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超快激光器论文doc

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  全固态锁模激光器谐振腔设计 :Solid-state mode-locked laser resonator design Abstract: Ultrafast laser is the pulses that have the pulse duration in picosecond or femtosecond region. It can be expected that there will be many special properties in such a short period of time, which brought a lot of help for our scientific experiment. At the same time, ultrafast laser technology also provides innovative means and methods for the development of interdisciplinary. Mode-locked laser is an important means to achieve ultrafast laser output. The resonator design for the mode-locked laser play an important role in the laser operation. Exploiting Nd:GdVO4 crystal as gain medium and SESAM as the mode-locking device, we designed a Z-type resonant cavity for the 1.3 μm mode-locked laser. Laser beam radius of circulating radiation in the cavity were calculated. The corresponding results showed that appropriate focusing effect at SESAM and the mode-matching between the pump and circulating laser were realized in the designed cavity. Key words: ultrafast laser the mode-locked laser resonator design 目录 摘要...........................................................................................................................I ABSTRACT....................................................................................................................I 第一章绪 论.............................................................................................................1 1.1超快激光器的发展.........................................................................................2 1.2锁模技术的发展.............................................................................................3 1.2.1常用锁模技术................................................................................................3 1.2.2超快锁模技术............................................................................................4 第二章SESAM锁模激光器的基本原理........................................................7 2.1 SESAM锁模的全固态激光器进展...................................................................7 2.2模式的匹配...........................................................................................................9 2.3被动锁模激光器工作原理.............................................................................9 第三章 超快皮秒激光器及谐振腔设计.................................................................12 3.1 Haus主方程..........................................................................................................12 3.2 自动调Q不稳定性的抑制.................................................................................13 3.3谐振腔结构设计......................................................................................15 