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全固态双调Q锁模激光特性和激光稳定特性研究

张刚  
【摘要】:激光二极管(Laser Diode)泵浦的全固态调Q锁模激光器,由于具有结构简单、转换效率高、输出脉冲稳定、光束质量高等优点,在激光测距、微机械加工、全光网络、光纤通信和激光医疗等重要领域具有广阔的应用前景,成为激光界的研究热点。 本论文采用光纤耦合输出的半导体激光器作为泵浦源,用Nd:LuVO4、 Nd:GdVO4和Nd:Lu0.15Y0.85VO4晶体作为增益介质,利用AO(acousto-optic)-GaAs组合、AO-Cr4+:YAG组合和AO-V3+:YAG组合分别研究了1064nnm和1342nm波段主被动双损耗调制的调Q锁模激光输出特性;利用KTP晶体作为倍频晶体,研究了相应的双损耗调制的调Q锁模绿激光特性;利用电光调制器作为腔内主动调制器件,分别研究了EO(electro-optic)-GaAs和EO-SESAM (semiconductor saturable absorber mirror)双损耗调制的调Q锁模激光输出特性;利用混合晶体作为增益介质,采用单壁碳纳米管饱和吸收体(SWCNT-SA)作为被动调制器件,分别研究了AO/SWCNT-SA和EO/SWCNT-SA双损耗调制调Q锁模1064nm激光输出特性,以及AO/SWCNT-SA/KTP调Q锁模内腔倍频532nm输出特性。其主要内容可以概括为: Ⅰ.利用Nd:LuVO4晶体作为增益介质,分别研究了GaAs单被动调Q锁模激光特性和AO单主动调Q锁模激光特性;继而将主被动两种调制结合起来,研究了AO/GaAs双损耗调制的调Q锁模激光特性。研究结果表明,与GaAs单被动调Q锁模激光相比,双损耗调制的调Q锁模激光的脉冲宽度更窄、脉冲能量更高、稳定性更强;考虑声光晶体损耗和声光调制器对初始反转粒子数的影响,建立了描述AO/GaAs双损耗调制的调Q锁模激光特性的速率方程组,相关数值模拟的理论值与实验结果相符。(§2.2、§2.3、§2.4) Ⅱ.利用Nd:GdVO4作为泵浦介质,KTP晶体作为腔内倍频晶体,实现了AO/GaAs双损耗调制调Q锁模绿激光稳定输出;与GaAs单被动调Q锁模绿激光相比,双损耗调制调Q锁模激光有效地压缩了脉冲宽度,提高了脉冲稳定性,增大了脉冲能量和峰值功率;考虑声光调制器和KTP倍频晶体的影响,给出了描述AO/GaAs双损耗调制Nd:GdVO4调Q锁模绿激光的速率方程组,理论模拟值与实验结果相同。(§2.5) Ⅲ.以Cr4+:YAG可饱和吸收体为被动调制元件,实现了1064nm波段AO/Cr4+:YAG双损耗调制和532nm波段AO/Cr4+:YAG/KTP内腔倍频绿光的调Q锁模输出;通过对AO调制器调制频率、Cr4+:YAG小信号透过率和输出镜反射率的选择,获得了最佳脉冲输出;考虑声光调制的影响,建立了高斯近似下AO/Cr4+:YAG双损耗调制的调Q锁模绿光输出耦合方程组,并对实验结果进行了模拟;利用建立的理论模型,单独研究了声光关断时间对AO/Cr4+:YAG双损耗调制绿激光输出的脉冲宽度和能量的影响。(§3.1、§3.2) Ⅳ.采用四镜折叠腔结构,将声光调制器和V3+:YAG可饱和吸收体结合起来,实现了1342nm波段的Nd:GdVO4双调Q锁模激光输出;根据光强起伏机制,给出了描述AO/V3+:YAG双损耗调制调Q锁模激光的速率方程组,并进行了理论模拟,理论模拟结果与实验值吻合。(§3.3) Ⅴ.利用电光调制器,研究了EO/GaAs双损耗调制Nd:Lu0.2Y0.8VO4调Q锁模激光特性;分别使用不同的EO调制频率、GaAs小信号透过率和输出镜反射率,研究了输出激光的运转规律,获得了最佳输出;考虑电光开关引入的损耗和电光调制频率对初始反转粒子数的影响,给出了描述EO/GaAs双损耗调制调Q锁模激光的速率方程组,并利用该方程组进行数值模拟计算。