带内泵浦Ho:YAG激光器主动锁模的技术研究

摘要

锁模脉冲具有高峰值功率、窄脉冲的特点。2μm波段的超快脉冲在微加工、激光光谱技术、医疗、激发高次谐波（HHG）和非线性频率转换等多方面领域都有重要的应用价值与前景。本文采用主动锁模（AML）的方式获得超短脉冲，从理论和实验两方面对2μm主动锁模激光脉冲的产生、超快脉冲的测量做了相应的研究。
　　首先，本论文分析了几种常见的能产生2μm波段的激光器的优缺点；其次，从锁模的定义出发，模拟了在各纵模相位锁模的情况下输出窄脉宽的过程。由于本实验采用声光调制器（AOM）来进行锁模，因此从声光调制器对腔内光信号进行振幅调制的公式出发，数值模拟了输出连续锁模(CML)状态的脉冲序列。然后，通过计算获得了声光调制器的几何特性、中心频率、衍射类型、布拉格衍射角等参数，并通过实验研究了调制器的衍射效率与驱动源的驱动频率、驱动功率、入射角偏转角大小的关系。实验结果显示，声光调制器为布拉格衍射型，驱动中心频率为41.38 MHz，零级衍射效率为27.4％，入射偏转角为0.3°时引入的调制损耗最大。
　　其次，基于带内泵浦搭建了输出波长为1908.1-1908.5 nm的Tm:YLF固体激光器作为单掺Ho:YAG的泵浦源。实验测量了Tm:YLF激光器的输出特性，包括功率特性、光束质量和光谱特性。然后根据牛顿望远镜原理，设计了Z型六镜式谐振腔，并对谐振腔内各个重要参数进行了详细分析。输出镜和0°全反腔镜的位置对谐振腔稳定性的影响较小，几十个 mm范围内都处于稳腔状态；然而，它们对腔内振荡光斑大小、由子午面和弧矢面上光斑大小不同而引起的像散影响较大，各自存在一个最佳位置使得像散最小。腔镜的折叠角对像散的影响明显，实验上控制折叠角为10°。
　　然后，根据设计参数搭建谐振腔，本论文首次实现了主动锁模Ho:YAG激光器连续锁模脉冲的输出。通过调谐腔长与驱动频率相匹配，并调制声光锁模器的损耗，可分别获得纯调Q、调Q锁模(QML)和连续锁模3种工作状态。分别记录了调Q锁模和连续锁模状态下脉冲的射频频谱，中心频率都是82.76 MHz。输出连续锁模脉冲时，射频中心频率附近不存在边频，与背景光的强度比值为58-60 dB。在最大泵浦功率13.2 W下，连续锁模运作时输出平均功率为1.04 W，光束质量为1.146，输出中心波长为2097.25 nm。
　　最后，通过搭建二次谐波自相关仪来测量输出脉冲宽度，倍频晶体选用KTP。求解折射率方程，计算了在Ⅱ类相位匹配下KTP晶体的相位匹配角为52.124°。实验测得脉冲宽度为102 ps，实现了无背景法测量。另外，理论分析了倍频晶体内o光和e光之间群速度失配(GVM)的对实验结果的影响很小，只存在1.6 ps的加宽。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 2微米波段锁模激光器的研究现状

1.3锁模激光晶体的选取

1.4 本论文主要研究内容

第2章 主动锁模理论分析及调制器特性的实验研究

2.1 锁模的基本原理

2.2 主动锁模的原理

2.3 声光锁模调制器的实验研究

2.4 本章小结

第3章泵浦源的实验研究及锁模谐振腔的设计

3.1 带内泵浦的单掺Ho3+激光器

3.2 泵浦源Tm:YLF激光器的实验研究

3.3 锁模激光器谐振腔的设计

3.4 谐振腔参数变化的影响

3.5 本章小结

第4章 主动锁模Ho:YAG激光器的实验研究

4.1 增益介质Ho:YAG晶体的基本特性

4.2 主动锁模激光器的实验装置

4.3 主动锁模激光器的实验研究

4.4 本章小结

第5章 超短脉冲光脉宽的测量

5.1 二次谐波法测脉宽的原理

5.2 KTP晶体的性质及其相位匹配角的计算

5.3 无背景法测脉宽的实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