基于腔内脉冲调制泵浦技术的纳秒和频激光及其产生机理研究

非线性和频技术是丰富和拓展全固态激光器的频率范围（可见光和紫外波段），促进海洋探测、生物医疗、光学存储等交叉学科跨越式发展的有力途径，成为激光技术领域的一大研究热点。目前国际上在这一领域的研究存在主要问题是：运转方式集中在连续波且转换效率低（双波长振荡和频技术）、结构复杂（双腔和频技术）。本项目拟将申请人多年来在内腔式纳秒光学参量振荡器（IOPO）方面的构思和研究方法"移植"到非线性和频领域，实现一种简单、高效的纳秒和频激光。首先，从四能级激光速率方程出发，结合三波互作用的耦合波方程和准三能级系统理论，对腔内脉冲调制泵浦纳秒和频激光的产生机理进行深入探讨和研究；然后，从实验上利用LD泵浦Nd:LuVO4 916nm 调Q激光，腔内泵浦并调制自由运转的Yb:YAG 1030nm激光（即所谓腔内脉冲调制泵浦技术），进而采用BiBO对腔内这两种激光脉冲进行和频，实现485nm纳秒和频激光输出。

从理论和实验两个方面对腔内脉冲调制泵浦的485nm纳秒和频激光器进行了深入、系统的研究。首先，从准三能级激光器速率方程出发，通过引入速率方程关联项及和频损耗项，建立了腔内脉冲调制泵浦纳秒和频激光的理论模型，并从耦合波方程出发，推导了和频损耗项及和频转换效率表达式。结果表明和频损耗项是一个与和频晶体的品质、基频光及和频光波长有关的参数。其次，从准三能级激光器的反转粒子数密度表达式出发，推导了腔内基频光增益表达式和光强表达式，进而建立了腔内基频光子数的优化理论。模拟结果表明，为提高和频效率，增益介质对腔内泵浦光存在一个最佳吸收率。再次，利用四阶Runge-Kutta法，对腔内泵浦激光器的速率方程组进行了数值求解，模拟了基频光脉冲建立的动力学过程。模拟结果表明，腔内泵浦激光器的能量是逐级传递的，且腔内泵浦光脉冲和基频光脉冲的建立时间存在一定的延迟。最后，从实验上实现了腔内泵浦的1030nm Yb:YAG激光器的有效运转，并利用LBO和频成功获得了32mW的485nm蓝光输出。掌握了降低准三能级激光阈值及优化腔内基频光子数密度的方法，分析了谐振腔参数、热透镜效应、和频晶体的相位匹配对和频效率的影响，总结了腔内泵浦激光器有效运转的方法和规律以及和频效率较低的原因。此外，受实验条件限制，本项目最终未实现485nm脉冲和频激光输出。本项目研究成果对于理解和优化腔内泵浦的全固体激光器具有十分重要的指导意义和参考价值。