激光二極管泵浦新型摻鐿全固態(tài)飛秒激光器.pdf

1、半導(dǎo)體激光器泵浦的全固態(tài)超快激光器具有體積小、造價(jià)低、效率高、操作簡(jiǎn)單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在科研、軍事、工農(nóng)業(yè)、人體工程等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。摻鐿固態(tài)材料制作工藝簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)尺寸大、成本低、光學(xué)性能優(yōu)異、能夠輸出近紅外波段激光等特點(diǎn)，在全固態(tài)超快激光器應(yīng)用中發(fā)展迅速，成為人們的研究熱點(diǎn)。目前摻鐿的全固態(tài)激光器大部分采用的是可飽和吸收體輔助的被動(dòng)鎖模方式，這種鎖模方式受限于材料帶寬及損傷閾值等因素，不僅限制產(chǎn)生的激光脈沖寬度，而且易損壞，

2、制約著激光器的使用壽命及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其原因就是可飽吸收體本身帶來的。本論文致力于二極管激光泵浦的新型摻鐿固體飛秒激光器的研究，利用摻鐿激光材料中的三階非線性效應(yīng)，使鎖模激光的帶寬不再受可飽和吸收體的限制，從而壓縮了鎖模激光脈沖的寬度，簡(jiǎn)化了諧振腔結(jié)構(gòu)。理論和實(shí)踐表明這種鎖模方式可以使激光器長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、并能夠產(chǎn)生脈寬更窄的脈沖。本論文通過對(duì)多種新型摻鐿固態(tài)材料的激光性能及鎖模實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了系列不同激光的首次克爾透鏡鎖模，得到的最短

3、脈沖寬度為33 fs，是這類研究同期的國(guó)際最好結(jié)果之一。在攻讀博士期間所展開的主要的研究工作及取得的重要成果有:
　　1.研究分析了四種鐿離子摻雜濃度以及兩種切割方向Yb:YCOB晶體的連續(xù)激光運(yùn)行以及波長(zhǎng)調(diào)諧性能，得到了最高輸出功率為2W的激光，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為93 nm(1007-1100nm)。成功地將SESAM鎖模技術(shù)應(yīng)用到Y(jié)b:YCOB晶體(20 at.％、X-cut)中，輸出鎖模激光的脈沖寬度、光譜寬度、平均輸出功率分別

4、為150 fs、9.6 nm、430mW。搭建了一臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、成本低廉、性能穩(wěn)定的Yb:YCOB鎖模激光樣機(jī)。相關(guān)工作已發(fā)表于Chinese Physics B，2014，23(5):054207。
　　2.研究了Yb: CGA晶體輸出連續(xù)激光、波長(zhǎng)調(diào)諧性能隨不同透過率輸出鏡的演化。連續(xù)激光的輸出功率高達(dá)1020mW，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬至68.5 nm(1006-1074.5 nm)。并且成功地將SESAM被動(dòng)鎖模技術(shù)應(yīng)用到了

5、Yb: CGA晶體中，獲得的鎖模激光脈沖以及光譜寬度分別為185 fs和7.2 nm。
　　3.首次實(shí)現(xiàn)了Yb:YCOB激光的克爾透鏡鎖模，得到了亞50 fs的激光脈沖。在3W入射功率下，輸出了70 mW的穩(wěn)定鎖模激光，激光脈沖寬度、光譜寬度、中心波長(zhǎng)、重復(fù)頻率分別為73 fs、19nm、1040nm、110 MHz。通過進(jìn)一步改進(jìn)諧振腔，選擇更高摻雜濃度(30 at.％)的樣品以及精確補(bǔ)償色散，獲得了脈沖寬度為39fs、光譜寬度

