新型被動鎖模激光器和拉曼激光器中的自鎖?，F(xiàn)象的研究.pdf

1、在激光器誕生之后的50多年中，激光技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。發(fā)光功率、峰值功率、光束質(zhì)量、脈沖寬度、體積及成本等各項指標不斷得到改善。其中，全固態(tài)激光器具有效率高、性能穩(wěn)定、體積小等特點，已經(jīng)成為了激光技術(shù)研究中的主流，在空間通訊、器件加工、醫(yī)療、光學成像等諸多領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。
　　人們一般把脈沖寬度在皮秒到飛秒量級的脈沖，稱為超短脈沖。超短脈沖具有脈寬窄、峰值功率高、光譜寬等特點。如今，超短脈沖也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)

2、生產(chǎn)中。鎖模技術(shù)是獲得超短脈沖的重要手段。鎖模技術(shù)主要可以分為主動鎖模和被動鎖模，后者使用可飽和吸收體作為鎖模元件，可以獲得更短的脈沖寬度。在過去的20年中，隨著半導體激光器的發(fā)展和新型光學可飽和吸收體出現(xiàn)及成熟，被動鎖模技術(shù)有了很大的發(fā)展，獲得了極短脈沖寬度(小于10fs)、極高的峰值功率（經(jīng)放大可達PW）和超高的脈沖重復(fù)率(超過100GHz)。目前，在被動鎖模激光器中主要使用的可飽和吸收體包括:半導體可飽和吸收鏡(SESAM)、單層

3、碳納米管(SWCNT)和石墨烯(Graphene)。相比于半導體可飽和吸收鏡，單層碳納米管和石墨烯材料具有制備過程簡單、工作光譜范圍廣等優(yōu)點。
　　雙鎢酸鹽晶體(KRE(WO4)2，RE=Gd，Lu和Y)擁有優(yōu)良的物理、化學性質(zhì)，是一種優(yōu)良的激光基質(zhì)材料。通過在晶體中摻雜Nd、Yb、Tm等稀土離子，已經(jīng)實現(xiàn)了高效激光運轉(zhuǎn)。同時，此類晶體屬于單斜晶系，由于低對稱性導致其吸收、發(fā)射光譜較寬，有利于獲得超短脈沖。無序晶體在一定程度上綜合

4、了光學玻璃和有序晶體的特性。相對于光學玻璃，無序晶體的熱導率高，受激發(fā)射界面大。同時，由于無序晶體中的離子在一定范圍內(nèi)的無序分布，使其擁有了類似玻璃的無序結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)寬發(fā)射光譜。鈣鋰鈮鎵石榴石(CLNGG)是一種典型的無序晶體。
　　本論文的研究工作主要集中新型被動鎖模激光器的研究上。實驗中采用SESAM和SWCNT作為可飽和吸收體，實現(xiàn)了多個波段的被動鎖模激光器。在1μm波段，我們分別使用Nd∶KLu(WO4)2和Yb∶CLN

5、GG作為激光晶體;在1.5μm波段，使用Cr∶YAG作為激光晶體;在2μm波段，使用Tm，Ho∶KLu(WO4)2作為激光晶體。采用不同參數(shù)的SESAM和SWCNT作為可飽和吸收體，分析了不同的可飽和吸收體的參數(shù)對鎖模效果的影響。實驗研究了被動鎖模激光器的特性并用現(xiàn)有理論加以解釋。同時，研究了被動調(diào)Q拉曼激光器中的自鎖?，F(xiàn)象，分析了自鎖?，F(xiàn)象和可飽和吸收體的小信號透過率、泵浦功率以及諧振腔長度之間的關(guān)系。
　　本論文的主要研究內(nèi)容

6、如下:
　　1.研究了LD泵浦的Nd∶KLu(WO4)2連續(xù)激光特性和被動鎖模激光特性。當吸收泵浦功率為4.4W時，輸出1070.2nm連續(xù)光功率為3.3W，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為75％。使用SESAM作為可飽和吸收體，采用Z型腔，實現(xiàn)了連續(xù)鎖模運轉(zhuǎn)。最大輸出功率為1.4W，脈沖重復(fù)率為102MHz，對應(yīng)的單脈沖能量為6.8nJ。脈沖寬度為11.5ps，對應(yīng)的峰值功率為0.6kW。在實驗過程中，觀察到在高泵浦功率的條件下，連續(xù)鎖模脈沖出

