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，已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)加工、醫(yī)療、國防以及科學研究等領域。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用需求，仍然是一個重要的課題。 目前，關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用提供可靠的飛秒激光源，另外通過添加耦合腔提高重復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開關性能。首次提出并成功實現(xiàn)了利用GaAs薄片的非線性F-P干涉效應來鎖模Nd：YAG陶瓷激光器。最后,SESAM鎖模也披實驗研究。 和傳統(tǒng)的單晶相比，多晶陶瓷有制造周期短，潛在的廉價，易于實現(xiàn)高摻雜濃度和大尺寸樣品等一系列優(yōu)點。在文中我們首先總結了它的熱學、光學以及機械性能，并研究了它的CW激光特性。研究結果表明，Nd：YAG陶瓷有與Nd：YAG單晶相當?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Q激光性能。實驗中我們發(fā)現(xiàn)GaAs存在兩種吸收機制，對應著完全不同的兩種調Q結果。當GaAs中光強較弱時，GaAs中主要是線性的單光子吸收，此時產(chǎn)生的Q開關脈沖脈寬較寬，單脈沖能量低。當GaAs中的光強很強時，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干涉效應來鎖模的方法，并在Nd：YAG陶瓷激光器中成功實現(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結合克爾自聚焦效應在激光腔中形成了一個非線性損耗調制，從而導致了激光器鎖模。 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，并數(shù)值計算了它在激光腔中帶來的衍射損耗。數(shù)值結果表明，熱透鏡畸變結合陶瓷中的克爾自聚焦效應，形成了一個足夠大的非線性損耗調制，導致了激光器鎖模。我們利用這種方法成功實現(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、使腔結構簡單緊湊。而且，這種鎖模方法的應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充。這個工作的研究成果被Optics&Laser Europe magazine報道。 四、研究了Yb：NaY(WO4)2單晶材料的光學與激光性能,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驗工作起到重要的