、瞬态性、相干性等。在成像与感测等应用领域和医药、化学与生命科学等基础研究领,以及国防技术领域都带来了比较深远的影响。因此,THz科学与技术成为最近几年比较热门的研究课题。目前,THz... 详细信息

太赫兹波具有很多独特性质,如宽带性、互补性、瞬态性、相干性等。在成像与感测等应用领域和医药、化学与生命科学等基础研究领,以及国防技术领域都带来了比较深远的影响。因此,THz科学与技术成为最近几年比较热门的研究课题。目前,THz有众多热门且有实际应用价值的研究方向,包括THz辐射源、THz隐身以及THz波导等研究。其中,怎样才能获得可调谐的THz辐射源是THz科学与技术研究的关键性问题。经过许多人的实验研究验证,非线性光学差频获得THz波辐射的方法是一种比较理想的方法,其优点是能够在常温下稳定运转且输出可调谐和相干的THz波。非线性光学差频方法产生THz辐射的原理是由两束波长接近、相干性好的激光通过非线性晶体在满足相位匹配的条件下差频获得THz波。大多数选用的激光器是固体以及气体激光器,采用光纤激光器的方法还比较少,尤其是采用1550nm附近的双波长单纵模掺铒光纤激光器。本文重点研究了基于PPLN晶体和双波长光纤激光器的可调谐THz辐射源,探讨了PPLN晶体的相关特性如何影响THz辐射,并对基于PPLN晶体实现THz波的调谐进行分析。通过分析非线性差频对双波长源的要求以及双波长光纤激光器,得出双波长单纵模掺铒光纤激光器是差频生成系统(DFG)较为理想的双波长源。最终,本文设计出一种基于非线性放大环镜(NALM)的双波长单纵模掺铒光纤激光器。由此,为将来可调谐THz辐射源的光纤化工作打下基础。论文的主要工作有： (1)对非线性差频理论进行研究,建立满足相位匹配时的非线性三波互作用的稳态耦合波方程,从而得出生成THz波辐射的条件,并介绍了相位匹配的方法。在准相位匹配理论分析的基础上,讨论了PPLN晶体的相关特性对准相位匹配的影响,如折射率和相干长度等,从而得到如何优化PPLN晶体结构的方法。 (2)对THz波调谐方式进行分析,重点分析了温度调谐,极化周期调谐以及二者结合方式的调谐。并分析THz波谱宽,得到基于PPLN晶体差频生成THz辐射源的THz波普图。以及得到PPLN晶体相位失配时的极化周期允许带宽,最后对THz输出功率进行了分析。 (3)对用于差频生成THz辐射的双波长源进行分析,得出双波长掺铒光纤激光器是一种比较理想的双波长源。设计了一种基于非线性放大环镜的双波长单纵模掺铒光纤激光器,从而得到1550nm附近的双波长光纤激光器,经过测量仪的测量分析得到的双波长是否满足DFG系统中双波长源的要求,为以后THz辐射源的光纤化工作打下基础。

关键词：太赫兹光学差频可调谐 PPLN晶体相位匹配双波长光纤激光器 NALM

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基于PPLN晶体的太赫兹波源特性研究

基于PPLN晶体的太赫兹波源特性研究

作者：常飞北京交通大学

学位级别：硕士

THz波具有宽带性、互补性、瞬态性、相干性等独特的性质,在隐身与反隐身技术为代表的国防科技领域有广泛的应用前景。目前对太赫兹的研究方向主要集中在太赫兹源、太赫兹光谱系统、太赫兹波导以及太赫兹隐身等方向。基于差频的太赫兹源... 详细信息

THz波具有宽带性、互补性、瞬态性、相干性等独特的性质,在隐身与反隐身技术为代表的国防科技领域有广泛的应用前景。目前对太赫兹的研究方向主要集中在太赫兹源、太赫兹光谱系统、太赫兹波导以及太赫兹隐身等方向。基于差频的太赫兹源是通过两束波长接近、相干性好的激光在非线性晶体中差频得到太赫兹波,具有高频率、大调谐范围的特点,同时,也存在着泵浦装置体积大,操作复杂,需多台泵浦源等缺点。如果利用光纤激光器作为参量振荡器的种子源,能够使产生装置进一步小型化、集约化,在通信波段1550nm附近输出双波长进行差频能够获得太赫兹可调谐输出。本研究提出了一种在1550nm波段利用周期极化的铌酸锂晶体ppln进行非线性差频的太赫兹波发生装置DFG,具有结构相对简单、成本较低、室温下可运转、调谐方式灵活多变等特点,是获得太赫兹波源的有效手段,为将来基于参量振荡、参量发生的大功率太赫兹源的工作打下基础,具有十分广泛的应用前景。论文的主要工作有：（1）建立了非线性介质中满足相位匹配条件时三波相互作用的理论模型,研究了在慢变幅度近似条件下产生的功率耦合以及利用准相位匹配技术产生太赫兹辐射的机理,推导了平面波模型下的耦合波方程,得出了产生太赫兹辐射所需的条件;（2）基于掺杂的周期极化铌酸锂晶体PPMgLN和准相位匹配理论,设计出了端面辐射的共线准相位匹配DFG结构,分析了太赫兹波段的晶体折射率、出射功率、转换效率、线宽和光斑大小的影响、允许带宽、相干长度、容差能力、晶体吸收特性、温度调谐特性等特性,优化了太赫兹差频产生装置的结构;（3）结合PPMgLN晶体的特性,利用1550nm波段的双波长激光器搭建了实验平台,得到了线宽9kHz、波长分别为1546nm和1555nm、差频频率处于太赫兹波段的稳定的双波长输出,为基于PPMgLN差频产生和参量振荡的大功率太赫兹源奠定了基础。

