鐿離子摻雜LuAG、CLGA和CGA晶體飛秒激光特性研究.pdf

1、超短脈沖激光的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展和應用，是當前激光技術乃至現(xiàn)代科學技術中的一個非常重要的前沿領域。繼鈦寶石飛秒激光器的成熟發(fā)展及廣泛應用之后，激光二極管直接泵浦的全固態(tài)摻鐿激光器因具有體積小、成本低、效率高、增益譜線寬等優(yōu)勢，有望在近紅外波段取代鈦寶石激光器。本論文主要以幾種摻鐿激光晶體Yb∶Lu3Al5O12(Yb∶LuAG)、Yb∶CaLuxGd1-xAlO4(Yb∶CLGA)和Yb∶CaGdAlO4(Yb∶CGA)作為研究對象，分別利用

2、半導體可飽和吸收鏡、二維材料可飽和吸收體、以及克爾效應等方式來實現(xiàn)啟動和穩(wěn)定鎖模，系統(tǒng)研究了這些摻鐿晶體的飛秒脈沖激光輸出特性，致力于實現(xiàn)具有更高功率、更窄脈寬和更高穩(wěn)定性的飛秒脈沖激光輸出。本論文主要研究內容如下:
　　第一章介紹了全固態(tài)飛秒激光器的發(fā)展、特別是激光二極管泵浦的全固態(tài)摻鐿飛秒激光器的發(fā)展現(xiàn)狀，對摻鐿晶體的種類及激光特性進行了歸納總結，指出本論文的研究內容及意義。同時對本論文涉及的激光晶體及可飽和吸收體的超快特性及

3、研究現(xiàn)狀進行了詳細介紹和總結。
　　第二章詳細闡述了全固態(tài)飛秒激光器中克爾透鏡鎖模原理。針對飛秒激光器中不可忽視的色散問題，詳細介紹了晶體色散的計算方法和補償方式。同時針對飛秒激光器中出現(xiàn)的光譜分立現(xiàn)象，分析了兩種不同形成機制及判定方法。
　　第三章以Yb∶LuAG晶體為研究對象，利用SESAM作為可飽和吸收體實現(xiàn)了瓦級飛秒脈沖輸出，證明了Yb∶LuAG晶體是一種適于實現(xiàn)高功率飛秒脈沖激光的優(yōu)秀增益介質。利用黑磷作為可飽和吸

4、收體，實現(xiàn)了Yb∶LuAG雙波長同步鎖模輸出，證實了黑磷的光學調制能力及在雙波長固體鎖模激光器中的應用潛力。
　　第四章對新型無序晶體Yb∶CLGA(1.4 at.％)的光譜、連續(xù)波激光、連續(xù)波調諧及超快激光特性進行了系統(tǒng)的研究。復雜無序的晶格場使其發(fā)射光譜帶寬可達83 nm，同時對比發(fā)現(xiàn)c切晶體比a切晶體具有更寬的發(fā)射光譜及更高的增益截面，更利于實現(xiàn)高功率超短脈沖。利用石英雙折射濾波片實現(xiàn)了Yb∶CLGA連續(xù)波調諧激光輸出，波長

5、調諧范圍寬度為65.7 nm（1023.1 nm到1088.8 nm。利用SESAM作為可飽和吸收體首次實現(xiàn)了Yb∶CLGA鎖模激光輸出，輸出功率、脈寬、中心波長、光譜寬度分別為364 mW、517fs、1054.7 nm、2.93 nm;通過優(yōu)化腔型，增大Yb∶CLGA晶體上的功率密度，激發(fā)晶體的三階非線性效應，實現(xiàn)了SESAM輔助的克爾透鏡鎖模激光器，脈寬壓縮至106 fs，光譜展寬至12nm;進一步優(yōu)化色散補償，光譜展寬至18.5

6、 nm，脈寬壓縮為69.6 fs，輸出功率和中心波長分別為232 mW和1054nm。該工作證實了Yb∶CLGA晶體是一種能夠用于產生Sub-100 fs脈沖的優(yōu)秀超快激光材料。除此之外，將黑磷作為可飽和吸收體應用于Yb∶CLGA激光器中，首次利用黑磷作為調制元件在全固態(tài)激光器中實現(xiàn)飛秒脈沖輸出，脈寬為272 fs，輸出功率820mW。證實了黑磷在全固態(tài)高功率飛秒超快激光器中的應用潛力。
　　第五章研究了高鐿離子摻雜的Yb∶CLG

7、A(4.8 at.％)晶體的光譜，發(fā)現(xiàn)相對于低摻雜的Yb∶CLGA晶體，高摻雜的Yb∶CLGA晶體由于晶格的更加無序導致光譜具有明顯的展寬。通過Z掃描測試對比了不同摻雜濃度、不同切向的Yb∶CLGA晶體的非線性，發(fā)現(xiàn)濃度和切向基本不改變晶體的三階非線性系數?？紤]到晶體質量，我們最終選擇具有相似光譜的高鐿離子摻雜的Yb∶CGA(5 at.％)晶體對其飛秒激光特性進行了探索，最終利用SESAM輔助的克爾透鏡鎖模方式實現(xiàn)了51fs的脈沖輸出，

8、輸出功率、中心波長和光譜帶寬分別為220mW、1057nm和23.57nm。另外，針對新型二維材料ReS2，研究了其帶隙、飽和吸收特性并利用其作為飽和吸收體實現(xiàn)了飛秒激光輸出。理論上利用第一性原理模擬并分析了缺陷對ReS2能帶結構的影響，發(fā)現(xiàn)隨著S空位的增加，ReS2的帶隙逐漸減小。實驗上，利用液相剝離法制備了ReS2可飽和吸收鏡并對其性質進行了全面表征。將其應用于Yb∶CGA固體激光器中實現(xiàn)了323 fS、350mW的飛秒脈沖輸出。這