基于周期极化铌酸锂(PPLN)晶体的光学参量振荡器(OPO)技术是实现3~5μm中红外激光输出的有效途径,在环境监测、激光雷达、红外遥感、精密光谱分析、医学诊断和治疗、军事红外对抗等诸多领域有着广阔的应用前景和不可替代的重要作用,一直以来成为人们的研究热点。传统的PPLN OPO技术方案大多数采用半导体泵浦的全固态激光器(DPSSL)作为泵浦源,然而,一般而言这类激光器系统较为庞大,在高功率运转时热效应显著,输出激光的光束质量会严重劣化,不利于非线性频率变换过程;同时该类激光器输出激光光谱较窄且波长单一,难以实现对输出中红外激光的灵活快速调控。与传统空间结构的固体激光器泵浦源相比,利用光纤激光器作为光学参量变换过程的泵浦光源,不仅具有结构灵活紧凑,可集成化和小型化,实用性强,成本低;工作稳定可靠,环境适应能力强;高亮度激光输出,转换效率高等优点,其最大的技术优势在于光纤激光器超宽的受激辐射带宽特性,能够在近红外波段实现宽调谐的激光输出,结合光学参量振荡技术,通过对泵浦光的灵活调控,辅以温度调谐、角度调谐、准相位匹配技术的周期极化调谐方式等,可以实现对中红外激光的任意光谱定制,满足不同领域的应用需求。采用光纤激光器作为泵浦源,还能够实现集成化模块之间的自由灵活切换,具有模块化、标准化接口的潜力。目前基于传统空间结构的固体激光器泵浦的PPLN OPO已经实现了数十瓦量级的中红外激光输出,而基于光纤激光泵浦的PPLN OPO的研究工作也取得丰硕成果,但输出功率普遍在十瓦量级。本课题主要开展高功率连续波光纤激光泵浦的中红外光学参量振荡器的相关研究,旨在探索中红外光学参量振荡器的功率限制因素,以求实现单路高亮度的连续波中红外光学参量振荡器激光输出;同时研究了不同光纤激光泵浦条件下,输出中红外激光的光谱、时域以及非线性转换效率等相关输出特性;并开展了偏振合成、谱合成等功率拓展技术的相关研究,为实现百瓦级高功率、高稳定性、高光束质量的中红外固体激光器提供重要的指导。论文的主要工作包括以下内容:1、采用高功率连续波准单频光纤激光器作为泵浦源,搭建了基于MgO:PPLN非线性晶体的中红外光学参量振荡器,实现了最高输出功率34.2W,波长调谐范围覆盖3.2~3.9μm的激光输出,这是目前国际上公开报道的最高功率水平的连续波中红外光学参量振荡器输出。2、结合Comsol有限元分析软件和Matlab数值分析软件,建立外腔式连续波信号光单谐振光学参量振荡器基本模型,计算高功率条件下非线性晶体的轴向温度分布场和横向温度分布场对光学参量变换过程的影响。结果表明:中红外闲频光是导致非线性晶体温度非均匀分布的主要原因。非线性晶体轴向温度分布的非均匀性导致晶体极化周期的非均匀性改变,引起参量光波长漂移及非线性转换效率的降低。晶体横向温度分布的非均匀性导致光束在非线性晶体传播过程中引入波前畸变,造成输出激光光束质量劣化。3、消相干光源有着特殊的时域特性和光谱特性,采用消相干光纤激光器泵浦光学参量振荡器能够很好的消除普通光纤放大器中由于自脉冲效应而导致的晶体损伤现象,有望使得中红外光学参量振荡器输出功率进一步提升。本文在国际上首次开展了基于半开腔随机光纤激光器和全开腔随机光纤激光器泵浦的中红外光学参量振荡器的实验研究工作,分别获得了2.46W@3752nm和4.35W@3271nm的消相干、时域稳定的中红外激光输出。不仅拓宽了随机光纤激光器的应用范围,也为研究不同泵浦条件下光学参量振荡器的运转特性提供了一定的指导意义。4、ASE光纤光源具有光谱覆盖范围宽,无模式竞争,时域稳定,可抑制光纤激光自脉冲,以及无谐振腔结构,易于实现光谱调控等优势,是实现宽带中红外OPO技术研究的理想光源。采用宽光谱、消相干的ASE光纤光源作为光学参量变换过程的泵浦源,实现了11.3W功率稳定性极高(1 h峰峰值功率波动为1.9%RMS)的中红外激光输出,输出激光3dB带宽达到72nm。这是目前调研到的国际上采用ASE光纤光源作为泵浦源开展的最高功率水平的OPO的实验研究工作。5、利用光纤激光宽带增益特性,开展了多波长中红外激光器技术研究。针对光纤激光器光谱灵活可变的特性,结合光学参量振荡器的运转特性,合理设计系统泵浦耦合模式、谐振腔参数,在国际上首次开展了基于级联放大的双波长光纤激光器泵浦光学参量振荡器实现双波长中红外激光输出的实验研究工作,获得了总功率6.4W的3136nm和3323nm双波长中红外激光输出。在实验过程中仅仅观察到一个信号光的存在,这一实验结果推动光学参量振荡理论与差频理论的有效结合,为实现多波长中红外激光器提供了有效途径。6、非线性晶体的本征吸收不可避免地导致系统热效应的积累,引起光学参量转换效率的下降及输出光光束质量的劣化,开展多光束合成技术研究是从根本上解决该问题的有效方法。采用两路偏振合成技术,实现了12W全风冷中红外激光输出,光束质量达到1.2;在此基础上,采用三路光谱合成技术实现30W全风冷中红外激光输出,光束质量保持在两倍衍射极限以内;并采用多路空间合束方案实现了百瓦中红外激光输出,为实现高功率中红外固体激光光源奠定基础。