致谢词................................................................................................................ ........18 参考文献..................................................................................................................19 第一章 绪论 激光的理论基础可以追溯到1917年爱因斯坦在量子理论的基础上提出的受激 发射或吸收和1958年汤斯和肖洛提出利用尺度远比波长大的开放式光谐振腔实现激光器的新思想开始,在1960年R.Newman发明第一台红宝石激光器的同一年,他就提出了激光二极管泵浦固体激光器的思想,并于1963年发现GaAs二极管可以发出近880nm辐射光,同时,他用GaAs发光二极管(LED)泵浦掺钦离子的钨酸钙 1.2.2超快锁模技术 调Q和锁模是当前获得超快激光脉冲最常用且最成熟的方法。由于调Q的机理决定其脉冲建立时间较长,脉宽一般为纳秒量级,如果要进一步压缩脉宽,得到皮秒乃至飞秒的激光脉冲,这就需要借助于锁模技术。 自激光器发明以来,激光技术在各个领域都得到了飞速发展,其中一个重要领域就是超短脉冲技术超短脉冲具有皮秒,飞秒量级的脉冲宽度,高的脉冲重复率,宽的光谱和高的峰值功率,在光纤通讯,医学!超精细加工,高密度信息存储和记录,时间分辨光谱和非线性光学应用等方面具有很大的应用价值和发展前景,自1996年DeMaria等人利用Nd:glass实现被动锁模超短脉冲激光器以来[10]超短脉冲技术在近几十年来得到了快速的发展随着超短激光脉冲技术的发展,人们能够比较容易地获得脉宽窄,峰值功率高,波长可调的超短光脉冲(脉宽量级为10-12~10-15秒),超短脉冲由于其脉宽窄的特点,用于激光测距!雷达等领域可以得到非常精确的测量结果;作为一种信息载体,它在光信息领域中的光电取样技术,高速光纤通信技术,光全息存储技术等方面起着非常关键的作用;作为一种能量载体,它在加工与军事领域己获得广泛应用,如激光核聚变、超精细加工、致盲武器等;作为一种揭示微观世界超快现象的重要手段,它广泛应用于生物学、化学、激光光谱学等学科的研究中,例如,光合作用机制的研究!蛋白质分子中快速弛豫过程、视觉过程的机理探索、DNA中能量转移的研究、化学反应过程和产物的控制、时间分辨光谱技术等;可见光超短脉冲激光潜在的用途有飞秒或皮秒激光电视,激光电视的色度更接近于自然光,从而有效的实现了三元色的平衡,使得图像的色彩更加逼真、更加自然;飞秒或皮秒激光电视同一般连续光激光电视相比,功耗更少,且对人眼不刺激,更具实用化的可能。总之,它对于研究超高速现象及探索微观世界的规律性具有极大的意义[11-16]要获得应用广泛的超短激光脉冲,一般通过锁模技术来实现,锁模技术主要分为主动锁模和被动锁模两种,被动锁模技术主要分为:染料锁模,克尔透镜锁模,非线性镜锁模,半导体饱和吸收镜锁模等四种技术染料锁模是最早应用于激光器产生超短脉冲的锁模技术,但是用于被动锁模的可饱和吸收染料,由于自身的劣化,需要频繁更换,无形中使激光器运行价格提高,而且给使用带来不便,再者染料是一种有毒的物质,后来人们就渐渐地淡化了对这种机制的研究。克尔透镜锁模具有锁模脉宽窄、结构简单等优点,因此90年代克尔透镜锁模一出现,就引起了许多科研工作者的兴趣;最初的研究热点是荧光线宽非常宽的掺钦蓝宝石激光器,但是掺钦蓝宝石激光器需要氢离子激光器或YAG倍频激光器作为泵浦源,体积大,成本高,而且稳定性较差;于是人们开始研究用体积小,寿命长,稳定性高的半导体激光器作为泵浦源,泵浦YAG、Cr:LISAF!YLF等晶体,通过克尔透镜锁模来获得超短光脉冲;但是克尔透镜锁模存在一些局限,一般情况下不能自启动,需要轻敲腔镜等其它外界的干扰才能启动该类激光器,这样就使得该类激光器对外界的震动等非常敏感,外界的干扰亦有可能使激光器停止运转;对谐振腔的准直要求较苛刻,它的锁模区域在稳区的边缘,调节起来比自激光器发明以来,激光技术在各个领域都得到了飞速发展,其中一个重要领域就是超短脉冲技术,超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度,高的脉冲重较困难;要求腔内功率密度足够高、过度的自调制引起锁模的不稳定等;随着从可见光到红外波段不同带隙半导体材料的研制成功以及对光学非线性特性的精密控制的发展,半导体材料作为可饱和吸收体在固体激光器中的应用变得广泛起来,半导体材料突出的光学非线性特性使它具有独特的双时间响应常数,在半导体材料的能带结构中,能带内的热驰豫过程很快,可以达到100fs左右的量级,称之为快时间响应常数;而能带之间的载流子复合过程则相对较慢,响应时间在皮秒至纳秒量级,称之为慢时间响应常数,半导体材料的吸收带可以在很宽的范围内进行调节,使得半导体可饱和吸收镜(SESAM)成为非常有潜力的被动锁模器件,利用SESAM进行被动锁模,具有能自启动、稳定性好等优点,因此成为科研人员的研究重点,当然,SESAM也存在一些缺点,SESAM在过高的功率密度下容易损伤,但SESAM锁模技术不失为一种简单而有效的获得超短脉冲的手段半导体材料作为可饱和吸收体在固体激光器中的应用变得广泛起来,如锁模调Q锁模等领域都得到了很重要的应用,尤其是在锁模方面。 第二章 SESAM锁模激光器的模式基本原理 2.2 模式的匹配 为了使激光晶体对泵浦光有最大程度的利用,以及提高输出激光的光斑质量减少泵浦光闭值功率,增大输出功率和提高斜效率等,需要考虑泵浦光与振荡光的模式匹配问题,将泵浦光与振荡光在增益介质中的重叠程度最大化是最优化固体激光器的效率的关键因素,模式匹配就是这种重叠程度的最大化提高泵浦光与振荡光的重叠程度对提高输出激光的光斑质量,减少泵浦光闽值功率,增大输出功率和提高斜效率有很重要的作用。 2.3 被动锁模激光器工作原理 产生超短脉冲的一种有效方法是被动锁模,此方法是把可饱和吸收体放在激光谐振腔内实现的。