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(yīng)用，是當(dāng)前激光技術(shù)乃至現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的一個(gè)非常重要的前沿領(lǐng)域。繼鈦寶石飛秒激光器的成熟發(fā)展及廣泛應(yīng)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(shì)，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(duì)象，分別利用

2、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、二維材料可飽和吸收體、以及克爾效應(yīng)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)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(shí)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?jī)?nèi)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(duì)摻鐿晶體的種類及激光特性進(jìn)行了歸納總結(jié)，指出本論文的研究?jī)?nèi)容及意義。同時(shí)對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)介紹和總結(jié)。
　　第二章詳細(xì)闡述了全固態(tài)飛秒激光器中克爾透鏡鎖模原理。針對(duì)飛秒激光器中不可忽視的色散問(wèn)題，詳細(xì)介紹了晶體色散的計(jì)算方法和補(bǔ)償方式。同時(shí)針對(duì)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(jī)制及判定方法。
　　第三章以Yb∶LuAG晶體為研究對(duì)象，利用SESAM作為可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)飛秒脈沖輸出，證明了Yb∶LuAG晶體是一種適于實(shí)現(xiàn)高功率飛秒脈沖激光的優(yōu)秀增益介質(zhì)。利用黑磷作為可飽和吸

4、收體，實(shí)現(xiàn)了Yb∶LuAG雙波長(zhǎng)同步鎖模輸出，證實(shí)了黑磷的光學(xué)調(diào)制能力及在雙波長(zhǎng)固體鎖模激光器中的應(yīng)用潛力。
　　第四章對(duì)新型無(wú)序晶體Yb∶CLGA(1.4 at.％)的光譜、連續(xù)波激光、連續(xù)波調(diào)諧及超快激光特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。復(fù)雜無(wú)序的晶格場(chǎng)使其發(fā)射光譜帶寬可達(dá)83 nm，同時(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)高功率超短脈沖。利用石英雙折射濾波片實(shí)現(xiàn)了Yb∶CLGA連續(xù)波調(diào)諧激光輸出，波長(zhǎng)

5、調(diào)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(shí)現(xiàn)了Yb∶CLGA鎖模激光輸出，輸出功率、脈寬、中心波長(zhǎng)、光譜寬度分別為364 mW、517fs、1054.7 nm、2.93 nm;通過(guò)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(yīng)，實(shí)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(jìn)一步優(yōu)化色散補(bǔ)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(zhǎng)分別為232 mW和1054nm。該工作證實(shí)了Yb∶CLGA晶體是一種能夠用于產(chǎn)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(yīng)用于Yb∶CLGA激光器中，首次利用黑磷作為調(diào)制元件在全固態(tài)激光器中實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖輸出，脈寬為272 fs，輸出功率820mW。證實(shí)了黑磷在全固態(tài)高功率飛秒超快激光器中的應(yīng)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(duì)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(wú)序?qū)е鹿庾V具有明顯的展寬。通過(guò)Z掃描測(cè)試對(duì)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(shù)?？紤]到晶體質(zhì)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(duì)其飛秒激光特性進(jìn)行了探索，最終利用SESAM輔助的克爾透鏡鎖模方式實(shí)現(xiàn)了51fs的脈沖輸出，

8、輸出功率、中心波長(zhǎng)和光譜帶寬分別為220mW、1057nm和23.57nm。另外，針對(duì)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(shí)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(duì)ReS2能帶結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著S空位的增加，ReS2的帶隙逐漸減小。實(shí)驗(yàn)上，利用液相剝離法制備了ReS2可飽和吸收鏡并對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行了全面表征。將其應(yīng)用于Yb∶CGA固體激光器中實(shí)現(xiàn)了323 fS、350mW的飛秒脈沖輸出。這