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自从1961年Franken等人利用石英晶体(Si02)实现倍频,成功将红宝石激光扩展到紫外波段,第一次实现了真正意义的频率变换以来,非线性频率变换就是激光科学范围内最吸引人的课题之一。目前,使用非线性光学晶体来实现频率变换的技术是获得新的相干光源最有效、最可靠也是最普遍的方法。非线性晶体的二阶非线性效应(即三波相互作用过程)和三阶非线性效应(即四波相互作用过程)都得到了深入而又广泛的研究。在上述频率变换技术中,频率下转换技术,如差频、光参量过程和受激拉曼散射,是最有潜力获取中红外相干光源的手段。本论文基于单块KTP晶体分别使用调Q、双调Q和调Q双波长激光器作为泵浦源实现了光参量振荡和受激拉曼散射两个过程,并建立一套耦合速率方程,对实验结果进行了理论模拟和分析,结果表明两者吻合得很好；使用克尔透镜锁模和双损耗调制调Q锁模激光器作为泵浦,首次实现了内腔式锁模激光泵浦的光参量振荡器,输出的脉宽在次纳秒(Sub-nanosecond)量级,并结合速率方程理论,建立理论模型,数值模拟和实验结果基本吻合；首次使用KTP作为拉曼增益介质,使用1050 nm Yb:YAG激光作为泵浦,成功获得了高阶Stokes光输出,脉冲宽度约为764 ps,估算了KTP的有效增益系数；首次实现了W级σ偏振Nd,MgO:LiNbO3 1094 nm激光输出,同时作为泵浦源,获得了KTP OPO 1630 nm信号光。本论文的主要研究内容总结如下：(1)首次实现了单层石墨烯调Q Nd,MgO:LiTaO31082 nm和1092 nm双波长激光运转,获得了176 ns的最小脉宽和2.75μJ的最大单脉冲能量。(第二章第一节)(2)首次实现了双波长调Q锁模Nd:GGG激光输出,调制深度近乎100%,脉宽估计为908 ps。(第二章第二节)(3)以KTP晶体作为多功能非线性晶体,同时实现了高阶Stokes和OPO信号光的振荡输出。在LD泵浦达到10.5 W时,信号波的最大输出功率高达302mW,最小脉宽仅1.61 ns,同时二阶和三阶Stokes光的最大功率为11 5 mW,最小脉宽为2.88 ns,波长分别为1124.9和1160.7 nm。相应的光光转化效率为2.88%和1.1%。光束质量因子M2在1.2左右。(第三章第一节)(4)为进一步压缩信号光脉宽,采用双损耗技术,即同时使用两种饱和吸收体,同时获得了OPO和SRS过程,而且信号波输出的最高功率为208 mW,脉冲宽度被压缩到了580 ps,峰值功率提高到43.7 kW。当调整KTP倾斜角度时,首次观察到波数为154 cm-1的频移。(第三章第一节)(5)、用Cr4+:YAG调Q的Nd:LGGG激光作为泵浦源,实现了双波长泵浦的多种非线性效应,即同时存在的SRS和OPO过程,信号光最大功率为448 mW,脉冲宽度为850 ps,信号光的峰值功率高达30.6 kW,单脉冲能量为26μJ,并从双波长速率方程出发对此过程进行了理论研究。(第三章第二节)(6)、首次用LD泵浦c切Nd,MgO:LiNbO3晶体,获得了1.47 W的连续激光输出,这是首次突破W级输出,较之前的报道至少提高了20倍。用KTP晶体实现了OPO 1.63 μm信号光运转,其脉冲宽度为1.69 ns,峰值功率为11.4 kW,较以前的报道提高了3倍。(第三章第三节)(7)、首次实现了Yb:YAG 1050 nm激光泵浦KTP实现高阶拉曼光输出,三阶Stokes光的脉宽约为764 ps。反Stokes光的脉宽为1.54 ns,峰值功率为3.5kW。光束质量在两个方向上分别为1.64和1.48,表明Stokes、基频光和反Stokes光有很好的共线。KTP有效拉曼增益系数估计为2.1 cm/GW。(第三章第四节)(8)、首次研究了KLM激光泵浦的内腔OPO,用AOM选取锁模脉冲提高峰值功率,分别用Nd:GGG和键合Nd:YVO4激光泵浦KTP,成功完成了高峰值功率、高能量的亚纳秒1.57μm信号波输出：其中KLM Nd:GGG/KTP OPO信号光的最高峰值功率为102 kW, KLM Nd:YVO4/KTP OPO信号波的最小脉宽约为120 ps,同时结合速率方程模拟了实验结果。(第四章第一、二节)(9)、采用AO和Cr4+:YAG主被动双损耗QML激光作为腔内OPO的泵浦光,并采用V型腔结构,在8.25 w的二极管泵浦情况下,AO的调制周期固定为1 ms(即重复率为1 kHz)时得到了信号光最高输出能量为96μJ、包络宽度为2.5 ns。当声光开关频率在5 kHz时信号波输出的功率达到最大,高达156 mW,也是目前QML激光泵浦内腔式OPO信号光的最高输出功率。同时,信号光的光束质量因子M2经测小于1.5。(第五章第一节)(10)、采用AO和Cr4+:YAG主被动双损耗技术,首次获得了单锁模脉冲KTP OPO,当二极管泵浦为10.5 W、声光开关频率为2 kHz时,信号波的最小脉宽为450 ps,峰值功率高达35.5 kW,并研究了信号光输出波长与温度之间的关系,发现其信号光波长随温度的升高有0.027 nm/℃的蓝移率。同时建立一套基于QML锁模泵浦IOPO的速率方程,通过数值模拟发现,脉冲波形和输出能量基本和实验值一致。(第五章第二节)本论文的主要创新点如下：(1)、首次利用单块KTP晶体实现了高阶Stokes光和光参量振荡两种非线性过程,光束质量因子M2在1.2左右。(2)、首次实现了双调Q激光器泵浦的受激拉曼散射和光参量振荡过程,其中,信号光输出脉冲宽度首次压缩为580 ps。(3)、第一次实现了双波长激光器泵浦的多种非线性频率下转换过程,并建立了一套耦合速率方程,理论结果和实验结果基本吻合。(4)、首次实现了KLM激光器泵浦的内腔式OPO运转,实现了高峰值功率信号光输出。(5)、第一次实现了主被动双损耗调制QML激光泵浦的内腔式OPO,获得了亚纳秒信号光的稳定输出。(6)、首次成功获得了单锁模脉冲激光泵浦OPO,信号光脉宽约为450 ps,结合调Q锁模激光的波动机制,建立相应的模型。(7)、实现了1150 nm Yb:YAG/KTP三阶Stokes光输出,脉宽约为764 ps,经估算,KTP的有效拉曼增益系数为2.1 cm/GW。(8)、首次实现了W级Nd,MgO:LiNbO3晶体激光,并用获得了1630 nm信号光。