可饱和吸收体是一种非线性吸收介质,对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的,当光场较弱时吸收体对光吸收很强,因此光透过率很低;随着激光强度的增大,吸收体对光的吸收减少,当达到一特定值时,光几乎可以无损耗的通过,此时透过率几乎100%,从而强度越大的激光损耗越小,从而得到很强的锁模脉冲,它类似于被动Q开关,但又有区别,被动锁模要求可饱和吸收体的上能级寿命特别短。 图2.1 一般可饱和吸收体的吸收特性 由于吸收体的吸收系数随着光强的增加而下降,所以高增益激光器所产生的高强度激光能使吸收体饱和如图2.1所示,可以看出激光通过吸收体的透过率T随光强I的变化情况,强信号的透过率比弱信号的大,只有很小部分被吸收体所吸收,强弱信号大致以吸收体的饱和光强Is来划分,大于Is的光信号为强信号,否则为弱信号。在没有发生锁模以前,假设腔内光子的分布是均匀的,但由于噪声的存在,还是有些起伏。由于吸收体有可饱和吸收的特性,弱的信号透过率小,受到的损耗大,而强的信号透过率大,受到的损耗小,且其损耗可以通过工作物质的放大得到补偿所以光脉冲每经过吸收体和工作物质一次,其强弱信号的相对值就改变一次,在腔内多次循环后,极大值与极小值之差会越来越大,脉冲的前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效的通过,则使脉冲变窄,从频率域分析,开始时自发辐射的荧光以及达到阐值所产生的激光涨落脉冲,经过可饱和吸收体在噪声脉冲中的选择作用,只剩下高增益的中心波长及其边频,随后经过几次吸收体的吸收和工作物质的放大,边频信号又激发新的边频,如此继续下去,使得增益线宽内所有的模式参与振荡,于是便得到一系列周期为ZL/c的脉冲序列输出。 第三章 超快皮秒激光器及谐振腔设计 3.2自调Q不稳定性的抑制 设计激光器的一个重要考虑因素是要避免自调Q对锁模的破坏。连续锁模激光器中频率强度和相位都被完全锁定,产生脉冲的脉宽和能量不随时间改变,所以连续锁模是一种最稳定的状态(图3.1a)。固体激光器中所用的增益介质上能级寿命一般都较长(在微秒到毫秒量级),具有较强的储能能力,这在调Q激光器中有重要的意义。但是在锁模激光器中,长的上能级寿命导致的反转粒子大量积累容易产生调Q锁模。每个频率都受到了强度不同的损耗调制,脉冲宽度和能量存在较大的不稳定性,所以调Q锁模是一种非稳态(图3.1b)。在90年代以前,一般是用染料作为可饱和吸收体来实现被动锁模的固体激光器[5,6]。由于染料性能不理想而且不稳定,一直没有实现纯净的连续锁模。第一台被动连续锁模固体激光器是在1992年用SESAM实现的[7]。自此以后。连续锁模的固体激光得到了飞速的发展。 图3.1 锁模激光器的两种运转状态。a)稳定的连续锁模;b)非稳的调Q锁模 实现连续锁模需要满足的条件是 (3.6) 为腔内脉冲能量,Rs为饱和吸收体反射率,为泵浦参数,表示泵浦功率对于阈值的倍数。为腔内循环时间,表示泵浦功率对于阈值的倍数。为增益介质的上能级寿命。(3.6)式左边决定了可饱和吸收体的漂白引起的腔内损耗的减少,这个减少增加了腔内脉冲能量。右边决定了增益饱和的量,以补偿损耗的减小。如果增益饱和的速度不足以抵消损耗的减小,腔内光强就会不断增加而导致自调Q的产生。 为了充分利用调制深度产生最短的脉冲,脉冲能量要足够高到能漂白可饱和吸收体,这要求饱和吸收体上的脉冲通量大约5倍于饱和通量。在这种腔内脉冲能量远高于阈值的情况下,对于具有长上能级寿命的增益介质,(3.6)式可进一步简化为 (3.7) 这是实现连续锁模所需的最小腔内脉冲能量。其中和分别是激光增益介质的饱和光强和饱和通量。和分别是可饱和吸收体的饱和光强和饱和通量。是增益介质中的激光模式面积。由3.2节可知,石墨烯的饱和通量较低,而且对层数的变化不很敏感。为了得到高功率和高效率的锁模运转,需要泵浦光和振荡光有好的模式匹配。对于石墨烯锁模激光器的设计,我们可以重点优化调节和这两个参数。根据3.2节,石墨烯的调制深度随着层数的增加而近似线性减小,所以对调制深度的优化可通过选择合适层数的石墨烯来实现。 3.3谐振腔结构设计 为了获得高增益和高能量密度启动和稳定锁模,锁模激光器一般使用多镜折叠腔的结构。本实验采用四个腔镜的Z型谐振腔,图3.1给出了具体的示意图。所用Nd:GdVO4晶体和泵浦源均同。Nd:GdVO4用铟箔包裹后放入铜制的水冷热沉中,用恒温循环器将循环水的温度控制在15oC。输入镜M1曲率半径为1m,平面镀808nm抗反膜,凹面镀808nm高透膜和1.34μm全反膜。折叠镜M2曲率半径为0.8m,作为输出镜同时输出两束激光,对单束光的透过率为3%。同M3曲率为0.2m,镀有高反膜。 图3.1 Z型谐振腔 腔型选定以后,对谐振腔的参数优化设计是必不可少的步骤。设计思路是根据各个腔镜的曲率半径和晶体本身的热焦距,计算出谐振腔稳定区,确定各个腔镜之间的位置关系,从而得到理想的腔内振荡激光尺寸分布。 谐振腔另一个重要的考虑方面是像散补偿。当一个透镜偏离轴线放置时,会聚光在切线面(Tangential plane)和弧矢面(Sagittal plane)焦点不重合,由此产生了像散。如图3.2所示,光束在与纸面平行的切线面上的焦点位于A点,在与纸面垂直的弧矢面上的焦点位于B点。在切线面和弧矢面的焦距分别为 (3.10) (3.11) 图3.光束的离轴聚焦导致的像散 图3 腔内光束分布 致谢 本论文的工作是在导师黄海涛老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。在跟黄老师的学习当中,黄老师严谨求实的科学风范、渊博的专业知识、富有创造性的思维、丰富的专业经验以及忘我的工作精神都让我留下了极其深刻的印象。这些精神也将给我以后的学习和生活带来源源不断的动力,促使我努力钻研,奋发向上。在此谨向郑老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意! 同时还要感谢我的辅导员任志儒老师以及带过我课的所有老师,是他们在我大学的学习与生活中都给予了我很大的帮助,在本论文完成之际,向各位老师表示我深深的谢意! 非常感谢我的同组厉开亮与昆仑同学,他们在对于我的论文修改中提出了宝贵的意见。 另外也感谢我的家人,他们的理解和支持才能使我能够在学校专心完成我的 学业。 I 超快激光器 (a) fast (b) slow (c) soliton I I I II I

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