激光二極管泵浦的固體激光器研究.pdf

1、隨著近20年來高功率激光二極管(半導(dǎo)體激光器)的出現(xiàn)，二極管泵浦的固體激光器取得了飛速的發(fā)展。由于二極管泵浦的固體激光器具有可靠、高效、小型化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、醫(yī)療、國防以及科學(xué)研究等領(lǐng)域。然而，研制出多樣化、高水平的二極管泵浦的固體激光器以滿足不同的應(yīng)用需求，仍然是一個重要的課題。 目前，關(guān)于激光二極管泵浦的固體激光器研究，主要集中在以下兩個方面： 1、新的固體激光材料的研究。特別是近幾年來出現(xiàn)的多晶陶

2、瓷激光材料，引起了廣泛的關(guān)注。 2、超快固體激光器的研究。超快固體激光器朝著高功率，高重復(fù)頻率，短脈寬方向發(fā)展。 本論文圍繞二極管泵浦的固體激光器，開展了以下幾個方面的研究工作： 一、研制了一個鎖模的飛秒Nd：glass激光器,并通過添加耦合腔的方式提高了鎖模脈沖的重復(fù)頻率。 和其它的磷酸鹽玻璃相比，我們用的N21型磷酸鹽玻璃有更寬的增益帶寬和更大的非線性折射率，這就潛在的有可能產(chǎn)生窄的鎖模脈沖。我們研制

3、了一個激光二極管泵浦的鎖模釹玻璃激光器，產(chǎn)生了85 fS的鎖模脈沖。這個激光器產(chǎn)生的85 fs鎖模脈沖是所有摻釹磷酸鹽玻璃激光器產(chǎn)生的脈沖中最短的。另外，我們通過在腔外添加耦合腔的方法，成功地把鎖模脈沖重復(fù)率提高了1倍和2倍，并理論分析了這種方法的可行性條件。我們的Nd：glass飛秒激光器可以為其它的飛秒激光應(yīng)用提供可靠的飛秒激光源，另外通過添加耦合腔提高重復(fù)率的方法對其它超快固體激光器也有重要的借鑒意義。 二、研究了Nd：Y

4、AG陶瓷的激光性能,以及GaAs-Nd：YAG陶瓷的Q開關(guān)性能。首次提出并成功實(shí)現(xiàn)了利用GaAs薄片的非線性F-P干涉效應(yīng)來鎖模Nd：YAG陶瓷激光器。最后,SESAM鎖模也披實(shí)驗(yàn)研究。 和傳統(tǒng)的單晶相比，多晶陶瓷有制造周期短，潛在的廉價，易于實(shí)現(xiàn)高摻雜濃度和大尺寸樣品等一系列優(yōu)點(diǎn)。在文中我們首先總結(jié)了它的熱學(xué)、光學(xué)以及機(jī)械性能，并研究了它的CW激光特性。研究結(jié)果表明，Nd：YAG陶瓷有與Nd：YAG單晶相當(dāng)?shù)募す庑省?

5、 另外，通過GaAs單晶作為可飽和吸收體，我們研究了Nd：YAG陶瓷的調(diào)Q激光性能。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)GaAs存在兩種吸收機(jī)制，對應(yīng)著完全不同的兩種調(diào)Q結(jié)果。當(dāng)GaAs中光強(qiáng)較弱時，GaAs中主要是線性的單光子吸收，此時產(chǎn)生的Q開關(guān)脈沖脈寬較寬，單脈沖能量低。當(dāng)GaAs中的光強(qiáng)很強(qiáng)時，GaAs中除了單光子吸收，還存在非線性的雙光子吸收和自由載流子吸收，此時產(chǎn)生的Q開關(guān)脈沖脈寬顯著縮短，脈沖能量也顯著提高。最后，我們研究了Nd：YAG陶瓷激光

6、器的鎖模性能。首先，我們提出了利用GaAs薄片的非線性F-P干涉效應(yīng)來鎖模的方法，并在Nd：YAG陶瓷激光器中成功實(shí)現(xiàn)了鎖模。另外，我們也研究了SESAM鎖模的Nd：YAG陶瓷激光器性能。我們發(fā)現(xiàn)，前一種方法得到的鎖模脈沖相對較短。 這些工作對Nd：YAG陶瓷激光材料的應(yīng)用具有重要的參考和借鑒作用，同時有助于加深對GaAs材料中豐富的非線性效應(yīng)的理解。 三、研制了一個高功率自鎖模的Yb：Y2O3陶瓷激光器。在這個高功率的

7、陶瓷激光器中,陶瓷的熱透鏡畸變效應(yīng)結(jié)合克爾自聚焦效應(yīng)在激光腔中形成了一個非線性損耗調(diào)制，從而導(dǎo)致了激光器鎖模。 我們數(shù)值模擬了高功率Yb：Y2O3陶瓷激光器中的熱透鏡畸變效應(yīng)，并數(shù)值計(jì)算了它在激光腔中帶來的衍射損耗。數(shù)值結(jié)果表明，熱透鏡畸變結(jié)合陶瓷中的克爾自聚焦效應(yīng)，形成了一個足夠大的非線性損耗調(diào)制，導(dǎo)致了激光器鎖模。我們利用這種方法成功實(shí)現(xiàn)了高功率Yb：Y2O3陶瓷激光器的鎖模。這種鎖模方法無需在腔內(nèi)插入其它的主動和被動元件，

8、使腔結(jié)構(gòu)簡單緊湊。而且，這種鎖模方法的應(yīng)用可以推廣到其它的高功率激光器，是SESAM鎖模的一個很好的補(bǔ)充。這個工作的研究成果被Optics&Laser Europe magazine報(bào)道。 四、研究了Yb：NaY(WO4)2單晶材料的光學(xué)與激光性能,其中包括它的吸收和熒光光譜,激光效率,波長調(diào)諧以及自泳沖現(xiàn)象. Yb：NaY(WO4)2是一種新出現(xiàn)的激光單晶材料。由于它的Na離子和Y/Yb離子在某些晶格位置上隨機(jī)分布，這

9、有效地加寬了它的吸收和熒光光譜，從而有利于該激光材料的波長調(diào)諧和鎖模。本文中我們研究了該晶體的光譜特性，激光效率，波長調(diào)諧和自脈沖現(xiàn)象，并分析了自脈沖產(chǎn)生的原因。這些研究可能為Yb：NaY(WO4)2單晶激光材料的應(yīng)用和后續(xù)研究提供重要的參考。 五、理論研究了利用級聯(lián)二階非線性過程對鎖模激光器產(chǎn)生的皮秒脈沖進(jìn)行壓縮。 由于大多數(shù)釹離子單晶鎖模激光器產(chǎn)生的脈沖脈寬典型的為10-100 ps。為了得到fS脈沖，我們必須對這些

10、脈沖進(jìn)行腔外壓縮。而要把這些脈沖從ps壓縮到fs量級，就要求在級聯(lián)二階非線性過程中產(chǎn)生大的非線性相移。而級聯(lián)二階非線性過程中產(chǎn)生的非線性相移在較大值時有可飽和的特性，所以通過單級壓縮不可能得到大的壓縮倍數(shù)。在文中我們提出了一種多級壓縮的方案。數(shù)值結(jié)果表明，通過二級壓縮可得到～130倍的壓縮比，而通過三級壓縮可得到～ 1000倍的脈沖壓縮。這些數(shù)值結(jié)果表明，多級壓縮是一種提高脈沖壓縮比的有效方法。這些理論研究將對實(shí)驗(yàn)工作起到重要的