基于激光差频技术的高功率中红外皮秒脉冲簇激光光源研究
发布时间：2021-07-09 06:50
波长处于3 μm的中波红外激光因位于水分子强烈共振吸收光谱峰而被视为消融切割生物组织的最有效光源之一。迄今为止,该波段皮秒脉冲激光已被用作高精度手术刀,实现对多种生物组织的低损伤消融切割。相比于传统脉冲激光,超短脉冲簇激光已被证实在进行材料消融时具有更快的消融效率,更少的脉冲能量消耗以及更低的连带热损伤。因此使用中红外超短脉冲簇激光对生物组织进行消融处理具有可行性和重大研究价值。非线性频率转换作为产生中红外激光的常用技术手段,可实现宽光谱范围的超短脉冲激光输出,其中基于准相位匹配的周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体（PPMgLN）因工作波段广、抗损伤阈值高、有效非线性系数大等优点,而成为非线性频率转换最有效工作介质之一。本论文主要围绕主振荡-功率放大（MOPA）结构的掺镱光纤激光器及其泵浦的光参量差频系统（DFG）以产生高功率中红外超短脉冲簇激光光源展开,具体工作内容包括:1.分别搭建基于非线性放大环形镜（NALM）和二维材料可饱和吸收体（MoO3/CNTs）的全光纤被动锁模激光器。通过对比激光器输出功率和长期稳定性,选取前者作为产生超短脉冲序列的种子源,并引入反射型相位偏置器解决了该结构...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１两种基于材料ＳＡ的锁模光纤激光器谐振腔结构图：ａ，线性腔［５１］；?ｂ，环形腔〖５２］??
浙江大学博士学位论文?绪论??（ａ）?｜?９７４?ｎｍ?（，＞）??，?—??Ｔ?ｐｕｍｐ?ｄｉｃｘｌｅ?Ａ?、??畏入二丨丨丨：Ｆ?１?Ｈ?＾４??Ｌａｓｅｒ?ｍｉｌ?ＷＤＭ?ＦＢＧ?ｃｐｑａｍ?＾?喊?—二―??ＳＥＳＡＭ?Ａ???＿??图１．１两种基于材料ＳＡ的锁模光纤激光器谐振腔结构图：ａ，线性腔［５１］；?ｂ，环形腔〖５２］??环形腔结构中可饱和吸收体与光纤耦合方式多样（如直贴光纤端面、倏逝场??耦合或者空心光纤内表面附着等），因此易于集成，实现全光纤化。但由于环形??腔的腔长一般较长，难以获得超高重频脉冲激光输出。图１．２是几种具有代表性??的光纤与可饱和吸收体之间耦合方式示意图。随着近年来Ｇｒａｐｈｅｎｅｓ、ＣＮＴｓ和其??他新型二维材料相继出现，基于材料可饱和吸收体的环形腔激光器也在不断丰富。??如２０１０年，Ｌ．?Ｍ．?Ｚｈａｏ等人［２６１首次利用多层石墨烯搭建掺Ｙｂ３＋光纤环形腔被动??锁模激光器，在１０６９．８?ｎｍ处实现皮秒脉冲输出。??ａ?Ａｄａｐｔｅｒ?ｂ?ｃ??ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ?ｃｏｒｅ??Ｃｏａｔｅｄ?ＳＡ?＼?丁??ｊｋ??ｃｏｒｅ?ｃｏｒｅ??图１．２光纤与可饱和吸收材料之间典型耦合方式图［？］??由于可饱和吸收材料的非线性响应时间一般比脉宽长，导致直接得到的激光??脉宽通常为皮秒量级，且当腔内无脉冲传输时连续光背景噪声会被放大，引起锁??模脉冲时域抖动（ＴｉｍｉｎｇＪｉｔｔｅｒ）?［５４］。此外，材料可饱和吸收体的损伤阈值普遍较??低，长时间工作可能会导致非线性响应速度退化或是永久性损伤，从而降低激光??器的整体寿命。??基于结构化的可饱和吸
