高重复频率掺镱双重频锁模激光器系统的研究

发布时间：2020-07-07 20:36

【摘要】：双光梳测量技术以其高灵敏度、高分辨率和高采样速率等突出技术优势在双光梳精密光谱和距离测量、痕量气体检测、三维形貌成像以及高速异步光学采样等应用领域体现出重要的应用价值。这些要求严苛的实际应用需要高重频、宽光谱、高相干的双光梳系统。然而,目前双光梳精密测量技术在实际操作过程中仍面临着诸多挑战。其一,多数双光梳系统需要两台独立运行的、具有一定重频差的光学频率梳,不可避免引入了复杂的反馈控制电路而导致整个系统体积庞大、造价高昂且维护困难,难以在户外复杂环境下长时间稳定运行。其二,光纤双光梳系统的重复频率仍然较低,普遍为数十至数百MHz量级,限制了测量的速度和灵敏度,因此发展紧凑型高重频双光梳系统是很有必要的。新型双重频锁模激光器可以从同一个腔内发射两重复频率略有差异的相干锁模脉冲序列替代两台独立运行的光学频率梳,极大提升了双光梳的紧凑性。此外,半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模掺镱固态振荡器具备自启动、高重复频率、紧凑结构、低噪声水平等优势一直以来都是发展高功率高重复频率新型固体光学频率梳的首选研究对象,研制高重复频率掺镱双重频SESAM锁模激光器系统是实现小型化高重频双光梳系统的重要途径。本论文围绕“高重复频率掺镱双重频锁模激光器系统”这一主题展开实验研究。研究中分别使用非水基流延成型Yb:YAG、Yb:Lu AG透明陶瓷和固态单晶生长法制备的Yb:YAG多晶平面波导为增益介质,基于SESAM锁模技术和双通道端面泵浦技术,逐步完成了高功率连续和调谐振荡器,单重频锁模振荡器和1GHz双重频锁模脉冲振荡器的研制。本学位论文的主要研究内容概括如下:1.研制出系列高功率掺镱连续激光振荡器。在连续激光器研制中,先后采用了非水基流延成型Yb:YAG、Yb:Lu AG透明陶瓷和固态单晶化Yb:YAG多晶平面波导作为增益介质,其中:采用非水基流延成型Yb:YAG陶瓷作为增益介质,基于V型腔实现了最高输出功率7.59 W,斜效率84.4%的高效率Yb:YAG陶瓷激光器;采用固态单晶生长法制备的Yb:YAG平面波导作为增益介质,基于V型腔实现了最高功率3.4W,斜效率60%的连续激光输出,这是基于固态单晶化法制备的掺镱平面波导激光器的最优结果。2.使用了不同色散棱镜作为腔内色散元件,研制成系列波长调谐掺镱激光振荡器。研究中所用的增益介质与上述连续激光器中的相同,并使用了不同的色散棱镜研究了它们在V型腔中的波长调谐性能。其中使用SF57棱镜研制出1012nm~1074 nm宽带连续调谐的Yb:YAG陶瓷振荡器;和1021 nm~1055 nm波段连续调谐Yb:YAG平面波导激光器。3.研制出系列稳定运行的高重复频率掺镱单重频锁模激光器系统,这为后面研发高重频掺镱双重频锁模激光器提供了关键的技术支撑。研究中依次采用非水基流延成型Yb:YAG、Yb:Lu AG透明陶瓷和固态单晶化Yb:YAG多晶平面波导作为增益介质,基于相同的SESAM先后实现了Yb:YAG锁模激光器、Yb:Lu AG锁模激光器和固态单晶化Yb:YAG平面波导锁模激光器。在国际上首次实现固态单晶化Yb:YAG平面波导的锁模激光运行。这些锁模激光器都具有光谱宽度较窄、自启动和运行状态稳定的特点。4.研制出一种高重复频率掺镱双重频锁模激光器系统,在前面连续和单重频锁模研究成果的基础上,选用无水基流延成型法制备的Yb:YAG透明陶瓷作为增益介质,联合使用半导体可饱和吸收镜锁模技术和双通道抽运技术,在紧凑Z型腔中实现了1-GHz重复频率的双重频锁模激光器的研制,这是采用新型非水基流延成型Yb:YAG陶瓷实现锁模的最高脉冲重复频率。双梳脉冲光束在腔内存在的微小夹角导致两脉冲序列在腔内运行周期和路径均不同,由此产生了23 k Hz的重频差,通过改变两脉冲传输方向夹角对重频差进行调谐。重复频率和重频差的标准偏差分别为1 k Hz和190 Hz。双重频脉冲序列的光谱半高全宽分别为0.65 nm和0.73 nm,两者光谱中心波长基本一致,光谱重叠程度高。该激光器具有体积小巧、自启动锁模、位相相干和稳定运行的特点,为发展小型化实时双光梳精密光谱和绝对距离测量应用提供了一种备选方案。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：

设计图,型腔,设计图,斜效率

a)平平腔和(b)V 型腔 Yb:LuAG 连续激光振荡器设计图。LD：激光M1和 M2：平面腔镜和球凹面腔镜，OC：输出耦合镜果与分析t.%Yb:LuAG 陶瓷为增益介质，按照如图 2.4 所示的设计方腔进行了连续激光性能研究。图 2.5 所示为不同输出耦合瓷分别在平平腔和三镜腔的连续激光输出功率和中心波长。中，T=2%、5%和 10%的耦合输出镜下的最大输出功率分3 W，相应的斜效率分别高达 44.8%、33.4%和 23.7%，中心波5(b)可知在 V 型腔中，不同输出耦合镜下的最高输出功率分.95 W，相应的斜效率分别达到 48.2%、36.6%和 23.8%，与之前的 Yb:YAG 陶瓷相比，15at.% Yb:LuAG 陶瓷虽然增有效吸收率高达 84.6%，相应的光-光转换效率低，在运转

示意图,芯层,波导结构,对称平面

第二章高功率掺镱陶瓷连续振荡器的研制光器领域，不仅是从百微米级集成光学器件到千公里级远距离光纤通信传输光的基本要素，还是半导体激光器和稀土离子掺杂波导激光器的关波导结构的最简单结构就是一维导波的平面波导，典型的平面波导结构三明治，如图 2.7 中所示，由上下两层低折射率的包层和中间具有较高构成。芯层和包层的折射率分别为和，两者满足 > ，周围环境根据光的全反射原理，即当光以大于临界角的入射角从光密介质射向光两介质临界面会发生全反射，入射光全部反射回光密介质，而不会透过此满足全发射条件的入射光，在芯层与包层的两个临界面发生多次全反在芯层内沿锯齿状轨迹单向传导。

平面波导,连续激光器,高功率,多晶

第二章高功率掺镱陶瓷连续振荡器的研制长度分别为 6 mm 和 8 mm 的两块 12at% Yb:YAG 多长度的平面波导在同一个腔的连续激光输出性能。波微米，波导数值孔径约为 0.066，可以实现对光的波导浦光波段和激光波段的透过率高达 84%，侧面均作磨并固定在纯铜水冷热沉上，水冷温度设为 14℃。为了一个输出尾纤直径为 100μm 的光纤耦合高功率 970光纤输出的发散泵浦光由一对焦距同为 50 mm 的透处光斑直径为 100 μm，可以实现腔内的模式匹配。

【相似文献】