7、現(xiàn)脈沖分裂現(xiàn)象。
　　2.研究了Yb∶CLNGG被動鎖模激光器的特性。使用SWCNT作為可飽和吸收體。當輸出鏡的透過率為0.4％時，獲得最短脈沖寬度為90.2fs;當輸出鏡的透過率為3.0％時，獲得最大平均輸出功率為90.5mW，脈沖寬度為137.3fs。在高泵浦功率的條件下，鎖模脈沖的光譜中出現(xiàn)了連續(xù)分量，成為限制輸出功率增長的因素。使用SESAM作為可飽和吸收體。當輸出鏡的透過率為1.0％時，獲得脈沖寬度為55.6fs的超短脈

8、沖，平均功率為60.1mW。當輸出鏡的透過率為3.0％時，獲得了最大的平均功率為150.5mW，脈沖寬度為115.6fs。
　　3.研究了Cr∶YAG被動鎖模激光器的特性。使用SWCNT作為可飽和吸收體。獲得了49.6fs的超短脈沖，中心波長為1509.4nm，光譜寬度50.8nm。系統(tǒng)研究了鎖模激光器的特性，找到了最佳泵浦功率。使用頻率分辨光學開關(guān)法(FROG)測量了諧振腔中的色散，為下一步優(yōu)化諧振腔設(shè)計做好了準備。
　　

9、4.研究了Tm，Ho∶KLu(WO4)2被動鎖模激光器的特性。使用SWCNT作為可飽和吸收體，獲得了2.4ps的超短脈沖，中心波長為2058.9nm，光譜寬度為1.7nm，對應(yīng)的時間帶寬積為0.3。使用透過率為3.0％的輸出鏡，獲得了最大平均輸出功率110.7mW。使用SESAM作為可飽和吸收體，獲得了7.2ps的超短脈沖。實驗中嘗試了多種參數(shù)不同的SWCNT和SESAM，并通過改變棱鏡對的間距改變諧振腔中的色散補償，但始終無法獲得飛秒

10、脈沖。
　　5.研究了全固體態(tài)拉曼激光器中的自鎖模現(xiàn)象。以Nd∶YAG晶體作為激光增益介質(zhì)，以SrWO4晶體作為拉曼工作介質(zhì)，以Cr∶YAG作為被動調(diào)Q元件，實現(xiàn)了內(nèi)腔式被動調(diào)Q拉曼激光器。并研究了自鎖模現(xiàn)象和諧振腔長度，泵浦功率，Cr∶YAG的小信號透過率之間的關(guān)系。實驗發(fā)現(xiàn)，當諧振腔的長度大于5(cm時，自鎖?，F(xiàn)象明顯且穩(wěn)定。自鎖?，F(xiàn)象和泵浦功率、小信號透過率之間沒有明顯關(guān)系。在全泵浦范圍內(nèi)都可以觀察到調(diào)制深度為100％的自鎖

11、模現(xiàn)象。
　　本研究論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　1.研究了LD泵浦Nd∶KLu(WO4)2被動鎖模激光特性。使用SESAM作為可飽和吸收體，獲得了11.4ps的超短脈沖，平均輸出功率為1.4W。這是首次有關(guān)LD泵浦Nd∶KLu(WO4)2被動鎖模激光器的報道。證明了Nd摻雜的雙鎢酸鹽晶體可以用來獲得高功率皮秒脈沖。
　　2.首次研究了以Yb∶CLNGG作為增益介質(zhì)，以SWCNT為可飽和吸收體的被動鎖模激光特性。當輸出鏡

12、的透過率為0.4％時，獲得最短脈沖寬度為90.2fs，這是目前使用透射式SWCNT在1μm波段所獲得最短脈沖。
　　3.首次研究了以Yb∶CLNGG作為增益介質(zhì)，以SESAM為可飽和吸收體的被動鎖模激光特性。獲得了55.6fs的超短脈沖，平均輸出功率為60.1mW。這是目前為止，在Yb摻雜的各向同性的晶體中，獲得的最短的超短脈沖。
　　4.首次研究了Tm，Ho∶KLu(WO4)2被動鎖模激光器的特性。使用SWCNT作為可飽和