激光二极管泵浦新型掺镱全固态飞秒激光器

发布时间：2019-02-12 14:51

【摘要】：半导体激光器泵浦的全固态超快激光器具有体积小、造价低、效率高、操作简单、便于维护等优点,在科研、军事、工农业、人体工程等方面都有广阔的应用前景。掺镱固态材料制作工艺简单、生长尺寸大、成本低、光学性能优异、能够输出近红外波段激光等特点,在全固态超快激光器应用中发展迅速,成为人们的研究热点。目前掺镱的全固态激光器大部分采用的是可饱和吸收体辅助的被动锁模方式,这种锁模方式受限于材料带宽及损伤阈值等因素,不仅限制产生的激光脉冲宽度,而且易损坏,制约着激光器的使用寿命及长期稳定性,其原因就是可饱吸收体本身带来的。本论文致力于二极管激光泵浦的新型掺镱固体飞秒激光器的研究,利用掺镱激光材料中的三阶非线性效应,使锁模激光的带宽不再受可饱和吸收体的限制,从而压缩了锁模激光脉冲的宽度,简化了谐振腔结构。理论和实践表明这种锁模方式可以使激光器长期连续稳定运转、并能够产生脉宽更窄的脉冲。本论文通过对多种新型掺镱固态材料的激光性能及锁模实验研究,实现了系列不同激光的首次克尔透镜锁模,得到的最短脉冲宽度为33 fs,是这类研究同期的国际最好结果之一。在攻读博士期间所展开的主要的研究工作及取得的重要成果有：1.研究分析了四种镱离子掺杂浓度以及两种切割方向Yb:YCOB晶体的连续激光运行以及波长调谐性能,得到了最高输出功率为2 W的激光,波长调谐范围为93 nm(1007-1100 nm)。成功地将SESAM锁模技术应用到Yb:YCOB晶体(20at.%、X-cut)中,输出锁模激光的脉冲宽度、光谱宽度、平均输出功率分别为150 fs、9.6 nm、430 mW。搭建了一台结构紧凑、效率高、成本低廉、性能稳定的Yb:YCOB锁模激光样机。相关工作已发表于Chinese Physics B,2014,23(5):054207。2.研究了Yb:CGA晶体输出连续激光、波长调谐性能随不同透过率输出镜的演化。连续激光的输出功率高达1020 mW,波长调谐范围宽至68.5 nm(1006-1074.5 nm)。并且成功地将SESAM被动锁模技术应用到了Yb:CGA晶体中,获得的锁模激光脉冲以及光谱宽度分别为185 fs和7.2 nm。3.首次实现了Yb:YCOB激光的克尔透镜锁模,得到了亚50 fs的激光脉冲。在3 W入射功率下,输出了70 mW的稳定锁模激光,激光脉冲宽度、光谱宽度、中心波长、重复频率分别为73 fs、19nm、1040 nm、110MHz。通过进一步改进谐振腔,选择更高掺杂浓度(30 at.%)的样品以及精确补偿色散,获得了脉冲宽度为39 fs、光谱宽度为35 nnq、中心波长为1049 nm的稳定锁模激光脉冲。该项工作证实了Yb:YCOB晶体是一种能够用于产生亚50 fs激光脉冲的超快激光材料,相关工作发表于Optics Letters,2014,39(20):5870-5872。4.基于Yb:CGA激光晶体首次实现克尔透镜锁模并且得到了宽波长调谐飞秒激光脉冲的输出。通过调节谐振腔可以使得锁模激光的中心波长从1043.5 nm调节到1076nm。锁模激光脉冲宽度是60 fs,与之对应的光谱宽度宽至21.5 nm,中心波长在1043.8 nm附近。这种基于克尔透镜锁模机制的宽调谐超短脉冲激光器有望成为稳定、高效率、长寿命、可变频的实用超快激光器。相关工作已发表于Laser Physics Letters,2016,13:015302。5.第一次将克尔透镜锁模技术成功的应用到Yb:CYA激光晶体中。在吸收1.24 W的入射功率情况下,获得了稳定的锁模激光脉冲。锁模激光的脉冲宽度、光谱宽度、中心波长、重复频率分别为33 fs、49nm、1059 nm、115MHz。这也是国际上基于掺镱块状激光材料输出的最短锁模激光脉冲之一。相关工作已发表于Photonics Research, 2015,3(6):335。6.在Yb:GYSO激光晶体中首次实现了克尔透镜锁模,并且在不同波长实现了具有不同特点锁模激光的输出。当锁模激光稳定地工作在长波1094 nm附近时,激光的脉冲和光谱宽度为141 fs和10.1 nm,输出功率为237 mW；而当锁模激光稳定地工作在短波1054 nm附近时,锁模激光的脉冲和光谱宽度分别为55 fs和23.5 nm,输出功率为27 mW。首次证实了Yb:GYSO激光晶体能够运转在双波长状态。相关工作已发表于Applied Sciences,2015,5:817-824。7.成功地将克尔透镜锁模技术应用到Yb:(YLa)2O3激光陶瓷中,研究分析在不同透射率的输出镜下输出激光的演化过程。在4 W的入射功率、0.8%透射率的输出镜下,输出锁模激光可以非常稳定地工作在1074.5 nm附近,光谱宽度、脉冲宽度、平均输出功率分别为17 nm、85fs、80 mW;在4.9 W的入射功率、1.5%透射率的输出镜下,输出的锁模激光可以非常稳定地工作在1072.8 nm附近,光谱宽度、脉冲宽度、平均输出功率分别为13.4 nm、106 fs、120 mW;在6 W的入射功率、2.0%透射率的输出镜下,输出锁模激光可以稳定地工作在1072.5 nm附近,锁模激光的光谱宽度、脉冲宽度、平均输出功率分别为8 nm、187 fs、260 mW。输出镜透射率越小,腔内功率密度越大,从而使得锁模激光的中心波长发生了红移,光谱宽度得到展宽,脉冲宽度进一步压缩。相关工作已发表于Laser Physics Letters,2014, 11(11):115302。8.研制了一台自锁模Yb:YAG陶瓷激光器,得到了亚百飞秒锁模激光的输出。锁模激光的中心波长位于长波1049 nm附近,对应的光谱和脉冲宽度为为13 nm和97fs。锁模激光最大平均输出功率、单个脉冲能量达到了的320 mW和2.8 nJ。证实了Yb:YAG激光陶瓷是一种有望得到高功率、高效率、短脉冲超快激光的激光陶瓷材料。相关工作已发表于Chinese Physics B,2016,25(2):024204。
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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248.1

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