镱离子掺杂LuAG、CLGA和CGA晶体飞秒激光特性研究

摘要

超短脉冲激光的持续创新发展和应用，是当前激光技术乃至现代科学技术中的一个非常重要的前沿领域。继钛宝石飞秒激光器的成熟发展及广泛应用之后，激光二极管直接泵浦的全固态掺镱激光器因具有体积小、成本低、效率高、增益谱线宽等优势，有望在近红外波段取代钛宝石激光器。本论文主要以几种掺镱激光晶体Yb∶Lu3Al5O12(Yb∶LuAG)、Yb∶CaLuxGd1-xAlO4(Yb∶CLGA)和Yb∶CaGdAlO4(Yb∶CGA)作为研究对象，分别利用半导体可饱和吸收镜、二维材料可饱和吸收体、以及克尔效应等方式来实现启动和稳定锁模，系统研究了这些掺镱晶体的飞秒脉冲激光输出特性，致力于实现具有更高功率、更窄脉宽和更高稳定性的飞秒脉冲激光输出。本论文主要研究内容如下:
　　第一章介绍了全固态飞秒激光器的发展、特别是激光二极管泵浦的全固态掺镱飞秒激光器的发展现状，对掺镱晶体的种类及激光特性进行了归纳总结，指出本论文的研究内容及意义。同时对本论文涉及的激光晶体及可饱和吸收体的超快特性及研究现状进行了详细介绍和总结。
　　第二章详细阐述了全固态飞秒激光器中克尔透镜锁模原理。针对飞秒激光器中不可忽视的色散问题，详细介绍了晶体色散的计算方法和补偿方式。同时针对飞秒激光器中出现的光谱分立现象，分析了两种不同形成机制及判定方法。
　　第三章以Yb∶LuAG晶体为研究对象，利用SESAM作为可饱和吸收体实现了瓦级飞秒脉冲输出，证明了Yb∶LuAG晶体是一种适于实现高功率飞秒脉冲激光的优秀增益介质。利用黑磷作为可饱和吸收体，实现了Yb∶LuAG双波长同步锁模输出，证实了黑磷的光学调制能力及在双波长固体锁模激光器中的应用潜力。
　　第四章对新型无序晶体Yb∶CLGA(1.4 at.％)的光谱、连续波激光、连续波调谐及超快激光特性进行了系统的研究。复杂无序的晶格场使其发射光谱带宽可达83 nm，同时对比发现c切晶体比a切晶体具有更宽的发射光谱及更高的增益截面，更利于实现高功率超短脉冲。利用石英双折射滤波片实现了Yb∶CLGA连续波调谐激光输出，波长调谐范围宽度为65.7 nm（1023.1 nm到1088.8 nm。利用SESAM作为可饱和吸收体首次实现了Yb∶CLGA锁模激光输出，输出功率、脉宽、中心波长、光谱宽度分别为364 mW、517fs、1054.7 nm、2.93 nm;通过优化腔型，增大Yb∶CLGA晶体上的功率密度，激发晶体的三阶非线性效应，实现了SESAM辅助的克尔透镜锁模激光器，脉宽压缩至106 fs，光谱展宽至12nm;进一步优化色散补偿，光谱展宽至18.5 nm，脉宽压缩为69.6 fs，输出功率和中心波长分别为232 mW和1054nm。该工作证实了Yb∶CLGA晶体是一种能够用于产生Sub-100 fs脉冲的优秀超快激光材料。除此之外，将黑磷作为可饱和吸收体应用于Yb∶CLGA激光器中，首次利用黑磷作为调制元件在全固态激光器中实现飞秒脉冲输出，脉宽为272 fs，输出功率820mW。证实了黑磷在全固态高功率飞秒超快激光器中的应用潜力。
　　第五章研究了高镱离子掺杂的Yb∶CLGA(4.8 at.％)晶体的光谱，发现相对于低掺杂的Yb∶CLGA晶体，高掺杂的Yb∶CLGA晶体由于晶格的更加无序导致光谱具有明显的展宽。通过Z扫描测试对比了不同掺杂浓度、不同切向的Yb∶CLGA晶体的非线性，发现浓度和切向基本不改变晶体的三阶非线性系数。考虑到晶体质量，我们最终选择具有相似光谱的高镱离子掺杂的Yb∶CGA(5 at.％)晶体对其飞秒激光特性进行了探索，最终利用SESAM辅助的克尔透镜锁模方式实现了51fs的脉冲输出，输出功率、中心波长和光谱带宽分别为220mW、1057nm和23.57nm。另外，针对新型二维材料ReS2，研究了其带隙、饱和吸收特性并利用其作为饱和吸收体实现了飞秒激光输出。理论上利用第一性原理模拟并分析了缺陷对ReS2能带结构的影响，发现随着S空位的增加，ReS2的带隙逐渐减小。实验上，利用液相剥离法制备了ReS2可饱和吸收镜并对其性质进行了全面表征。将其应用于Yb∶CGA固体激光器中实现了323 fS、350mW的飞秒脉冲输出。这是ReS2在固体超快激光器中的首次应用，同时也是首次利用ReS2作为饱和吸收体实现飞秒脉冲输出。理论和实验同时证明了ReS2在宽带调制以及超快激光中的应用潜力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

