新型被动锁模激光器和拉曼激光器中的自锁模现象的研究

【摘要】在激光器诞生之后的50多年中,激光技术得到了迅猛的发展。发光功率、峰值功率、光束质量、脉冲宽度、体积及成本等各项指标不断得到改善。其中,全固态激光器具有效率高、性能稳定、体积小等特点,已经成为了激光技术研究中的主流,在空间通讯、器件加工、医疗、光学成像等诸多领域有了广泛的应用。人们一般把脉冲宽度在皮秒到飞秒量级的脉冲,称为超短脉冲。超短脉冲具有脉宽窄、峰值功率高、光谱宽等特点。如今,超短脉冲也已经广泛应用于人们日常生活和工业生产中。锁模技术是获得超短脉冲的重要手段。锁模技术主要可以分为主动锁模和被动锁模,后者使用可饱和吸收体作为锁模元件,可以获得更短的脉冲宽度。在过去的20年中,随着半导体激光器的发展和新型光学可饱和吸收体出现及成熟,被动锁模技术有了很大的发展,获得了极短脉冲宽度(小于10fs)、极高的峰值功率(经放大可达PW)和超高的脉冲重复率(超过100GHz)。目前,在被动锁模激光器中主要使用的可饱和吸收体包括：半导体可饱和吸收镜(SESAM)、单层碳纳米管(SWCNT)和石墨烯(Graphene)。相比于半导体可饱和吸收镜,单层碳纳米管和石墨烯材料具有制备过程简单、工作光谱范围广等优点。双钨酸盐晶体(KRE(WO4)2,RE=Gd,Lu和Y)拥有优良的物理、化学性质,是一种优良的激光基质材料。通过在晶体中掺杂Nd、Yb、Tm等稀土离子,已经实现了高效激光运转。同时,此类晶体属于单斜晶系,由于低对称性导致其吸收、发射光谱较宽,有利于获得超短脉冲。无序晶体在一定程度上综合了光学玻璃和有序晶体的特性。相对于光学玻璃,无序晶体的热导率高,受激发射界面大。同时,由于无序晶体中的离子在一定范围内的无序分布,使其拥有了类似玻璃的无序结构,可以实现宽发射光谱。钙锂铌镓石榴石(CLNGG)是一种典型的无序晶体。本论文的研究工作主要集中新型被动锁模激光器的研究上。实验中采用SESAM和SWCNT作为可饱和吸收体,实现了多个波段的被动锁模激光器。在1μm波段,我们分别使用Nd:KLu(WO4)2和Yb:CLNGG作为激光晶体；在1.5μm波段,使用Cr:YAG作为激光晶体；在2μm波段,使用Tm,Ho:KLu(WO4)2作为激光晶体。采用不同参数的SESAM和SWCNT作为可饱和吸收体,分析了不同的可饱和吸收体的参数对锁模效果的影响。实验研究了被动锁模激光器的特性并用现有理论加以解释。同时,研究了被动调Q拉曼激光器中的自锁模现象,分析了自锁模现象和可饱和吸收体的小信号透过率、泵浦功率以及谐振腔长度之间的关系。本论文的主要研究内容如下：1.研究了LD泵浦的Nd:KLu(WO4)2连续激光特性和被动锁模激光特性。当吸收泵浦功率为4.4W时,输出1070.2nm连续光功率为3.3W,对应的转换效率为75%。使用SESAM作为可饱和吸收体,采用Z型腔,实现了连续锁模运转。最大输出功率为1.4W,脉冲重复率为102MHz,对应的单脉冲能量为6.8nJ。脉冲宽度为11.5ps,对应的峰值功率为0.6kW。在实验过程中,观察到在高泵浦功率的条件下,连续锁模脉冲出现脉冲分裂现象。2.研究了Yb:CLNGG被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体。当输出镜的透过率为0.4%时,获得最短脉冲宽度为90.2fs；当输出镜的透过率为3.0%时,获得最大平均输出功率为90.5mW,脉冲宽度为137.3fs。在高泵浦功率的条件下,锁模脉冲的光谱中出现了连续分量,成为限制输出功率增长的因素。使用SESAM作为可饱和吸收体。当输出镜的透过率为1.0%时,获得脉冲宽度为55.6fs的超短脉冲,平均功率为60.1mW。当输出镜的透过率为3.0%时,获得了最大的平均功率为150.5mW,脉冲宽度为115.6fs。3.研究了Cr:YAG被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体。获得了49.6fs的超短脉冲,中心波长为1509.4nm,光谱宽度50.8nm。系统研究了锁模激光器的特性,找到了最佳泵浦功率。使用频率分辨光学开关法(FROG)测量了谐振腔中的色散,为下一步优化谐振腔设计做好了准备。4.