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全固态锁模激光及其同步泵浦的飞秒脉冲产生与应用研究

孟祥昊  
【摘要】:高功率、高重频、宽带可调谐的超短脉冲激光在时间分辨光谱学、生物显微成像、THz产生、激光通信等领域有着广泛的应用。以掺Yb~(3+)块状材料的全固态飞秒激光器作为泵浦源,结合非线性频率变换技术,可以突破增益介质荧光发射谱的限制,将输出波长进行拓展。光学参量振荡器(OPO)可以实现输出波长的宽带可调谐,将波长覆盖到紫外、可见光以及中红外波段。因此,使用全固态飞秒激光器泵浦的光学参量振荡器结合腔内或者腔外倍频、混频是获得高功率宽带可调谐的飞秒光源的一种重要技术途径。本文重点开展了基于全固态振荡器泵浦的高功率飞秒光学参量振荡器以及激光二极管泵浦的高功率全固态飞秒振荡器的实验研究,同时对宽带可调谐的飞秒光学参量振荡器在生物显微成像方面的应用进行了实验研究。论文的具体内容包括:1.基于三波混频的耦合波方程组,对飞秒光学参量振荡器中的动力学过程进行了模拟,从理论上分析了群速度失配、群速度色散、晶体长度等因素对参量转换效率和输出激光脉冲宽度的影响。基于商用的Yb:KGW全固态振荡器作为泵浦源,结合KTA与KTP晶体,最终实现了高功率宽带可调谐的近红外-中红外飞秒激光输出。其中信号光波长调谐范围在1.41-1.71μm,对应的闲频光在2.61-3.84μm,信号光最高平均功率为2.32 W,闲频光为1.31 W,整体转换效率为51.8%。采用啁啾镜进行腔内色散补偿,获得的信号光最短脉冲宽度为129 fs,接近傅里叶极限变换脉宽。2.以商用Yb:KGW全固态振荡器作为泵浦源,利用LBO作为倍频晶体,首先研究了倍频激光输出特性。其次,利用倍频后的515 nm飞秒绿光作为泵浦源,结合BIBO晶体,分别在重复频率75.5 MHz、151 MHz和755 MHz条件下,研究了其激光输出特性。在重复频率75.5 MHz的条件下,实现了高功率可调谐的可见光-近红外波段的飞秒激光输出,其中信号光光谱调谐范围在693-1000 nm,对应的闲频光在1061-2005 nm。利用这一可调谐光源,结合BBO晶体,进行了腔外倍频实验,最终得到了350-488 nm的可调谐紫外飞秒激光输出。3.研究了飞秒BIBO-OPO信号光双波长输出特性,对信号光双波长的产生进行了理论分析,通过实验发现双波长的产生并不完全取决于腔内的净零色散,当泵浦光的峰值功率较高时,合理的平衡信号光和泵浦光之间的相位匹配与群速度失配条件尤为重要,最终在重复频率151 MHz的条件下,获得了700-1000 nm的可调谐信号光双波长输出。4.开展了飞秒激光同步泵浦Ti:sapphire激光器的锁模实验研究,从理论上解释了飞秒激光同步泵浦Ti:sapphire的锁模机制,在锁模过程中,除了要考虑自相位调制作用外,飞秒泵浦光与Ti:sapphire激光之间的互相位调制作用更为重要,Ti:sapphire激光实现锁模主要是利用泵浦光和锁模激光相互叠加引起的非线性耦合效应。通过实验最终实现了高重频自启动的Ti:sapphire锁模飞秒激光输出,激光重复频率在151 MHz,为泵浦源的2倍。在使用啁啾镜和尖劈对进行腔内色散补偿的条件下,最终得到的锁模激光脉冲宽度为12.7 fs,平均输出功率256 mW。5.开展了Yb:KGW和Yb:CGA晶体高功率被动锁模实验研究,通过理论计算模拟了谐振腔的结构以及腔内各元器件引入的色散,采用半导体激光器作为泵浦源,基于Yb:KGW晶体,在28.4 W的泵浦光功率下,实现了平均功率7.6 W,单脉冲能量97 nJ,峰值功率0.606 MW的高功率锁模飞秒激光输出。而采用Yb:CGA作为增益介质,最终获得了平均功率10.3 W,单脉冲能量127 nJ的高功率锁模皮秒激光输出。6.开展了宽带可调谐飞秒OPO生物显微成像实验研究,首先对自主研制的飞秒OPO光源进行了工程化设计,接下来利用可调谐的飞秒OPO作为驱动源,与中国科学院医工所合作,成功进行了双光子显微成像实验研究,获得了比较好的实验结果。这种自主研发的宽带可调谐的飞秒OPO光源为双光子显微成像技术提供了强有力的驱动源,为后续的产业化发展奠定了基础。


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