(§4.2) Ⅵ.利用电光调制器和中间镜式SESAM作为主被动调制器件,实现了基于双损耗调制的亚纳秒脉冲的稳定输出;所得调Q包络的宽度小于光子在腔内的往返时间,单个调Q包络中只剩一个锁模脉冲,锁模脉冲重复率和调Q包络重复率一致,都等于电光调制频率;其峰值功率大幅度提高。(§4.3) Ⅶ.分别使用Nd:YVO4, Nd:LuVO4, Nd:Lu0.2Y0.8VO4和Nd:Gd0.3Lu0.33Y0.37VO4晶体作为增益介质,在相同的谐振腔中,研究了AO/SWCNT-SA双损耗调制调Q锁模激光的输出特性。实验结果显示,由于三掺混晶Nd:Gd0.3Lu0.33Y0.37VO4具有宽的荧光线宽,双损耗调制(?)Nd:Gd0.3Lu0.33Y0.37VO4激光脉冲具有最高的脉冲能量和最短的脉冲宽度。(§5.1) Ⅷ.实现了Nd:Gd0.3Lu0.33Y0.37VO4混合晶体EO/SWCNT-SA双损耗调制调Q锁模激光1.06μm运转。与传统的掺钕钒酸盐晶体相比,Nd:Gd0.3Lu0.33Y0.37VO4由于具有更宽的荧光线宽和更小的受激发射截面积,获得的激光脉冲具有更窄的脉冲宽度、更大的脉冲能量及更高的峰值功率。(§5.2) Ⅸ.利用三镜折叠腔结构,结合KTP腔内倍频技术,实现了AO/SWCNT-SA双损耗调制调Q锁模Nd:Lu0.15Y0.85VO4绿光输出,与单被动调制调Q锁模绿激光相比,双损耗调制调Q锁模绿激光脉冲具有更短的脉冲宽度、更大的脉冲能量、更高峰值功率和更强的稳定性。(§5.3) 论文的主要创新工作包括: Ⅰ.首次实现了AO/GaAs双损耗调制调Q锁模1064nm和KTP内腔倍频532nm绿激光稳定运转,与单损耗调制激光相比,双损耗调制激光脉冲脉冲更窄、能量更高、稳定性更强;建立了描述AO/GaAs双损耗调制的调Q锁模激光基频和倍频输出特性的速率方程组,数值模拟的理论值与实验结果相符。 Ⅱ.首次研究了AO/Cr4+:YAG双调Q锁模1064nm和AO/Cr4+:YAG/KTP内腔倍频532nm激光的输出特性和激光稳定特性;给出了描述532m AO/Cr4+:YAG双损耗调制绿光输出的速率方程组;通过理论模型,首次研究了声光关断时间对AO/Cr4+:YAG双损耗调制绿光输出的脉冲宽度和能量的影响。 Ⅲ.利用V3+:YAG饱和吸收体和声光调制器,首次实现了1342nm波段的Nd:GdVOd双损耗调制的调Q锁模激光输出,与单V3+:YAG被动调Q锁模激光相比,双调Q锁模改善了激光的输出特性、提高了脉冲的稳定性;根据光强起伏机制,首次给出了1342nm波段双损耗调制调Q锁模激光的速率方程组,并进行了数值模拟。 Ⅳ.首次实现了EO/GaAs双损耗调制调Q锁模混晶激光运转;分别应用不同的EO调制频率、GaAs小信号透过率和输出镜反射率,研究了激光输出特性,从而获得了最佳脉冲输出;考虑电光开关引入的损耗和电光调制频率对初始反转粒子数的影响,首次给出了描述EO/GaAs双损耗调制调Q锁模激光的速率方程组,理论模拟结果与实验值相符。 Ⅴ.利用电光调制器和中间镜式SESAM作为主被动调制器件,首次实现了亚纳秒脉冲的稳定输出,此时单个调Q包络中只剩一个锁模脉冲,锁模脉冲重复率和调Q包络重复率一致,都等于电光调制频率;与普通双损耗调Q锁模激光相比,锁模脉冲峰值功率获得极大提高。 Ⅵ.采用单壁碳纳米管作为被动调制器件,首次研究了AO/SWCNT-SA和EO/SWCNT-SA双损耗调制1064nm激光特性、内腔倍频532m绿激光特性和激光稳定特性,与单被动调制的调Q锁模激光相比,双调Q锁模激光脉冲具有更短的脉冲宽度,更大的脉冲能量、更高脉冲峰值功率、更强的稳定性。


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