关键词：太赫兹辐射源光学差频准相位匹配 PPLN晶体

PPLN晶体1560nm激光倍频过程的热效应分析

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中国激光 2015年第7期42卷 194-201页

作者：张远涛屈求智钱军任伟项静峰吕德胜刘亮中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800

基于1560 nm激光单次通过PPLN晶体倍频到780 nm激光的实验,分析了准相位匹配倍频过程中非线性转换系数与温度之间的关系。详细计算了考虑晶体极化周期的热膨胀时,晶体非线性转换系数和匹配温度的变化。采用有限元的方法,计算了激光穿过P... 详细信息

基于1560 nm激光单次通过PPLN晶体倍频到780 nm激光的实验,分析了准相位匹配倍频过程中非线性转换系数与温度之间的关系。详细计算了考虑晶体极化周期的热膨胀时,晶体非线性转换系数和匹配温度的变化。采用有限元的方法,计算了激光穿过PPLN晶体时,整个晶体和出射端面的温度场分布,并由此给出了出射面的非线性转换系数的分布情况,重点分析了晶体尺寸、光功率及散热方式对热效应的影响。仿真结果表明:增加晶体的宽度、采用导热性能好的材料作散热材料,并采用四面包围的散热方式有利于晶体的散热。

关键词：非线性光学热效应有限元分析 PPLN晶体倍频

基于PPLN晶体腔内倍频的Yb:LYSO连续激光器研究

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山东师范大学学报（自然科学版） 2018年第1期33卷 69-72,75页

作者：曾鑫仝鲁阳王飞虎赵丽娜山东师范大学物理与电子科学学院济南250358

我们使用Yb:LYSO为激光晶体,以976 nm的激光二极管(Laser Diode,LD)为泵浦光源实现了1μm波段的连续激光输出,研究了1%、2%、9%三种腔镜透过率时的输出功率和输出激光波长的变化,利用2%的腔镜为输出镜,MgO:PPLN晶体为非线性晶体对1 058... 详细信息

我们使用Yb:LYSO为激光晶体,以976 nm的激光二极管(Laser Diode,LD)为泵浦光源实现了1μm波段的连续激光输出,研究了1%、2%、9%三种腔镜透过率时的输出功率和输出激光波长的变化,利用2%的腔镜为输出镜,MgO:PPLN晶体为非线性晶体对1 058 nm的连续激光进行腔内倍频,最终获得了90 mW的529 nm绿光输出.

关键词：腔内倍频 MsO PPLN晶体全固态激光器

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激光热效应对PPLN晶体倍频效率的影响

强激光与粒子束 2011年第12期23卷 3302-3306页

作者：马兴寰刘正颖张蓉竹四川大学电子信息学院成都610064

从准相位失配关系出发,研究了PPLN晶体倍频效率与温度的关系,针对温度对折射率与极化周期的影响,分析了激光热效应对准相位匹配系统谐波转换过程的影响。采用有限元分析法计算了ppln材料内部温度分布状况,并对热效应影响下晶体内部倍频... 详细信息

从准相位失配关系出发,研究了PPLN晶体倍频效率与温度的关系,针对温度对折射率与极化周期的影响,分析了激光热效应对准相位匹配系统谐波转换过程的影响。采用有限元分析法计算了ppln材料内部温度分布状况,并对热效应影响下晶体内部倍频效率变化情况进行了计算。计算结果表明:在不同基频光功率密度下,在倍频过程中晶体温度及通光方向截面折射率的分布不同,在倍频晶体出射面倍频效率的分布也不同;随基频光功率密度增大,晶体整体温度与折射率增大,出射端面倍频效率分布随基频光功率密度变化而变化;与理想条件倍频系统相比,激光热效应对晶体倍频效率有一定的影响。

