双损耗调制低重频亚纳秒锁模脉冲激光及非线性频率变换特性研究

摘要

LD泵浦的大脉冲能量、高稳定、高光束质量的超短脉冲固体激光器具有体积小、质量轻、结实耐用、寿命长等诸多优点，被广泛应用于工业、通讯、军事、医疗、科研等领域，因而受到人们的极大关注。随着超强超短固体激光技术的发展，人们在以上很多领域均取得了令人振奋的进展。超强超短激光技术能够实现的聚焦功率密度已经达到甚至远超过相对论光强量级，从而将激光场与物质的相互作用推进到了非微扰、高度非线性的领域，并进而导致一系列新效应、新现象。
　　重复频率、脉冲宽度、单脉冲能量、峰值功率以及脉冲稳定性等是衡量脉冲激光器性能的重要参数。针对这些参数，本文采用主动电光调制器与多种被动饱和吸收体组成双损耗调制器，对调Q锁模包络进行压缩，在实验上实现了调Q包络下的单锁模脉冲运转，使单脉冲能量和峰值功率得到大幅提高;运用速率方程理论对双损耗调制器的脉冲压缩特性进行了理论研究;对比研究了双损耗调制Nd:YVO4和Nd:LuxY1-xVO4激光器的输出特性;运用非线性光学理论，研究了双损耗调Q锁模激光器的倍频输出特性;最后运用强激光场中稀有气体产生的高次谐波，对强场非线性频率变换技术进行了实验研究，并验证了高次谐波辐射在挥发性液体真空紫外光电子能谱中的应用特性。论文主要内容及创新包括以下几点:
　　1.采用主动电光Q开关和半导体被动饱和吸收体GaAs对YVO4/NdYVO4激光器进行双损耗调制，研究了双损耗调Q锁模激光器的基频和倍频输出特性;采用1kHz调制频率，测量了激光器平均输出功率、脉宽、单脉冲能量、峰值功率与泵浦功率的关系;运用泵浦功率变化对调Q包络宽度的影响，将调Q包络压缩至仅包含一个锁模脉冲，实现了低重复频率亚纳秒锁模脉冲运转，使脉冲能量高度集中从而使峰值功率得到大幅度提高;研究了不同输出镜透过率对调Q包络下单锁模脉冲输出的影响;通过考虑反转粒子密度对激光晶体吸收系数的影响，建立了高斯分布近似下描述EO/GaAs双损耗调Q锁模激光基频及倍频输出特性的速率方程组，对脉冲能量、脉宽、脉冲波形随不同参数的变化情况进行了数值模拟，理论值与实验结果基本符合。
　　2.运用Nd:YVO4和Nd:Lu0.5Y0.5VO4作为激光工作物质，电光Q开关和腔内透射式SESAM组成主被动双损耗调Q锁模调制器，实现了调Q包络下单锁模脉冲运转;通过观察两种晶体的不同输出特性，研究了混合晶体参数对实现调Q包络下单锁模脉冲运转的影响;通过改变泵浦功率和主动调制频率，研究了单锁模运转的实现条件。
　　3.依据新型饱和吸收体材料碳纳米管的制备方法和非线性光学特性，用多壁碳纳米管和电光Q开关组成双损耗调制器，Nd:Lu0.5Y0.5VO4作为激光工作物质，通过观察激光器的低重复频率锁模脉冲输出特性，研究了基于多壁碳纳米管和电光双损耗调制倍频单锁模绿光激光器的运转特性。
　　4.运用Cr4+:YAG作为被动调Q锁模饱和吸收体，研究了输出镜透过率T和饱和吸收体小信号透过率T0对调Q包络上升时间、下降时间以及脉冲宽度的影响;通过选用不同的T和T0组合，对调Q包络对称性进行了优化;在以上基础上引入电光主动调制器，改善了EO/Cr4+:YAG双损耗调Q锁模激光器输出脉冲前沿陡后沿缓的现象，从而实现了EO/Cr4+:YAG双损耗调制Nd:Lu0.15Y0.85VO4激光器的低重复频率锁模脉冲输出。
　　5.运用飞秒钛宝石激光器和再生放大系统产生的强激光场作用于稀有气体Ar和Ne产生高次谐波，用一台新型非时间展宽单色仪对高次谐波进行分光选频，测量了经选频并且重新聚焦以后在待测样品平面得到的极紫外光子通量;通过测量Ne原子的光电子能谱，对单色仪的精确性进行了验证;通过测量不同偏振态下的极紫外光子通量，测量了高次谐波光束线系统的偏振响应情况，并进而研究了偏振态对于液态环境中分子系统光电子能谱的影响。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 激光器的发展

