基于新型宽带可饱和吸收体固体脉冲激光器的实验研究

发布时间：2020-04-24 06:23

【摘要】：固体脉冲激光器因为具有稳定耐用、脉冲能量大、众多激发波长等优势在激光“微加工”行业中占据着不可替代的份额。随着商用激光器的低成本化和多样化的发展趋势,相关研究者们正致力于寻找一些廉价的高性能材料来取代原有昂贵的激光器件。目前,作为脉冲激光器中重要的非线性调制器件,新型可饱和吸收体的探寻已经成为一个备受关注的研究热点。基于碳纳米管、石墨烯以及其他纳米材料的新型可饱和吸收器件层出不穷。与传统的半导体可饱和吸收镜(SESAM)相比,这些材料成本低廉,制备简单。尤其像石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷(BP)等纳米材料更是在紫外到红外的宽波段内具有优越的非线性光学响应,被称为宽带可饱和吸收体。然而,由于多数纳米材料本身的不稳定性导致新型宽带可饱和吸收器件的损伤阈值较低,并且不成熟的制备工艺也使得器件的插入损耗过大,阻碍了新型纳米材料吸收体在高功率固体脉冲激光器中的应用。本论文不仅搭建了高出光斜效率的SESAM固体锁模激光器,还研究了羧基氧化石墨烯(GO-COOH)、二硫化钨(WS_2)、BP以及四氧化三铁(Fe_3O_4)四种纳米材料的非线性光学特性,并结合材料的特殊物理性质,通过制备工艺的改良,制作了适用于固态激光谐振腔的低插入损耗和高损伤阈值可饱和吸收体器件。最终,将它们分别应用到掺钕固体激光器中,实现了平均功率在瓦级以上的脉冲输出。本文研究内容包括四个方面:1.基于可饱和吸收体被动锁模原理,我们将一个国产SESAM应用到固体Nd:YVO_4激光折叠腔中,得到了稳定锁模激光输出。其平均输出功率为5.11 W、脉冲宽度为25.1 ps、重复频率为124 MHz。并且,光光转换效率为36.5%,斜效率高达47.1%,体现了国产SESAM技术上的进步。2.利用液相剥离法和垂直生长法分别制备了WS_2溶液和薄膜可饱和吸收体。溶剂的快速散热作用有效提高了溶液吸收体的热损伤阈值,并借助于镀膜的石英比色皿,我们将溶液吸收体用于固体激光器中,通过对比实验研究了不同浓度WS_2溶液对激光脉冲的调制作用,基于最优浓度配比实现了平均输出功率为720 mW的调Q激光。而垂直生长法制备的均匀WS_2薄膜的厚度较薄,并且,石英基底的光损耗也比溶液吸收体器件中比色皿和溶剂的损耗小很多,因此,将其用于谐振腔中得到高斜效率、瓦级平均输出功率、大于1 MHz重复频率的调Q激光输出。3.分别研究了BP纳米片和Fe_3O_4纳米颗粒的可饱和吸收特性。两种纳米材料都表现出了优越的非线性吸收响应,然而,鉴于这两类材料在应用过程中所表现出来的易氧化变质特点,采用溶液吸收体的封装方式来减少纳米材料与空气的接触,延长材料的使用寿命。并对吸收体的溶剂进行优化,选用了沸点更高、透光性更好的N-甲基吡喏烷酮(NMP)溶液,减少了可饱和吸收器件的插入损耗,并进一步提高了吸收体抗热损伤能力。最终,将BP可饱和吸收体调Q激光器的输出功率提升到了瓦级以上;同时,也是首次将Fe_3O_4纳米材料成功应用到固体激光器中。4.提出利用LB拉膜法制备均匀有序超薄可饱和吸收薄膜的方案。该方案的优势还体现在:成膜均匀性高、厚度可控,提高了吸收体参数的可重复性;常温常压的制备条件避免了材料结构的破坏。结合非线性光学材料GO-COOH在水溶液中的高分散性,最终实现了超薄纳米片在石英基底上的均匀排列,得到了一个低损耗的透过式GO-COOH可饱和吸收器件。将其用于固体Nd:GdVO_4激光器中,所得被动调Q激光的最大平均输出功率为1.1 W,出光斜效率高达35.6%;被动调Q锁模激光输出的平均功率也达到1.33 W。实验结果体现了LB拉膜法制备的GO-COOH可饱和吸收体在高功率固体脉冲激光器中的应用优势与潜力。
【图文】：

固体脉冲激光器,二维码,激光刻蚀,聚乳酸

图 1.1 固体脉冲激光器的工业应用：（a）手机部件的加工；（b）线路板二维码的打标；（c）激光刻蚀；（d）聚乳酸材料的加工；（e）光子晶体加工；（f）银片加工。Figure 1.1 The industrial applications of pulsed solid state lasers: (a) processing ofcellphone components; (b) marking of two-dimensional code on the circuit board; (c) laserablation; (d) processing of polylactic acid material; (e) processing of photonic crystals; (f)processing of silver piece.随着激光微加工行业对加工精度和特殊材料加工的严格要求，，固体脉冲激光器市场迎来了新的增长机会。至 2015 年，固体激光器在材料微加工领域的销售额达到 257.7 百万美元；在 3C 产品制造和增材制造两个微加工领域的销售额分别达到 69.8 百万美元和 41.8 百万美元，行业占比均超过 60%，并且 2015 到2016 年的增长率分别为 5%和 37%；固体激光器在激光打标加工市场的销售额可达到 50.2 百万美元，2016 年的年增长率为 3.9%，并且，伴随着激光打标技

被动调Q,谐振腔,技术,腔内

探索了几种新型纳米材料的非线性光学特光器中的应用进行了研究。接下来，首先介绍一下基于 Q 技术和被动锁模技术。 Q 技术一种通过谐振腔 Q 值突变来获得高峰值功率脉冲的技的是谐振腔的品质因数：00022()()2 ncEnLEPE 单位时间内损耗的能量储存在腔内的总能量示储存在腔内的总能量，δ表示光在腔内传播一次的能量n 表示腔内介质折射率，c 表示光速，λ0表示真空中激光中心频率。根据式 1.1，Q 和谐振腔损耗率δ是反比关系的是腔内损耗情况。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248.1

【参考文献】