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《山东大学》 2018年
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基于电光/饱和吸收体双损耗调制高峰值功率单锁模脉冲激光特性研究

唐文婧  
【摘要】:高峰值功率、超短脉冲激光也被称为超短超强激光,而对超短超强激光的探索是本世纪以来激光技术领域一个非常重要的方向。超短超强脉冲激光器的研究,不仅是激光技术领域的重大突破,也促进了许多新学科的建立,此外,在工业、军事及医学等领域也具有极大的应用价值。为了获得超短超强激光,研究人员不断地进行激光技术的创新。根据过去的研究经验,激光器的总输出能量不变时,脉冲宽度越短,对应的脉冲峰值功率越高,因此,激光器的脉冲宽度与峰值功率是两个相互关联的参数。纵观超短超强激光器的发展方向,一是锁模技术不断进步,推动着激光器向着超短脉冲方向发展;二是激光峰值功率的不断攀升,为深入研究超快超强现象提供了强有力的工具。但是,对于全固态连续锁模脉冲激光器来讲,压缩脉宽,往往就会带来重复频率的大大增加,导致单个锁模脉冲的能量难以提升,如何进一步提高脉冲激光器的单脉冲峰值功率,依然是非常重要的研究课题。基于现有的调Q锁模(QML)激光技术,本论文提出了一种新型的低重频亚纳秒锁模脉冲序列输出方法,可以实现脉冲峰值功率的大幅度提高和脉冲重复频率的可控操作。采用主被动双损耗调制组合方法,基于主动调Q和可饱和吸收体被动锁模机理,压缩QML激光的调Q包络的脉冲宽度,并最终实现每个包络下只剩一个亚纳秒量级的锁模脉冲振荡,使得整个调Q包络的脉冲能量集中到该单个锁模脉冲。此方法也被称为单锁模脉冲调制技术,与单一损耗调制的调Q、QML和连续锁模技术相比,该方法能够大大提高脉冲的峰值功率,且单锁模脉冲的重复率依赖于主动调制的调制频率。在理论分析中,建立了主被动双损耗调制的调Q锁模激光运转的耦合速率方程组,通过数值模拟方程组获得单锁模脉冲的振荡条件,理论模拟与实验结果相符;在选择可饱和吸收体时,除了常用的饱和吸收体Cr~(4+):YAG、半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)、碳纳米管(CNTs)外,还考虑到二维材料作用波段范围大以及制作简单等优点,首次将多种基于新型二维材料的可饱和吸收体应用于单锁模激光系统中。论文的具体研究内容及创新点总结如下:(1)基于电光开关(EOM)和中间镜式半导体可饱和吸收镜(C-SESAM)双损耗调制,KTP晶体内腔倍频,实现了 532 nm高峰值功率亚纳秒Nd:Lu0.5Y0.5VO4/KTP激光的单锁模脉冲输出。随着电光调制频率的变化,研究了该双损耗调制激光的输出特性,在1 kHz调制频率时,获得了 460 ps的最窄脉宽和378.3 kW的最大单脉冲峰值功率。根据光强起伏机制和速率方程理论,以高斯分布近似为前提,推导出了双损耗调制QML激光运转速率方程组,对脉冲能量、脉冲宽度和波形进行了数值模拟,理论模拟与实验结果相符。(2)基于电光开关和Cr~(4+):YAG可饱和吸收体被动吸收双损耗调制,KTP晶体内腔倍频,实现了 532 nm双损耗调制高峰值功率亚纳秒Nd:Lu0.15Y0.85VO4/KTP激光的单锁模脉冲输出。实验分别采用了三种不同小信号透过率的Cr~(4+):YAG晶体,研究了双调Q锁模激光及单锁模脉冲的输出特性随调制频率及泵浦功率的变化。在调制频率为1 kHz时,,获得了 349 ps的最窄脉宽和1.063 MW的最大单脉冲峰值功率。同时,以高斯分布近似为前提,给出了双损耗调制QML激光运转耦合速率方程组,并进行了数值模拟,得到的模拟结果与实验值相符。(3)基于结构不同的一维纳米材料CNTs和电光开关双损耗调制,首次实现了 1064 nm高峰值功率亚纳秒Nd:Lu0.15Y0.85VO4激光的单锁模脉冲输出。实验分别采用了单壁、双壁和多壁CNTs作为可饱和吸收体,在LD泵浦达到10.72 W时,利用双壁CNTs调制得到的单脉冲的最大峰值功率为1.312 MW。(4)作为新型的可饱和吸收体,二维材料具有优良的可饱和吸收性能,可作用波段范围广且制作简单,成本较低。为了进一步提高实验所能获得的最大的单脉冲峰值功率,首次采用三种新型二维材料(Graphene/WS2/BP)作为可饱和吸收体,分别实现了电光和二维材料双损耗调制高峰值功率亚纳秒Nd:Lu0.15Y0.85VO4激光的单锁模脉冲输出。其中,利用电光/BP作为双损耗调制器件,获得了高达3.89 MW的峰值功率输出。
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