§1．1 掺镱晶体飞秒激光研究现状

§1．1．1 全固态飞秒激光的应用及发展

§1．1．2 全固态掺镱晶体飞秒激光发展现状

§1．1．3 用于产生飞秒激光的掺镱晶体

§1．1．4 掺镱LuAG、CGA和CLGA晶体

§1．2 本论文涉及到的可饱和吸收体

§1．2．1 半导体可饱和吸收镜

§1．2．2 黑磷

§1．2．3 二硫化铼

§1．3 本论文主要研究内容

参考文献

第二章 克尔透镜锁模及色散补偿

§2．1 克尔效应

§2．1．1 克尔透镜效应

§2．1．2 自相位调制

§2．2 色散波及稳定性

§2．3 色散计算及补偿

§2．3．1 晶体色散计算

§2．3．2 色散补偿

参考文献

第三章 Yb：LuAG晶体超快激光特性研究

§3．1 基于SESAM的Yb：LuAG高功率飞秒激光器

§3．1．1 Yb：LuAG晶体的光谱及连续波激光特性

§3．1．2 Yb：LuAG高功率飞秒激光器

§3．2 基于黑磷可饱和吸收体的Yb：LuAG双波长同步锁模激光器

§3．2．1 黑磷可饱和吸收镜的制备及表征

§3．2．2 Yb：LuAG双波长同步锁模激光器

§3．4 本章小结

参考文献

第四章 低镱离子掺杂Yb：CLGA晶体飞秒激光特性研究

§4．1 低镱离子掺杂Yb：CLGA晶体

§4．1．1 光谱

§4．1．2 连续波激光特性

§4．1．3 连续波调谐激光特性

§4．2 基于SESAM的Yb：CLGA晶体被动锁模激光器

§4．3 基于黑磷可饱和吸收体的Yb：CLGA全固态飞秒激光器

§4．4 SESAM辅助的Yb：CLGA克尔透镜锁模激光器

§4．4．1 百飞秒Yb：CLGA锁模激光器

§4．4．2 色散优化的Sub-70 fs Yb：CLGA锁模激光器

§4．5 本章小结

参考文献

第五章 高镱离子掺杂Yb：CLGA、Yb：CGA晶体飞秒激光特性研究

§5．1 高镱离子掺杂的Yb：CLGA晶体

§5．1．1 光谱

§5．1．2 非线性折射率

§5．1．3 连续波激光特性

§5．2 基于SESAM的Yb：CGA克尔透镜锁模激光器

§5．2．1 稳定的Yb：CGA百飞秒锁模激光器

§5．2．2 色散优化的51 fs Yb：CGA锁模激光器

§5．3 基于ReS2可饱和吸收体的Yb：CGA飞秒激光器

§5．3．1 ReS2的带隙分析

§5．3．2 ReS2饱和吸收体的制备及表征

§5．3．3 基于ReS2饱和吸收体的全固态Yb：CGA飞秒激光器

§5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结

§6．1 结论及创新点

§6．2 有待进一步研究的问题

致谢

攻读学位期间参加的项目、获得的奖励及发表的论文

附发表论文两篇