关键词：准相位匹配 PPLN晶体倍频有限元法

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近红外和中红外波段量子光源的频谱特性研究

近红外和中红外波段量子光源的频谱特性研究

作者：田颖武汉工程大学

学位级别：硕士

量子光源包括单光子源和纠缠光源,它是量子信息处理应用中信息的载体,也是量子信息研究中重要的基础资源。按照工作波长分类,量子光源可分为可见光波段、近红外波段、中红外波段及其它波段的量子光源。目前常用的量子光源处于近红外波段... 详细信息

量子光源包括单光子源和纠缠光源,它是量子信息处理应用中信息的载体,也是量子信息研究中重要的基础资源。按照工作波长分类,量子光源可分为可见光波段、近红外波段、中红外波段及其它波段的量子光源。目前常用的量子光源处于近红外波段,如810nm和1550nm波段,而中红外波段（约2-20μm）的量子光源研究处于起步阶段。虽然前人已取得一些进展,但近红外和中红外波段仍然缺乏高质量的量子光源。如何在近红外和中红外波段制备亮度高、频谱无关联和易于操作的量子光源仍然是一个亟待解决的问题。针对这一问题,本文对近红外波段和中红外波段的量子光源进行探究,主要包含以下两个工作:（1）在810nm波段,基于强聚焦泵浦产生纠缠光子进行Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。该工作对在泵浦光强聚焦条件下基于偏硼酸钡（β-barium borate,BBO）晶体产生的双光子纠缠态光谱分布和HOM干涉进行了深入研究。理论计算发现,使用50mm透镜聚焦的情况与无聚焦的情况相比,下转换光的光谱宽度会增加7.4倍,HOM干涉条纹的宽度会减少为无聚焦情况的1/8,干涉条纹的可见度会从53.0%提高到98.7%。实验上使用Ⅱ型BBO晶体制备了能量-时间纠缠态,并进行了Hong-Ou-Mandel干涉,获得了（86.6±1.0）%的干涉可见度。干涉可见度获得极大提高的原因在于强聚焦改善了光谱的对称性。（2）在3.0μm波段,基于粒子群算法优化周期性极化铌酸锂（periodically polarized lithium niobate,ppln）晶体产生频域纯态单光子源。在本工作中,提出了一种利用元启发式算法设计PPLN晶体的方法。具体地,采用了粒子群优化算法来优化PPLN晶体极化周期的占空比。经过优化后,在第三种群速度匹配条件下,光谱纯度由0.820提高到0.998。此外,经模拟计算后在波长简并条件下,波长可调谐范围为3.0μm～4.0μm;在波长非简并条件下,波长可调谐范围为3.0μm～3.7μm。该研究对中红外量子探测、量子成像和量子通信的发展具有重要意义。

关键词： BBO晶体 HOM干涉粒子群算法中红外波段 PPLN晶体

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光学参量过程中参量荧光的时间相干特性研究

光学参量过程中参量荧光的时间相干特性研究

作者：周南中国工程物理研究院

学位级别：硕士

光学参量过程是重要的非线性光学过程之一,广泛应用于各种激光的产生、频率变换和能量转换。随着拍瓦（1015W）类高峰值功率激光装置的研究和发展,光学参量过程已成为超短激光脉冲能量放大的主要技术途径。但是,参量过程中自发形成的参... 详细信息

光学参量过程是重要的非线性光学过程之一,广泛应用于各种激光的产生、频率变换和能量转换。随着拍瓦（1015W）类高峰值功率激光装置的研究和发展,光学参量过程已成为超短激光脉冲能量放大的主要技术途径。但是,参量过程中自发形成的参量荧光不仅降低了激光脉冲能量放大的转换效率,而且会影响激光脉冲的质量,导致激光脉冲对比度的降低,极大地影响着强场物理的研究和高峰值功率激光的应用。另一方面,宽光谱的参量荧光展现出作为低相干度光源的应用前景,开展部分相干光源技术研究将对于开展强场物理实验研究以及抑制激光等离子体不稳定性等方面有着特殊的意义。为此,探索参量荧光的相干特性及与其它物理量之间的内在关系,发展相干度可控光源技术将具有重要的应用价值。本文通过分析参量荧光产生过程的基本物理过程,建立了适用于参量荧光的数值分析程序,设计了评价参量荧光时间相干性影响的实验方案,研究了泵浦激光脉冲参数对参量荧光时间相干性的影响。主要工作内容如下:1.基于传统光学参量过程的物理表述以及量子噪声的产生机制,部分修改了光参量放大过程的耦合波方程以适用于参量荧光产生和放大;通过建立的数值模拟程序,分析了参量下转换频率群速度与参量荧光时间相干性的关系。研究结果表明:为了提升参量荧光的时间相干性,参量下转换频率之间应保持较大的群速度走离关系;2.通过数值模拟程序,分析了参量过程中泵浦光脉宽、光强等对参量荧光时间相干性的影响。根据分析结果和实验条件,利用准相位匹配晶体,设计了皮秒泵浦条件下的相应实验方案,完成了实验光路设计;3.开展了参量荧光时间相干特性的实验研究,测量比较了不同泵浦脉宽条件下参量荧光的时间相干特性。并采用相同结构的准相位匹配晶体,初步研究了皮秒泵浦条件下,泵浦功率和脉宽对参量荧光时间相干性的影响。本文的研究结果表明:泵浦光的物理参数将影响参量荧光的时间相干特性,特别是在超短脉冲泵浦的条件下,这种影响将更为明显,这将成为建立相干性可控的宽带光源的技术基础,也将为解决飞秒激光脉冲参量过程中的信噪比问题提供借鉴意义。