功率放大器概述??随着超快激光在工业加工、生物医疗和科学研究等领域的应用拓展，光纤激??光振荡器直接输出ｎＪ量级的脉冲能量已无法满足指标需求。要获取更高能量的??脉冲激光，需借助于激光功率放大技术，其中最具代表性的是主振荡功率放大器??（Ｍａｓｔｅｒ?ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ?ｐｏｗｅｒ?ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，?ＭＯＰＡ?）。光纤?ＭＯＰＡ?是指利用半导体激??光器泵浦掺杂增益光纤，对稳定的小功率激光种子源进行功率提升，其优点包括??结构简单、散热性好、易实现全光纤化与集成化等。图１．４是典型的光纤ＭＯＰＡ??系统结构示意图。??增益光纤???ｉ?ｉ?＾??种子ｇ?［?ｖ?Ｊ?（Ｔ＾Ｄ?—？??隔离器?合束器?隔离器?输出??图１．４典型的光纤ＭＯＰＡ系统结构框架图??理论上多级ＭＯＰＡ级联可实现超大脉冲能量激光输出，而光纤放大级制约??超短脉冲实现高峰值功率的主要因素在于非线性相位积累导致光谱展宽，同时??ＡＳＥ将会降低泵浦光的转换效率。抑制ＡＳＥ可通过在每级ＭＯＰＡ之间插入滤波??器来实现，而采用大模场增益和传输光纤则可有效降低纤芯功率密度，是降低非??线性效应的最直接有效途径之一。早在１９８８年，Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ等人［６３］设计制作出双??包层掺Ｎｄ３＋增益光纤，为获取更高输出功率水平奠定了基矗此后多种掺杂大模??场双包层光纤、光子晶体光纤以及棒状光子晶体光纤相继发展问世，其中由于镱??（Ｙｂ３＋）离子极高的量子效率和较宽的辐射光谱范围而成为实现高功率脉冲激光??的重点研究对象。如２００２年，Ｊ．Ｌｉｍｐｅｒｔ等人［６４】利用３０／４００＾ｍ双包层掺镱光纤??对Ｎｄ：ｇｌａｓｓ锁模脉冲种子源进行
【参考文献】：
期刊论文
[1]Yb-doped passively mode-locked fiber laser with Bi2Te3-deposited[J]. 李璐,闫培光,王勇刚,段利娜,孙航,司金海. Chinese Physics B. 2015(12)
[2]Fiber laser-pumped,chirped,PPMgLN-based high efficient broadband mid-IR generation[J]. 吴波,陈滔,王杰,姜培培,杨丁中,沈永行. Chinese Optics Letters. 2013(08)
本文编号：3273256
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１两种基于材料ＳＡ的锁模光纤激光器谐振腔结构图：ａ，线性腔［５１］；?ｂ，环形腔〖５２］??