研究了Tm,Ho:KLu(WO4)2被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体,获得了2.4ps的超短脉冲,中心波长为2058.9nm,光谱宽度为1.7nm,对应的时间带宽积为0.3。使用透过率为3.0%的输出镜,获得了最大平均输出功率110.7mW。使用SESAM作为可饱和吸收体,获得了7.2ps的超短脉冲。实验中尝试了多种参数不同的SWCNT和SESAM,并通过改变棱镜对的间距改变谐振腔中的色散补偿,但始终无法获得飞秒脉冲。5.研究了全固体态拉曼激光器中的自锁模现象。以Nd:YAG晶体作为激光增益介质,以SrWO4晶体作为拉曼工作介质,以Cr:YAG作为被动调Q元件,实现了内腔式被动调Q拉曼激光器。并研究了自锁模现象和谐振腔长度,泵浦功率,Cr:YAG的小信号透过率之间的关系。实验发现,当谐振腔的长度大于50cm时,自锁模现象明显且稳定。自锁模现象和泵浦功率、小信号透过率之间没有明显关系。在全泵浦范围内都可以观察到调制深度为100%的自锁模现象。本研究论文的主要创新点如下：1.研究了LD泵浦Nd:KLu(WO4)2被动锁模激光特性。使用SESAM作为可饱和吸收体,获得了11.4ps的超短脉冲,平均输出功率为1.4W。这是首次有关LD泵浦Nd:KLu(WO4)2被动锁模激光器的报道。证明了Nd掺杂的双钨酸盐晶体可以用来获得高功率皮秒脉冲。2.首次研究了以Yb:CLNGG作为增益介质,以SWCNT为可饱和吸收体的被动锁模激光特性。当输出镜的透过率为0.4%时,获得最短脉冲宽度为90.2fs,这是目前使用透射式SWCNT在1μm波段所获得最短脉冲。3.首次研究了以Yb:CLNGG作为增益介质,以SESAM为可饱和吸收体的被动锁模激光特性。获得了55.6fs的超短脉冲,平均输出功率为60.1mW。这是目前为止,在Yb掺杂的各向同性的晶体中,获得的最短的超短脉冲。4.首次研究了Tm,Ho:KLu(WO4)2被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体,获得了2.4ps的超短脉冲。使用SESAM作为可饱和吸收体,获得了7.2ps的超短脉冲。这是首次有关Tm,Ho:KLu(WO4)2晶体被动锁模的报道。5.研究了被动调Q拉曼激光器中的自锁模现象。实验证明,被动调Q拉曼激光器中的自锁模现象和泵浦功率、小信号透过率没有明显的关系。
【作者】张远耕；
【导师】张行愚；ValentinPetrov；
【作者基本信息】山东大学，光学工程，2014，博士
【关键词】被动锁模；半导体可饱和吸收镜；单层碳纳米管；Nd:KLu（WO4）2；Cr:YAG；Tm,Ho:KLu（WO4）2；Yb:CLNGG；受激拉曼散射；自锁模；

【参考文献】
[1]王聪.海滨湿地互花米草沼泽景观演变机制研究[D].南京师范大学,环境地理学,2014,博士.
[2]丁建刚.双（三氮唑甲基）苯柔性配体配位聚合物的合成、结构和性质研究[D].苏州大学,无机化学,2014,博士.
[3]马光荣,杨恩艳,周敏倩.财政分权、地方保护与中国的地区专业化[J].南方经济,2010,01:15-27.
[4]张钢.城市轨道交通能馈式牵引供电技术研究[J].电气时代,2014,03:48-50.
[5]杨洪川.基于纳米材料构建人绒毛膜促性腺激素抗原电化学免疫传感器的研究[D].西南大学,2011.
[6]丁雪娇.融资融券担保法律制度研究[D].河北经贸大学,民商法,2014,硕士.
[7]张运启.余割平方赋形波束阵列天线的研究[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2012,硕士.
[8]李银玲.试论生活世界的教育[D].曲阜师范大学,教育学原理,2004,硕士.
[9]刘钊.支持向量机方法在粗糙面和目标复合电磁逆散射中的应用[D].西安电子科技大学,无线电物理,2012,硕士.
[10]徐安定.大型变压器状态监测与故障诊断技术[D].浙江大学,2005.
[11]黄柏颖.激光直接沉积TC11钛合金组织及性能研究[D].山东建筑大学,材料加工工程,2013,硕士.
[12]章湛.基于AMESim对并联液压制动能量再生系统的建模与仿真研究[D].北京交通大学,2010.
