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激光二极管泵浦的固体激光器研究

谢国强  
【摘要】: 随着近20年来高功率激光二极管(半导体激光器)的出现,二极管泵浦的固体激光器取得了飞速的发展。由于二极管泵浦的固体激光器具有可靠、高效、小型化等优点,已经被广泛应用于工业加工、医疗、国防以及科学研究等领域。然而,研制出多样化、高水平的二极管泵浦的固体激光器以满足不同的应用需求,仍然是一个重要的课题。 目前,关于激光二极管泵浦的固体激光器研究,主要集中在以下两个方面: 1、新的固体激光材料的研究。特别是近几年来出现的多晶陶瓷激光材料,引起了广泛的关注。 2、超快固体激光器的研究。超快固体激光器朝着高功率,高重复频率,短脉宽方向发展。 本论文围绕二极管泵浦的固体激光器,开展了以下几个方面的研究工作: 一、研制了一个锁模的飞秒Nd:glass激光器,并通过添加耦合腔的方式提高了锁模脉冲的重复频率。 和其它的磷酸盐玻璃相比,我们用的N21型磷酸盐玻璃有更宽的增益带宽和更大的非线性折射率,这就潜在的有可能产生窄的锁模脉冲。我们研制了一个激光二极管泵浦的锁模钕玻璃激光器,产生了85 fs的锁模脉冲。这个激光器产生的85 fs锁模脉冲是所有掺钕磷酸盐玻璃激光器产生的脉冲中最短的。另外,我们通过在腔外添加耦合腔的方法,成功地把锁模脉冲重复率提高了1倍和2倍,并理论分析了这种方法的可行性条件。我们的Nd:glass飞秒激光器可以为其它的飞秒激光应用提供可靠的飞秒激光源,另外通过添加耦合腔提高重复率的方法对其它超快固体激光器也有重要的借鉴意义。 二、研究了Nd:YAG陶瓷的激光性能,以及GaAs-Nd:YAG陶瓷的Q开关性能。首次提出并成功实现了利用GaAs薄片的非线性F-P干涉效应来锁模Nd:YAG陶瓷激光器。最后,SESAM锁模也被实验研究。 和传统的单晶相比,多晶陶瓷有制造周期短,潜在的廉价,易于实现高掺杂浓度和大尺寸样品等一系列优点。在文中我们首先总结了它的热学、光学以及机械性能,并研究了它的CW激光特性。研究结果表明,Nd:YAG陶瓷有与Nd:YAG单晶相当的激光效率。 另外,通过GaAs单晶作为可饱和吸收体,我们研究了Nd:YAG陶瓷的调Q激光性能。实验中我们发现GaAs存在两种吸收机制,对应着完全不同的两种调Q结果。当GaAs中光强较弱时,GaAs中主要是线性的单光子吸收,此时产生的Q开关脉冲脉宽较宽,单脉冲能量低。当GaAs中的光强很强时,GaAs中除了单光子吸收,还存在非线性的双光子吸收和自由载流子吸收,此时产生的Q开关脉冲脉宽显著缩短,脉冲能量也显著提高。 最后,我们研究了Nd:YAG陶瓷激光器的锁模性能。首先,我们提出了利用GaAs薄片的非线性F-P干涉效应来锁模的方法,并在Nd:YAG陶瓷激光器中成功实现了锁模。另外,我们也研究了SESAM锁模的Nd:YAG陶瓷激光器性能。我们发现,前一种方法得到的锁模脉冲相对较短。 这些工作对Nd:YAG陶瓷激光材料的应用具有重要的参考和借鉴作用,同时有助于加深对GaAs材料中丰富的非线性效应的理解。 三、研制了一个高功率自锁模的Yb:Y_2O_3陶瓷激光器。在这个高功率的陶瓷激光器中,陶瓷的热透镜畸变效应结合克尔自聚焦效直在激光腔中形成了一个非线性损耗调制,从而导致了激光器锁模。 我们数值模拟了高功率Yb:Y_2O_3陶瓷激光器中的热透镜畸变效应,并数值计算了它在激光腔中带来的衍射损耗。数值结果表明,热透镜畸变结合陶瓷中的克尔自聚焦效应,形成了一个足够大的非线性损耗调制,导致了激光器锁模。我们利用这种方法成功实现了高功率Yb:Y_2O_3陶瓷激光器的锁模。这种锁模方法无需在腔内插入其它的主动和被动元件,使腔结构简单紧凑。而且,这种锁模方法的应用可以推广到其它的高功率激光器,是SESAM锁模的一个很好的补充。这个工作的研究成果被Optics Laser Europe magazine报道。 四、研究了Yb:NaY(WO_4)_2单晶材料的光学与激光性能。其中包括它的吸收和荧光光谱,激光效率,波长调谐以及自脉冲现象。 Yb:NaY(WO_4)_2是一种新出现的激光单晶材料。由于它的Na离子和Y/Yb离子在某些晶格位置上随机分布,这有效地加宽了它的吸收和荧光光谱,从而有利于该激光材料的波长调谐和锁模。本文中我们研究了该晶体的光谱特性,激光效率,波长调谐和自脉冲现象,并分析了自脉冲产生的原因。这些研究可能为Yb:NaY(WO_4)_2单晶激光材料的应用和后续研究提供重要的参考。 五、理论研究了利用级联二阶非线性过程对锁模激光器产生的皮秒脉冲进行压缩。 由于大多数钕离子单晶锁模激光器产生的脉冲脉宽典型的为10—100 ps。为了得到fs脉冲,我们必须对这些脉冲进行腔外压缩。而要把这些脉冲从ps压缩到fs量级,就要求在级联二阶非线性过程中产生大的非线性相移。而级联二阶非线性过程中产生的非线性相移在较大值时有可饱和的特性,所以通过单级压缩不可能得到大的压缩倍数。在文中我们提出了一种多级压缩的方案。数值结果表明,通过二级压缩可得到~130倍的压缩比,而通过三级压缩可得到~1000倍的脉冲压缩。这些数值结果表明,多级压缩是一种提高脉冲压缩比的有效方法。这些理论研究将对实验工作起到重要的指导作用。


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