关键词：参量荧光相干性光参量放大准相位匹配 PPLN晶体

基于MgO掺杂LiNbO_3的高功率2μm光参量振荡器

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华南师范大学学报（自然科学版） 2015年第6期47卷 24-27页

作者：黄文恺广州大学实验中心广州510006

采用1μm激光泵浦周期性极化掺镁铌酸锂晶体光参量振荡器(Mg O:ppln OPO),实现了高功率2μm近红外激光输出.利用Nd:YVO_4激光器产生的1μm激光泵浦Mg O:ppln OPO,在泵浦功率为7.2 W时,获得了5.3 W的2μm激光输出,转换效率为74%.泵浦源改... 详细信息

采用1μm激光泵浦周期性极化掺镁铌酸锂晶体光参量振荡器(Mg O:ppln OPO),实现了高功率2μm近红外激光输出.利用Nd:YVO_4激光器产生的1μm激光泵浦Mg O:ppln OPO,在泵浦功率为7.2 W时,获得了5.3 W的2μm激光输出,转换效率为74%.泵浦源改用Nd:YAG激光器,并对其进行优化设计,提高了Nd:YAG激光器的输出功率和光束质量,用其泵浦MgO:ppln OPO,在泵浦功率为25 W时,获得了9.5 W的2μm激光输出.

关键词：光参量振荡器 MgO PPLN晶体准相位匹配高功率

基于参量下转换的中波红外辐亮度定标技术研究

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基于参量下转换的中波红外辐亮度定标技术研究

作者：盛文阳安徽大学

学位级别：硕士

在红外辐射度学和辐射定标研究过程中,对红外辐射源辐亮度的定标是其中的一项基本内容。本文研究了一种新型的基于参量下转换实现红外辐射源辐亮度的绝对定标方法,它与传统定标方法的不同在于它不依赖外加的初级标准源和标准传递链。基... 详细信息

在红外辐射度学和辐射定标研究过程中,对红外辐射源辐亮度的定标是其中的一项基本内容。本文研究了一种新型的基于参量下转换实现红外辐射源辐亮度的绝对定标方法,它与传统定标方法的不同在于它不依赖外加的初级标准源和标准传递链。基于参量下转换的定标方法是通过测量单位模式光子数来实现对辐亮度的计算,因为测量过程中不需要测量立体角和面积因子,所以可以减少测量中的不确定度,理论上基于参量下转换的定标方法具有更高的精度。在对参量下转换效应在计量领域的应用和进展调研的基础上,建立了中波红外辐亮度定标系统。本实验中的选择的泵浦光波长为532nm,它是由二极管激光器出射的具有高功率的激光。泵浦光源与非线性介质PPLN晶体发生非线性作用后,产生可见-红外（631nm和3390nm）的相关光子对。根据非线性晶体的特性,选择准相位共线相位匹配方式,利用短波带通滤光片、二向色镜以及单色仪实现对相关光子对中信号光子的选取及探测、残余泵浦光消除及背景噪声的衰减。实验中分别测量的是自发参量下转换和受激参量下转换过程输出的信号光光子数,通过计算受激/自发的信号光子计数的比值R,实现对待测辐射源（OPO出射的3390nm）辐亮度的绝对定标。实验中到达晶体前端的泵浦光功率和待测中波红外辐射源的功率分别为17mW和1.48mW,实验结果与利用传统方法计算的结果都在同一量级内,且两种方法的相对标准偏差为4.22%。根据分析主要测量不确定性的来源,得出了OPO激光器在3390nm波段辐亮度的合成标准不确定度优于1.18%的定标结果。随后,我们继续利用该方法测量并且计算了水浴黑体五个温度点的辐亮度值,进而通过普朗克公式反演实际温度,将反演温度与预设温度比较,发现两者的偏差在5.17%。上述两个实验结果初步证实了通过探测可见波段光子计数实现红外辐射源的辐亮度定标的原理可行性。研究结果将有望应用于基于受激参量下转换的红外波段高精度定标以及红外OPO激光器等领域。

关键词：遥感定标中波红外辐亮度参量下转换准相位匹配 PPLN晶体