LD直接泵浦Yb：YAG超短脈沖激光技術(shù)的研究.pdf

1、超短脈沖激光技術(shù)一直以來是激光技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，尤其隨著超短脈沖激光器在物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及激光加工等等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，更加推動(dòng)了這一技術(shù)的不斷發(fā)展。人們也對超短脈沖激光器提出了更高的要求，使得降低能耗，提高效率，減小污染，縮小體積成了這種激光器研究的著眼點(diǎn)。最近幾年，波長在900～1000nm范圍的半導(dǎo)體激光器的商業(yè)化，以及適合這個(gè)波段半導(dǎo)體激光器直接泵浦的摻Y(jié)b3+晶體生長技術(shù)的不斷發(fā)展，使得半導(dǎo)體直接泵浦的全固化

2、超短脈沖激光器成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。這種超短脈沖激光器具有傳統(tǒng)的超短脈沖激光器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：減少了能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了能量的利用率，并且結(jié)構(gòu)緊湊，大大降低了造價(jià)。另外，超短脈沖激光領(lǐng)域的另一重要技術(shù)——半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)生長技術(shù)的逐步成熟，為半導(dǎo)體直接泵浦的被動(dòng)鎖模激光器帶來了生機(jī)。本論文對半導(dǎo)體直接泵浦的Yb：YAG克爾透鏡鎖模激光器和半導(dǎo)體直接泵浦的Yb：YAGSESAM被動(dòng)鎖模激光器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)的研究。論文

3、主要內(nèi)容包括： 1.詳細(xì)介紹了飛秒激光在生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、加工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。介紹了飛秒脈沖激光器發(fā)展經(jīng)歷的幾個(gè)階段：碰撞脈沖鎖模染料激光器，固體介質(zhì)(鈦寶石，Cr：LiSAF等)飛秒激光器，半導(dǎo)體直接泵浦激光介質(zhì)的飛秒脈沖激光器。列舉了最近幾年用于超短脈沖激光器的幾種摻Y(jié)b3+晶體，這類摻Y(jié)b3+晶體的吸收波長可以同半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長很好匹配，具有寬的熒光線寬。使其在半導(dǎo)體直接泵浦的超短脈沖激光器研究領(lǐng)域具有很大潛

4、力，為窄脈寬，小型化超短脈沖激光器的發(fā)展提供了可能。簡要介紹了SESAM被動(dòng)鎖模的歷史；半導(dǎo)體直接泵浦的超短脈沖激光器將在全固化的超短脈沖激光加工系統(tǒng)中扮演一個(gè)非常重要的角色。 2.介紹了實(shí)驗(yàn)所需理論。建立了基于Yb：YAG晶體的準(zhǔn)三能級(jí)速率方程，并對Yb：YAG激光器的閾值和輸入－輸出特性進(jìn)行了分析；介紹了自聚焦機(jī)理，分析克爾透鏡鎖模的原因，分別從穩(wěn)態(tài)自聚焦理論和動(dòng)態(tài)自聚焦理論出發(fā)推導(dǎo)出自聚焦的公式；分析了半導(dǎo)體飽和吸收體的基

5、本結(jié)構(gòu)和時(shí)間特性；系統(tǒng)的闡述了半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的主要特征參數(shù)。介紹了激光器參數(shù)同半導(dǎo)體飽和吸收鏡宏觀特性之間的關(guān)系。從結(jié)構(gòu)上的變化分別對高、低精細(xì)度類型，寬帶低損耗類型等半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和比較。 3.為了滿足實(shí)現(xiàn)克爾透鏡鎖模對泵浦光的嚴(yán)格要求，對激光二級(jí)管的輸出光進(jìn)行嚴(yán)格整型，在考慮球差的情況下，設(shè)計(jì)并搭建整型系統(tǒng)，最后聚焦到晶體內(nèi)部的光斑大小為34μm×20μm，滿足了克爾透鏡鎖模所需要的高功率密度(4

6、.41×105W/cm2)和軟光闌條件；首次在半導(dǎo)體直接泵浦的克爾透鏡鎖模激光器中，對五鏡諧振腔進(jìn)行詳細(xì)的理論分析計(jì)算。將五鏡腔穩(wěn)區(qū)分為左穩(wěn)區(qū)，中穩(wěn)區(qū)和右穩(wěn)區(qū)，計(jì)算出諧振腔工作在這三個(gè)穩(wěn)區(qū)時(shí)的光斑走勢情況，對類似激光器的調(diào)節(jié)具有普遍指導(dǎo)意義；計(jì)算諧振腔在輸出鏡處的非線性調(diào)制損耗強(qiáng)度，分析調(diào)節(jié)諧振腔的過程中，各個(gè)腔參數(shù)對鎖模的影響，確定最佳鎖模腔參數(shù)，在五鏡腔左穩(wěn)區(qū)和中穩(wěn)區(qū)邊緣找到最佳鎖模范圍；計(jì)算比較四鏡腔、五鏡腔的微分增益和ROS值，

7、從理論上找出五鏡諧振腔穩(wěn)定鎖模的根源；為了補(bǔ)償腔內(nèi)色散，壓縮脈沖寬度，詳細(xì)計(jì)算Yb：YAG晶體的二階和三階增益色散，晶體和棱鏡對引入的二階和三階材料正色散。計(jì)算得出最佳棱鏡對間距，引入的負(fù)色散量可以有效補(bǔ)償腔內(nèi)二階色散；根據(jù)前面的理論分析，在國際上，首次利用五鏡諧振腔，并且腔內(nèi)沒有插入硬光闌的情況下實(shí)現(xiàn)Yb：YAG激光器的克爾透鏡鎖模。在國內(nèi)，這是目前實(shí)現(xiàn)Yb：YAG激光器克爾透鏡鎖模的唯一報(bào)導(dǎo)。鎖模平均輸出功率為20mW，鎖模光的譜線

8、寬大于9nm，脈寬為235fs，脈沖重復(fù)頻率為94MHz。 4.采用不同泵浦源和不同的諧振腔型，用半導(dǎo)體可飽和吸收體對LD直接泵浦的Yb：YAG激光器進(jìn)行被動(dòng)鎖模研究。分別采用直腔，Ⅴ型諧振腔和X型諧振腔，并且對這三種腔型進(jìn)行理論計(jì)算，得到諧振腔內(nèi)各處的光斑圖。用激光二極管，半導(dǎo)體陣列和光纖耦合輸出激光器分別作為泵浦源，得到鎖模脈沖的譜線寬度依次為：2.8nm，2nm和1.1nm，三種光譜能夠得到最窄脈寬為：403fs，570f

9、s、1.05ps。首次提出：SESAM被動(dòng)鎖模激光器中，可以得到的最窄脈沖寬度除了司SESAM自身的特性有關(guān)之外，還要受到晶體內(nèi)部光功率密度的影響。 此外，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，摻Y(jié)b3+晶體相比于摻Nd4+晶體更容易得到窄脈寬的被動(dòng)鎖模，這種摻Y(jié)b3+晶體的被動(dòng)鎖模激光器將會(huì)成為被動(dòng)鎖模激光器發(fā)展的主流。 最后，充分利用Yb：YAG晶體上能級(jí)壽命長的特點(diǎn)，采用短腔結(jié)構(gòu)，用輸出鏡式SESAM實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度為200ns的調(diào)Q，輸出功率