基于单体MgO:APLN的多光参量振荡器逆转换演变规律及其抑制方法研究

The Multiple Optical Parametric Oscillator(MOPO) based on single MgO:APLN crystal is an effective path to achieve the synchronous tunable multi-wavelength laser in the same spectral region, which has been one of the hotspots in the fields of THz, Optical Communication and military. In the previous work, the 1.57μm and 3.84μm parameter laser which maximum output power researched the watt level was obtained, at the same time power turning point and beam quality deterioration appeared in the experiment, which greatly restricted the performance improvement and application of MOPO. For the phenomenon of energy back conversion appeared in the testing process, according to previous work we can only focus the problem of approximate quantitative analysis and passive inhibition, theoretical model was established which can decouple device parameters to describe the evolution process of MOPO back conversion, revealed the corresponding relation between device parameters and the back conversion, provided regular basis to optimize the design of this kind of laser. On back conversion a new method of MgO:APLN MOPO energy coupling ratio controlled by electric was designed innovatively, and carry out exploratory experiment studies in the field of hollow laser pump adjusting spatial energy strong points, strive to solve the problem of uncontrollable traditional back conversion suppression, finally provide theoretical support and technical way to achieve high efficiency, high beam quality MOPO.

基于单体MgO:APLN的多光参量振荡器(MOPO)是获得同谱区以及跨周期多波长可调谐激光的有效途径，在THz、光通信、军事等领域有着重要应用前景。本项目前期工作中，获得了输出功率均达到W级水平的1.57μm和3.84μm跨周期参量光同步输出，但实验过程中出现功率拐点、光束质量恶化等一系列能量逆转换现象，极大制约了多光参量振荡器的性能提升及应用。本项目着眼于该逆转换过程，针对前期工作只能对该过程近似定量分析、被动抑制的问题，理论上建立能够解耦器件参数描述多光参量逆转换演变过程的物理模型，揭示关键器件参数与逆转换的对应关系，为该类激光器优化设计提供规律性依据。抑制逆转换方面创新性提出电场调控MgO:APLN中多光参量能量耦合配比新方法，并探索性开展空心激光泵浦调节空域能量强点实验研究，力求解决传统逆转换抑制方法不可调控的问题，最终为实现高效率、高光束质量的MOPO提供理论支持和技术途径。

近年来随着光学差频THz、军用多波段激光制导、多信道光纤通信等前沿科技领域的发展，多波长可调谐相干光源的需求越发迫切，这使得多光参量振荡器这一新兴方向逐步得到行业关注，并被广泛研究。以单体MgO:APLN完成多重准相位匹配的研究为实现多光参量振荡提供了全新设计思路，而其中的多波能量逆转换调控问题是提升其输出性能的关键。.本项目基于含时波动方程和电极化强度，推导出脉冲泵浦机制多光参量振荡能量转换模型，应用分步积分法模拟多光参量振荡能量演化过程，分别模拟出不同基频光泵浦能量下，单程放大结构和多程耦合结构的多光参量振荡器输出能量场，开展了多程耦合结构实验，对比实验测量值与理论模拟值，验证了模型的准确性。.创新性地提出了一种基于电光偏振模态转换结合差频能量导引的多光参量振荡逆转换能量场主动调控的新方法，即将强增益参量光转换成弱增益参量光以保证振荡腔内参量光能量配比处于平衡状态，实现抑制逆转换效果。利用偏振耦合模与差频转换理论分析主动调控方法，得出晶体加载电场强度与差频泵浦功率密度决定了参量光转换效率。基于脉冲机制多光参量振荡器能量转换模型，采用分步积分法模拟无插入损耗下逆转换主动调控结构输出能量场，发现输出3.3 µm和3.84 µm闲频光的能量场脉冲波形接近、无凹陷，且最高峰值功率均方根误差(RMSE)分别为0.08和0.06，表明主动调控方法能够有效抑制逆转换，与被动抑制方法比较，主动调控方法具备动态补偿能力强的特点，适用的基频光泵浦能量范围广，并能大幅提高转换效率及最高峰值功率。.探索性开展了调节空域泵浦强点逆转换，通过变焦系统改变基频泵浦光斑中心光场强度，根据功率、脉宽及光束质量实时监测结果，实时优化泵浦光强空域分布，最终获得了6.5W@1.57μm、4.3W@3.84μm参量光输出，光束质量M2因子分别达到1.81和2.14，实验结果综合表明，优化基频光泵浦光强空域分布，能够有效抑制高功率泵浦下的多光参量能量逆转换。