[13]陆家康.多维Lagrange-Good展开定理若干问题研究[D].苏州大学,应用数学,2013,硕士.
[14]周阔.运用“塔多思”软件解决协作式翻译中的一致性问题[D].北京交通大学,2013.
[15]刘瑞.新生代农民工就业问题研究[D].北京交通大学,2011.
[16]韩煦.自我评价对非英语专业大学生听力的影响[D].沈阳师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[17]张磊.家用太阳能热水器储热水箱放水特性的三维数值模拟研究[D].云南师范大学,农业生物环境与能源工程,2013,硕士.
[18]高娟.重庆沥青配送中心选址与应用研究[D].重庆交通大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[19]陈松青.地方政府债务规模控制研究[D].新疆财经大学,财政学,2013,硕士.
[20]蒋天颖,白志欣.基于偏好DEA模型的企业知识管理效率评价研究[J].情报杂志,2012,01:123-127+133.
[21]朱万程.H公司采购管理研究[D].华东理工大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[22]贺小林.我国城镇居民基本医疗保险政策分析与制度完善[D].复旦大学,社会管理与社会政策,2013,博士.
[23]邓丰.LTE家庭基站下行功率自优化算法的研究与实现[D].南京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[24]袁飞.票据行为形式要件研究[D].华东政法学院,法律,2004,硕士.
[25]张淑梅.基于CSCL的CAI系统的开发[D].武汉理工大学,机械工程,2003,硕士.
[26]张天佐.白宫发言人新闻发布会外交辞令中语言模糊现象的研究—礼貌及合作原则视角分析[D].西南交通大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[27]李悦.天津市双口生活垃圾卫生填埋场渗沥液处理工程研究[D].天津大学,环境工程,2013,硕士.
[28]郭历琛.LRIG3在宫颈鳞癌组织中的表达及体内外干扰LRIG3表达的实验研究[D].郑州大学,妇产科学,2014,博士.
[29]王娇.氮肥运筹对陆地棉生长生理特征及产量构成的影响研究[D].新疆农业大学,作物栽培学与耕作学,2012,硕士.
[30]毕云飞.山西省农地流转问题及模式研究[D].山西财经大学,人口、资源与环境经济学,2013,硕士.
[31]胡小兰.析《美国好声音》节目中的明星建构[D].四川外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[32]沈万岳.绿色建筑技术和绿色建材在高校建筑中的应用研究[D].西安建筑科技大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[33]毕爱敏.基于BIM的建设工程项目采购模式与合同结构的初步研究[D].重庆大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[34]张磊.基于ARM的TD-SCDMA高层协议栈的设计与实现[D].厦门大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[35]柴涛.基于嵌入式CAN总线锂电池管理系统的研究[D].哈尔滨理工大学,控制理论与控制工程,2012,硕士.
[36]袁媛.民间工艺文化生态的重构与保护[D].湖北民族学院,民族学,2014,硕士.
[37]冯震.基于光缓存器的全光时分交换技术研究[D].北京交通大学,2013.
[38]刘亚妮.基于语料库的反倾销英语词汇与会计英语词汇的比较研究[D].大连海事大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[39]涂承刚.摄像头外壳塑料模具设计与结构优化[D].湖南大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[40]贾昱.金融工具对商业银行盈余管理的影响研究[D].华东理工大学,会计（专业学位）,2014,硕士.
[41]光德孝.越中两国企业文化的比较分析[D].湖北大学,企业管理,2012,硕士.
[42]胡沁涵.高校人才招聘系统的设计与实现[D].苏州大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[43]滕聪杰.天车无线系统在板坯库中的应用[J].冶金自动化,2012,05:33-36.
[44]张燕萍.鱼体中三聚氰胺的检测方法研究与应用[D].广东工业大学,环境工程,2013,硕士.
[45]匡丹.我国农村公路建设融资渠道研究[D].江西财经大学,财政学,2013,硕士.
[46]王文龙.判别铝合金等四种合金质量缺陷的原位分析方法研究[D].北京有色金属研究总院,分析化学,2013,硕士.
[47]张毅.国际工程承包战略风险管理研究[D].长安大学,结构工程,2013,硕士.
[48]毛伟,李玉霖,崔夺,赵学勇,张铜会,李玉强.沙质草地不同生活史植物的生物量分配对氮素和水分添加的响应[J].植物生态学报,2014,02:125-133.
[49]董力盛.合肥GJ酒店发展战略研究[D].宁波大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[50]邓双梅.掺杂TiO_2纳米管光催化降解VOCs的实验研究[D].北京建筑大学,环境工程,2013,硕士.