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2-5 μm波段中红外激光在大气中具有较强的穿透能力,而且众多原子及分子的特征吸收峰也坐落于该波段,因此该波段激光在前沿科学、军事、光谱学、遥感探测、医疗诊断等诸多领域都具有极其重要的应用价值,该波段激光器一直是国防和民用领域竞相研发的重点。利用光参量振荡器(OPO)技术,将成熟的近红外波段激光进行频率下转换,能够实现中红外波段激光的宽带、连续调谐输出,可以弥补一些离子掺杂(如Ho3+、Er3+ Tm3+)激光器在波长发射和调谐方面的不足。在众多非线性晶体材料中,基于准相位匹配的光学超晶格材料,特别是周期极化铌酸锂或钽酸锂晶体(PPLN、PPLT),具有非线性系数大、通光范围宽、波长调谐方式多样、生长制备较为容易、适合于1064nm泵浦等优点,是目前中红外大功率OPO的理想选择。拓宽中红外激光输出波长范围,提高OPO的转换效率、输出功率、光束质量和稳定性一直都是人们研究的方向。针对这一命题,本论文将泵浦源设计、光束整形以及OPO谐振腔设计相结合,选用周期性极化掺镁铌酸锂(PPMgO:LN)及化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体,实现了宽调谐窄线宽连续波,大能量长脉冲,多波长、宽调谐及高功率纳秒脉冲中红外OPO输出。具体内容主要包括:1.介绍了中红外激光的重要应用,对目前产生中红外激光的主要技术途径进行了对比,并概述了光学超晶格OPO的研究现状。2.简单介绍了相位匹配技术,描述了准相位匹配技术和实现波长调谐的原理与方法,对OPO基础知识及设计基本原则进行了介绍。3.结合单块非平面环形腔(NPRO)单频激光器和混合腔(Innoslab)板条激光放大器,开展宽调谐、窄线宽连续波中红外OPO研究。得到了 83.4 W、线宽17.69kHz的高功率 1064nm激光输出;并在基于PPMgO:LN的环形腔OPO中,实现了 1344.6-5103.2 nm的宽调谐窄线宽中红外激光输出。4.采用具有高峰值功率的脉冲模式工作的激光二极管(LD)作为泵浦源,进行了大能量长脉冲中红外OPO探索。以Nd:YVO4为激光增益介质,腔内泵浦PPMgO:LN晶体,在结构紧凑的直腔中,得到了大能量微秒量级脉冲参量光输出,3.336、3.500、3.789 μm 处的单脉冲能量分别为 3.99、3.31、2.50 mJ。5.研究了多波长、宽调谐纳秒中红外OPO。针对OPO需要偏振激光泵浦的特点,利用偏振分束技术,将由非偏振光纤激光分束后的两路偏振光共同耦合进同一块PPSLT晶体的两个不同通道,在同一谐振腔中,实现了四波长激光同时输出;利用多周期PPMgO:LN晶体,实现了 1346.6-5076.8 nm宽调谐纳秒中红外OPO输出。6.利用调Q激光技术,结合多级Innoslab板条放大器,对高功率中红外OPO进行了研究。用侧面抽运Nd:YLF调Q激光泵浦PPMgO:LN晶体,得到了单脉冲能量为1.1 mJ的3.796 μm中红外激光输出;以多级Innoslab板条放大器为OPO泵浦源,在3.791 μm和2 μm波段分别实现了 10.2 W和33.3 W的中红外激光输出。另外,在实验基础上进行工程化探索,设计并完成三台宽调谐、高功率纳秒中红外OPO样机,推动中红外激光技术的研究与示范应用。