1．2 固体激光器增益介质

1．3 脉冲激光器

1．3．1 Q调制技术

1．3．2 连续锁模技术

1．3．3 调Q锁模技术

1．4 非线性光学频率变换技术

1．4．1 光学参量振荡(OPO)技术

1．4．2 高功率RGB激光技术

1．4．3 高次谐波的产生

1．5 本论文的研究内容

参考文献

第二章 EO／GaAs主被动双损耗调制kHz亚纳秒激光特性理论和实验研究

2．1 BBO电光开关及其时间函数

2．2 GaAs调Q锁模理论分析

2．3 1064 nm kHz亚纳秒YVO4／Nd:YVO4激光特性研究

2．3．1 1064 nm kHz亚纳秒YVO4／Nd:YVO4激光器实验装置及结果

2．3．2 1064 nm kHz亚纳秒YVO4／Nd:YVO4激光器理论分析

2．4 532 nm kHz亚纳秒YVO4／Nd:YVO4／KTP绿光激光特性研究

2．4．1 532 nm kHz亚纳秒YVO4／Nd:YVO4／KTP绿光激光器实验装置及结果

2．4．2 532 nm kHz亚纳秒YVO4／Nd:YVO4／KTP绿光激光器理论分析

参考文献

第三章 EO／SESAM主被动双损耗调制kHz亚纳秒激光特性实验研究

3．1 SESAM的结构和工作原理

3．2 1064 nm kHz亚纳秒Nd:YVO4和Nd:Lu0．5Y0．5VO4激光特性对比研究

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验结果及讨论

3．2 EO／SESAM双损耗调制Nd:YVO4／KTP绿光激光特性研究

3．3．1 实验装置

3．3．2 实验结果及讨论

参考文献

第四章 EO／MWCNT双损耗调制kHz亚纳秒Nd:Lu0．5Y0．5VO4激光特性实验研究

4．1 碳纳米管的结构

4．2 碳纳米管的非线性光学特性

4．3 EO／MWCNT双损牦调制Nd:Lu0．5Y0．5VO4／KTP绿光激光特性研究

参考文献

第五章 EO／Cr4+:YAG主被动双损耗调制kHz亚纳秒激光器优化设计

5．1 Cr4+:YAG晶体的饱和吸收特性

5．2 EO／Cr4+:YAG双损耗调制Nd:Lu0．15Y0．85VO4激光器优化设计

5．2．1 Cr4+:YAG被动调Q锁模Nd:Lu0．15Y0．85VO4激光脉冲特性

5．2．2 EO／Cr4+:YAG双损耗调Q锁模Nd:Lu0．15Y0．85VO4激光脉冲特性实验研究

5．2．3 EO／Cr4+:YAG双损耗调Q锁模Nd:Lu0．15Y0．85VO4激光脉冲特性理论研究

参考文献

第六章 用于真空紫外光电子能谱的高次谐波辐射

6．1 高次谐波的产生

6．1．1 微观物理学：单原子响应

6．1．2 宏观物理学：电离和相位匹配

6．1．3 介质吸收对HHG的限制

6．2 高次谐波光束线和水分子真空紫外光电子能谱

6．2．1 实验装置

6．2．2 谐波光子通量测量

6．2．3 HHG光束线系统的偏振态响应

6．2．4 EUV光电子能谱

参考文献

第七章 总结

致谢

攻读学位期间参加的项目及获得的奖励

发表及完成论文列表

附录