LD直接泵浦Yb：YAG超短脈沖激光技術的研究.pdf

1、超短脈沖激光技術一直以來是激光技術研究領域的一個熱點，尤其隨著超短脈沖激光器在物理學、化學、醫(yī)學、生物學及激光加工等等諸多領域的廣泛應用，更加推動了這一技術的不斷發(fā)展。人們也對超短脈沖激光器提出了更高的要求，使得降低能耗，提高效率，減小污染，縮小體積成了這種激光器研究的著眼點。最近幾年，波長在900～1000nm范圍的半導體激光器的商業(yè)化，以及適合這個波段半導體激光器直接泵浦的摻Yb3+晶體生長技術的不斷發(fā)展，使得半導體直接泵浦的全固化

2、超短脈沖激光器成為一個重要的發(fā)展方向。這種超短脈沖激光器具有傳統(tǒng)的超短脈沖激光器不可比擬的優(yōu)點：減少了能量轉換環(huán)節(jié)，提高了能量的利用率，并且結構緊湊，大大降低了造價。另外，超短脈沖激光領域的另一重要技術——半導體飽和吸收鏡(SESAM)生長技術的逐步成熟，為半導體直接泵浦的被動鎖模激光器帶來了生機。本論文對半導體直接泵浦的Yb：YAG克爾透鏡鎖模激光器和半導體直接泵浦的Yb：YAGSESAM被動鎖模激光器進行了理論分析和實驗的研究。論文

3、主要內容包括： 1.詳細介紹了飛秒激光在生物、化學、物理、醫(yī)學、加工等領域的廣泛應用。介紹了飛秒脈沖激光器發(fā)展經歷的幾個階段：碰撞脈沖鎖模染料激光器，固體介質(鈦寶石，Cr：LiSAF等)飛秒激光器，半導體直接泵浦激光介質的飛秒脈沖激光器。列舉了最近幾年用于超短脈沖激光器的幾種摻Yb3+晶體，這類摻Yb3+晶體的吸收波長可以同半導體激光器的發(fā)射波長很好匹配，具有寬的熒光線寬。使其在半導體直接泵浦的超短脈沖激光器研究領域具有很大潛

4、力，為窄脈寬，小型化超短脈沖激光器的發(fā)展提供了可能。簡要介紹了SESAM被動鎖模的歷史；半導體直接泵浦的超短脈沖激光器將在全固化的超短脈沖激光加工系統(tǒng)中扮演一個非常重要的角色。 2.介紹了實驗所需理論。建立了基于Yb：YAG晶體的準三能級速率方程，并對Yb：YAG激光器的閾值和輸入－輸出特性進行了分析；介紹了自聚焦機理，分析克爾透鏡鎖模的原因，分別從穩(wěn)態(tài)自聚焦理論和動態(tài)自聚焦理論出發(fā)推導出自聚焦的公式；分析了半導體飽和吸收體的基

5、本結構和時間特性；系統(tǒng)的闡述了半導體可飽和吸收鏡的主要特征參數(shù)。介紹了激光器參數(shù)同半導體飽和吸收鏡宏觀特性之間的關系。從結構上的變化分別對高、低精細度類型，寬帶低損耗類型等半導體可飽和吸收鏡的相關結構進行了分析和比較。 3.為了滿足實現(xiàn)克爾透鏡鎖模對泵浦光的嚴格要求，對激光二級管的輸出光進行嚴格整型，在考慮球差的情況下，設計并搭建整型系統(tǒng)，最后聚焦到晶體內部的光斑大小為34μm×20μm，滿足了克爾透鏡鎖模所需要的高功率密度(4

6、.41×105W/cm2)和軟光闌條件；首次在半導體直接泵浦的克爾透鏡鎖模激光器中，對五鏡諧振腔進行詳細的理論分析計算。將五鏡腔穩(wěn)區(qū)分為左穩(wěn)區(qū)，中穩(wěn)區(qū)和右穩(wěn)區(qū)，計算出諧振腔工作在這三個穩(wěn)區(qū)時的光斑走勢情況，對類似激光器的調節(jié)具有普遍指導意義；計算諧振腔在輸出鏡處的非線性調制損耗強度，分析調節(jié)諧振腔的過程中，各個腔參數(shù)對鎖模的影響，確定最佳鎖模腔參數(shù)，在五鏡腔左穩(wěn)區(qū)和中穩(wěn)區(qū)邊緣找到最佳鎖模范圍；計算比較四鏡腔、五鏡腔的微分增益和ROS值，

7、從理論上找出五鏡諧振腔穩(wěn)定鎖模的根源；為了補償腔內色散，壓縮脈沖寬度，詳細計算Yb：YAG晶體的二階和三階增益色散，晶體和棱鏡對引入的二階和三階材料正色散。計算得出最佳棱鏡對間距，引入的負色散量可以有效補償腔內二階色散；根據(jù)前面的理論分析，在國際上，首次利用五鏡諧振腔，并且腔內沒有插入硬光闌的情況下實現(xiàn)Yb：YAG激光器的克爾透鏡鎖模。在國內，這是目前實現(xiàn)Yb：YAG激光器克爾透鏡鎖模的唯一報導。鎖模平均輸出功率為20mW，鎖模光的譜線

8、寬大于9nm，脈寬為235fs，脈沖重復頻率為94MHz。 4.采用不同泵浦源和不同的諧振腔型，用半導體可飽和吸收體對LD直接泵浦的Yb：YAG激光器進行被動鎖模研究。分別采用直腔，Ⅴ型諧振腔和X型諧振腔，并且對這三種腔型進行理論計算，得到諧振腔內各處的光斑圖。用激光二極管，半導體陣列和光纖耦合輸出激光器分別作為泵浦源，得到鎖模脈沖的譜線寬度依次為：2.8nm，2nm和1.1nm，三種光譜能夠得到最窄脈寬為：403fs，570f

9、s、1.05ps。首次提出：SESAM被動鎖模激光器中，可以得到的最窄脈沖寬度除了司SESAM自身的特性有關之外，還要受到晶體內部光功率密度的影響。 此外，實驗驗證，摻Yb3+晶體相比于摻Nd4+晶體更容易得到窄脈寬的被動鎖模，這種摻Yb3+晶體的被動鎖模激光器將會成為被動鎖模激光器發(fā)展的主流。 最后，充分利用Yb：YAG晶體上能級壽命長的特點，采用短腔結構，用輸出鏡式SESAM實現(xiàn)了脈沖寬度為200ns的調Q，輸出功率