掺铥光纤激光器泵浦的中红外Cr:ZnSe锁模激光器

发布时间：2020-07-13 05:35

【摘要】：自1996年劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)首次报道以来,过渡金属离子掺杂的II-VI族主体材料展现出了较好的中红外激光特性。特别是Cr~(2+)掺杂的II-VI族半导体材料,以Cr:ZnSe/S为典型代表;它具有四能级结构、无激发态吸收、近100%的室温荧光量子效率等特性。且其宽带吸收谱覆盖多种光纤激光源,超宽带发射谱可支持中红外周期量级超短脉冲及大范围可调谐激光的产生。中红外Cr:ZnSe/S激光器以其优良的室温运转性能、高的电光转换效率、大的波长调谐范围以及低廉的成本等很好地满足了新兴材料加工、医疗、科研以及环境探测等领域的需求。特别是超短脉冲Cr:ZnSe/S激光器还可应用于中红外光学频率梳的产生、同步泵浦OPO以及同步泵浦Fe:ZnSe/S激光器等。受限于高效的泵浦源、高质量的晶体以及中红外镀膜等,国内研究相比国际领先水平有较大差距。鉴于此,本课题研究致力于探索Cr:ZnSe激光器中超短脉冲的产生途径;从泵浦源做起,搭建了1908 nm掺铥光纤振荡器。接着采用衍射光栅研究了该晶体的波长调谐性能。随后采用SESAM进行锁模,研究了该晶体在超短脉冲产生方面的性能;并搭建了双光子自相关仪对脉冲宽度进行了测量。最后,采用短波长1935nm皮秒掺铥光纤激光器同步泵浦Cr:ZnSe激光器,获得了同步锁模输出。本论文的研究内容具体包括:1.1908 nm掺铥光纤激光器泵浦的可调谐及自调Q Cr:ZnSe激光器首先搭建了1908 nm短波长掺铥光纤激光器,此1908 nm掺铥光纤激光器为Cr:ZnSe激光器的泵浦源。采用衍射光栅研究了单晶Cr:ZnSe激光器的光谱调谐性能;同时,在Cr:ZnSe激光器中观察到了自调Q现象。具体包括:1)采用两个FBG中间熔接一段掺铥增益光纤搭建了1908 nm高功率掺铥光纤振荡器,得到了最高功率30 W的输出。为利于泵浦Cr:ZnSe激光器,1908 nm掺铥光纤激光器采用带尾纤的准直隔离器输出。2)采用中红外衍射光栅搭建了Littrow结构Cr:ZnSe激光器,实现了2284-2716 nm之间432 nm的连续可调谐;采用22%的OC,抽运功率5W时可在2350-2510 nm范围内获得大于500 mW的激光输出。采用Littman结构实现了线宽小于0.05 nm的输出。3)采用X型四镜腔结构,实现了自调Q运转。在4.91 W泵浦功率下,实现了最大输出功率273 mW,对应斜效率4.9%。最高重复频率1.28 MHz,对应脉宽160 ns。2.1908 nm掺铥光纤激光器泵浦的SESAM锁模Cr:ZnSe激光器1)为对中心波长2.4μm的中红外超短脉冲进行测量,实验中自建了基于双光子吸收的共线干涉自相关仪。2)实验采用调制深度0.6%的SESAM进行锁模,实现了束缚态锁模输出,实验中分别采用两种不同厚度3 mm与5 mm的宝石片进行色散补偿,分别在不同的色散区域实现了束缚态锁模输出。采用4.5%的OC,实现了最高功率403 mW的束缚态锁模输出。3.1935 nm皮秒掺铥光纤激光器泵浦的同步锁模Cr:ZnSe激光器采用平均功率4.5 W,中心波长1935 nm,重频104.5 MHz,脉宽112 ps的掺铥光纤激光器同步泵浦Cr:ZnSe激光器。掺铥光纤激光器为MOPA结构,主放大级采用10/130单模双包层保偏掺铥光纤,14 W泵浦功率下可获得4.5 W线偏振输出。将Cr:ZnSe激光器腔长与泵浦激光重频相匹配可获得104.5 MHz的同步锁模输出。微调Cr:ZnSe激光器可获得209 MHz的谐波锁模运转。4.5 W泵浦功率下采用输出比4.5%的OC可获得输出功率243 mW,对应斜效率6.8%。将斩波轮插入Cr:ZnSe激光器腔内,研究了其自启动性能。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：

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器的发射谱区，其超宽的发射谱可支持周期量级超短脉冲及大范围可调谐中激光的产生。Cr:ZnSe 相比 Cr:ZnS 有着稍高的热膨胀系数，但其荧光淬灭温更高，且 Cr:ZnSe 有着固体增益介质最高的增益带宽与中心波长之比 0.43，适合大范围可调谐及周期量级超短脉冲中红外激光的产生[6]。目前，中红外脉冲激光(2-25 μm)主要应用于高灵敏度气体探测：比如用于远距离检测爆炸及分析病人口气进行疾病诊断等。受中红外增益介质的限制，直接产生 5 上的激光输出比较困难；目前为止直接锁模产生飞秒脉冲的固体及光纤激光部工作在 3 μm 以下。纵然如此，中红外 TM:II-VI 激光器仍然以其优异的性受青睐；相信不久的将来，4-5 μm波段的锁模Fe:ZnSe/S飞秒激光器便可问世本章着重介绍了 2-3 μm 波段中红外 TM:II-VI 激光器的研究意义及发展现括了该类晶体材料的研究进展；最后是本论文的主要研究内容。.1 中红外 TM:II-VI 激光器发展概述

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图 1-3 Cr:ZnSe/S 及 Fe:ZnSe/S 激光器覆盖波段Fig. 1-3 Emission bandwidth of the Cr:ZnSe/S and Fe:ZnSe/S laser渡金属元素是指位于元素周期表中 d 区的一系列元素(TM2+:Co、Cr、包含位于 f 区的元素。Ⅱ-Ⅵ族化合物是由元素周期表中第 VI 主族(包括)和第 II 副族(包括:Zn、Cd、Hg) 元素所组成的化合物(如 ZnSe、ZnS、C:II-VI 族材料的研究始于 20 世纪 60 年代。然而在早期的研究中，TM:I的研究主要集中于不同掺杂离子产生的高效发光以及其对主体材料电影响等方面。II-VI 族材料一般为四配位的闪锌矿或纤锌矿结构。TM取代 II-VI 族材料中的阳离子，无需电荷补偿，掺杂后位于四配位中心度较低)，且掺杂离子与基质离子半径相差较小，掺杂后造成的晶格畸不会对材料光学质量产生明显影响[8]。直到 1996 年，美国劳伦斯-利弗实验室的DeLoach 等报道了TM:II-VI族化合物材料可用作激光增益介其可作为常温中红外激光器可调谐激光源的理想材料。自此，TM:I用于激光产生的研究拉开了帷幕。DeLoach 研究了掺杂 Cr、Co、N

【参考文献】