浙江大学博士学位论文?绪论??（ａ）?｜?９７４?ｎｍ?（，＞）??，?—??Ｔ?ｐｕｍｐ?ｄｉｃｘｌｅ?Ａ?、??畏入二丨丨丨：Ｆ?１?Ｈ?＾４??Ｌａｓｅｒ?ｍｉｌ?ＷＤＭ?ＦＢＧ?ｃｐｑａｍ?＾?喊?—二―??ＳＥＳＡＭ?Ａ???＿??图１．１两种基于材料ＳＡ的锁模光纤激光器谐振腔结构图：ａ，线性腔［５１］；?ｂ，环形腔〖５２］??环形腔结构中可饱和吸收体与光纤耦合方式多样（如直贴光纤端面、倏逝场??耦合或者空心光纤内表面附着等），因此易于集成，实现全光纤化。但由于环形??腔的腔长一般较长，难以获得超高重频脉冲激光输出。图１．２是几种具有代表性??的光纤与可饱和吸收体之间耦合方式示意图。随着近年来Ｇｒａｐｈｅｎｅｓ、ＣＮＴｓ和其??他新型二维材料相继出现，基于材料可饱和吸收体的环形腔激光器也在不断丰富。??如２０１０年，Ｌ．?Ｍ．?Ｚｈａｏ等人［２６１首次利用多层石墨烯搭建掺Ｙｂ３＋光纤环形腔被动??锁模激光器，在１０６９．８?ｎｍ处实现皮秒脉冲输出。??ａ?Ａｄａｐｔｅｒ?ｂ?ｃ??ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ?ｃｏｒｅ??Ｃｏａｔｅｄ?ＳＡ?＼?丁??ｊｋ??ｃｏｒｅ?ｃｏｒｅ??图１．２光纤与可饱和吸收材料之间典型耦合方式图［？］??由于可饱和吸收材料的非线性响应时间一般比脉宽长，导致直接得到的激光??脉宽通常为皮秒量级，且当腔内无脉冲传输时连续光背景噪声会被放大，引起锁??模脉冲时域抖动（ＴｉｍｉｎｇＪｉｔｔｅｒ）?［５４］。此外，材料可饱和吸收体的损伤阈值普遍较??低，长时间工作可能会导致非线性响应速度退化或是永久性损伤，从而降低激光??器的整体寿命。??基于结构化的可饱和吸
功率放大器概述??随着超快激光在工业加工、生物医疗和科学研究等领域的应用拓展，光纤激??光振荡器直接输出ｎＪ量级的脉冲能量已无法满足指标需求。要获取更高能量的??脉冲激光，需借助于激光功率放大技术，其中最具代表性的是主振荡功率放大器??（Ｍａｓｔｅｒ?ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ?ｐｏｗｅｒ?ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，?ＭＯＰＡ?）。光纤?ＭＯＰＡ?是指利用半导体激??光器泵浦掺杂增益光纤，对稳定的小功率激光种子源进行功率提升，其优点包括??结构简单、散热性好、易实现全光纤化与集成化等。图１．４是典型的光纤ＭＯＰＡ??系统结构示意图。??增益光纤???ｉ?ｉ?＾??种子ｇ?［?ｖ?Ｊ?（Ｔ＾Ｄ?—？??隔离器?合束器?隔离器?输出??图１．４典型的光纤ＭＯＰＡ系统结构框架图??理论上多级ＭＯＰＡ级联可实现超大脉冲能量激光输出，而光纤放大级制约??超短脉冲实现高峰值功率的主要因素在于非线性相位积累导致光谱展宽，同时??ＡＳＥ将会降低泵浦光的转换效率。抑制ＡＳＥ可通过在每级ＭＯＰＡ之间插入滤波??器来实现，而采用大模场增益和传输光纤则可有效降低纤芯功率密度，是降低非??线性效应的最直接有效途径之一。早在１９８８年，Ｅ．Ｓｎｉｔｚｅｒ等人［６３］设计制作出双??包层掺Ｎｄ３＋增益光纤，为获取更高输出功率水平奠定了基矗此后多种掺杂大模??场双包层光纤、光子晶体光纤以及棒状光子晶体光纤相继发展问世，其中由于镱??（Ｙｂ３＋）离子极高的量子效率和较宽的辐射光谱范围而成为实现高功率脉冲激光??的重点研究对象。如２００２年，Ｊ．Ｌｉｍｐｅｒｔ等人［６４】利用３０／４００＾ｍ双包层掺镱光纤??对Ｎｄ：ｇｌａｓｓ锁模脉冲种子源进行
【参考文献】：
期刊论文
[1]Yb-doped passively mode-locked fiber laser with Bi2Te3-deposited[J]. 李璐,闫培光,王勇刚,段利娜,孙航,司金海. Chinese Physics B. 2015(12)
[2]Fiber laser-pumped,chirped,PPMgLN-based high efficient broadband mid-IR generation[J]. 吴波,陈滔,王杰,姜培培,杨丁中,沈永行. Chinese Optics Letters. 2013(08)
本文编号：3273256
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