6、為35nm、中心波長(zhǎng)為1049nm的穩(wěn)定鎖模激光脈沖。該項(xiàng)工作證實(shí)了Yb:YCOB晶體是一種能夠用于產(chǎn)生亞50 fs激光脈沖的超快激光材料，相關(guān)工作發(fā)表于OpticsLetters,2014,39(20):5870-5872。
　　4.基于Yb:CGA激光晶體首次實(shí)現(xiàn)克爾透鏡鎖模并且得到了寬波長(zhǎng)調(diào)諧飛秒激光脈沖的輸出。通過調(diào)節(jié)諧振腔可以使得鎖模激光的中心波長(zhǎng)從1043.5 nm調(diào)節(jié)到1076 nm。鎖模激光脈沖寬度是60 fs，與

7、之對(duì)應(yīng)的光譜寬度寬至21.5 nm，中心波長(zhǎng)在1043.8 nm附近。這種基于克爾透鏡鎖模機(jī)制的寬調(diào)諧超短脈沖激光器有望成為穩(wěn)定、高效率、長(zhǎng)壽命、可變頻的實(shí)用超快激光器。相關(guān)工作已發(fā)表于Laser PhysicsLetters,2016,13:015302。
　　5.第一次將克爾透鏡鎖模技術(shù)成功的應(yīng)用到Y(jié)b:CYA激光晶體中。在吸收1.24 W的入射功率情況下，獲得了穩(wěn)定的鎖模激光脈沖。鎖模激光的脈沖寬度、光譜寬度、中心波長(zhǎng)、重復(fù)

8、頻率分別為33fs、49 nm、1059 nm、115 MHz。這也是國(guó)際上基于摻鐿塊狀激光材料輸出的最短鎖模激光脈沖之一。相關(guān)工作已發(fā)表于Photonics Research,2015，3(6):335。
　　6.在Yb:GYSO激光晶體中首次實(shí)現(xiàn)了克爾透鏡鎖模，并且在不同波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了具有不同特點(diǎn)鎖模激光的輸出。當(dāng)鎖模激光穩(wěn)定地工作在長(zhǎng)波1094 nm附近時(shí)，激光的脈沖和光譜寬度為141 fs和10.1 nm，輸出功率為237 m

9、W;而當(dāng)鎖模激光穩(wěn)定地工作在短波1054 nm附近時(shí)，鎖模激光的脈沖和光譜寬度分別為55 fs和23.5 nm，輸出功率為27 mW。首次證實(shí)了Yb:GYSO激光晶體能夠運(yùn)轉(zhuǎn)在雙波長(zhǎng)狀態(tài)。相關(guān)工作已發(fā)表于Applied Sciences，2015，5:817-824。
　　7.成功地將克爾透鏡鎖模技術(shù)應(yīng)用到Y(jié)b:(YLa)2O3激光陶瓷中，研究分析在不同透射率的輸出鏡下輸出激光的演化過程。在4W的入射功率、0.8％透射率的輸出鏡下

10、，輸出鎖模激光可以非常穩(wěn)定地工作在1074.5 nm附近，光譜寬度、脈沖寬度、平均輸出功率分別為17nm、85 fs、80 mW;在4.9 W的入射功率、1.5％透射率的輸出鏡下，輸出的鎖模激光可以非常穩(wěn)定地工作在1072.8 nm附近，光譜寬度、脈沖寬度、平均輸出功率分別為13.4 nm、106 fs、120 mW;在6W的入射功率、2.0％透射率的輸出鏡下，輸出鎖模激光可以穩(wěn)定地工作在1072.5 nm附近，鎖模激光的光譜寬度、脈沖

11、寬度、平均輸出功率分別為8nm、187 fs、260 mW。輸出鏡透射率越小，腔內(nèi)功率密度越大，從而使得鎖模激光的中心波長(zhǎng)發(fā)生了紅移，光譜寬度得到展寬，脈沖寬度進(jìn)一步壓縮。相關(guān)工作已發(fā)表于Laser Physics Letters，2014，11(11):115302。
　　8.研制了一臺(tái)自鎖模Yb:YAG陶瓷激光器，得到了亞百飛秒鎖模激光的輸出。鎖模激光的中心波長(zhǎng)位于長(zhǎng)波1049 nm附近，對(duì)應(yīng)的光譜和脈沖寬度為為13nm和97