腔内倍频固体拉曼激光器及新型锁模激光器的研究

摘要

受激拉曼散射(SRS)是一种三阶的非线性效应，是实现激光频率变换一种有效方法。固体拉曼激光器是利用现有激光光源和晶体中的受激拉曼散射效应，产生新激光谱线的一种激光器。产生的拉曼散射光的频率由泵浦光的波长及拉曼介质本身决定，通过选择不同波长的泵浦光和拉曼介质，散射光的光谱可遍及紫外到近红外的范围。近年来，随着固体拉曼材料生长技术的发展，出现了许多优秀的拉曼晶体。全固态拉曼激光器也成为当前的一个研究热点，以其结构紧凑、效率高、稳定性好等优点吸引了广泛的关注，在信息、交通、医疗、测量和国防等领域都有重要的应用。
　　 腔内倍频固体拉曼激光器是利用倍频晶体将产生的一阶拉曼散射光倍频，产生波长在560～600 nm范围的一类激光器，是固体拉曼激光器的一个重要用途。产生的橙黄波段的激光在生物医学、医疗美容、食品药品检测、信息存储、通讯、军工、大气遥感等方面有广泛的应用。由于常用的掺钕激光材料很难产生高效运转于1120nm～1200 nm的激光，因而该波段的激光很难通过直接倍频掺钕材料激光器的方法来产生。利用晶体的受激拉曼散射效应将激光二极管泵浦掺Nd材料得到的1.06μm附近激光转换为1.18μm附近激光，再进行倍频，可以得到该波段激光的有效输出，这一方法已成为目前获得该波段激光的重要手段。
　　 随着对激光技术的深入研究，人们在追求更多激光波长的同时，人们也注重时域上的超短脉冲的研究。超短激光脉冲具有脉冲宽度窄，峰值功率高，光谱宽等优点，在国防、核聚变、激光测量、非线性频率变换、医疗诊断、激光切割、激光雷达等领域，具有巨大的经济价值。通过在腔内插入饱和吸收体的被动锁模技术是目前获得fs或ps超短脉冲的一种重要方法。
　　 本论文以Nd：YAG作为激光介质，分别研究了SrWO4、BaWO4、GdVO4及KLu(WO4)2的拉曼特性。并采用KTP作为倍频晶体通过腔内倍频拉曼激光器的方式获得了589 nm附近黄光的高效率输出。研究了以SESAM做饱和吸收体的Nd：CYA，Nd：LSO及Nd：LYSO的锁模激光特性。研究了使用graphene做饱和吸收体的掺Er光纤锁模激光器的激光特性。具体的研究内容如下：
　　 1.研究了以Nd：YAG透明陶瓷做激光介质，SrWO4晶体做拉曼介质，KTP晶体做倍频介质，主动调Q的倍频拉曼激光器在589 nm波长的高效运转。采用三镜耦合腔，当泵浦功率为16.2 W，脉冲重复率为20 kHz时，获得了平均输出功率为2.93 W的590 nm黄光，对应的从LD到黄光的光-光转换效率为18.1％。
　　 2.研究了LD端面泵浦的内腔式主动调Q Nd：YAG/BaWO4拉曼激光的激光特性，获得了1.92 W的1180 nm激光输出，对应的从LD到拉曼光的光-光转换效率为20.9％。以KTP晶体做倍频介质，采用腔内倍频拉曼激光器的方式，实现了590 nm激光的高效运转，获得了平均输出功率为2.83 W的590 nm黄光，对应的从LD到黄光的光-光转换效率为17.9％。采用LD侧面泵浦的Nd：YAG/BaWO4/KTP倍频拉曼激光获得了平均输出功率为8.3 W的黄光，对应的光-光转换效率为6.57％。
　　 3.研究了LD端面泵浦的Nd：YAG/GdVO4主动调Q内腔式拉曼激光器的激光特性。当泵浦功率为7.44 W，脉冲重复频率为20 kHz时，获得了平均功率为1.3 W的1174nm一阶拉曼光，对应的光-光转换效率为17.4％。将Nd：YAG/GdVO4内腔拉曼激光器与Nd：GdVO4自拉曼激光器进行比较，结果表明在相同泵浦功率和脉冲重复频率条件下Nd：YAG/GdVO4内腔式拉曼激光器可以获得更高的最大平均输出功率和转换效率。
　　 4.研究了LD端面泵浦的主动调Q内腔式Nd：YAG/KLu(WO4)2拉曼激光器的激光特性。使用一块c切KLu(WO4)2晶体做拉曼介质，获得了2.5 W的1178 nm拉曼光，对应的光-光转换效率为20.1％。使用一块b切KLu(WO4)2晶体做拉曼介质时，获得了包括1064 nm基频光，1074 nm，1085 nm，1095 nm，1106 nm，1117 nm，1128 nm，1139 nm，1151 nm和1163 nm分别对应于88 cm-1拉曼频移的一至九阶斯托克斯散射光；对应于757 cm-1拉曼频移的1157 nm，1169 nm和1182 nm激光以及对应于907 cm-1拉曼频移的1178 nm拉曼光共14个波长同时输出。
　　 5.研究了以Nd：CYA晶体做激光介质的连续激光特性和被动锁模特性。使用SESAM做饱和吸收体，首次实现了Nd：CYA在1080 nm的稳定连续锁模运转。采用V型腔时，当吸收的泵浦功率为13 W时，获得了2.25 W的锁模脉冲；脉冲宽度为3.9 ps，光谱宽度为0.6 nm。
　　 6.研究了LD泵浦的Nd：LSO晶体的连续激光特性，并首次实现了Nd：LSO晶体在1074.8 nm的连续锁模运转。使用SESAM做饱和吸收体，采用V型腔，当吸收的泵浦功率为14.5 W时，获得了1.42 W的稳定的1074.8 nm连续锁模脉冲，脉冲宽度为12.3 ps，光谱宽度为0.22 nm。
　　 7.研究了LD泵浦的Nd：LYSO晶体的连续激光特性，并首次实现了Nd：LYSO晶体的双波长连续锁模运转。采用SESAM做饱和吸收体，采用V型腔，实现了1075.8 nm和1078.1 nm的双波长同步锁模输出，当吸收的泵浦功率为12.7 W时，所获得的最大稳定锁模激光的输出功率为1.7 W，锁模脉冲宽度为8.9 ps。对双波长同步锁模现象进行了简单的理论模拟，理论结果与实验结果基本一致。
　　 8.在掺Er光纤激光器的环形腔中，使用graphene作为饱和吸收体，对1550 nm附近的激光进行调制，获得了稳定的连续锁模激光脉冲。当使用一个～11.4 m长的正色散环形腔时，获得了20.25 MHz的高重复率，脉冲宽度从1.7 ns到7.2 ns连续可调的纳秒方形锁模脉冲。并在使用graphene作为饱和吸收体的掺Er光纤锁模激光器中，得到了Noise-Like锁模态，测得的脉冲宽度为311 fs，3dB光谱带宽约为14 nm。
　　 本研究论文主要创新点如下：
　　 1.研究和优化设计了LD端面泵浦KTP腔内倍频Nd：YAG/SrWO4主动调Q拉曼激光器，当泵浦功率为16.2 W，脉冲重复率为20 kHz时，获得了平均输出功率为2.93W的590 nm黄光，对应的从LD到黄光的光-光转换效率为18.1％，为当时倍频调Q拉曼激光器中的最高转换效率。采用LD侧面泵浦的Nd：YAG/BaWO4/KTP倍频拉曼激光获得了平均输出功率为8.3 W的黄光，对应的光-光转换效率为6.57％。该结果为目前报道的晶体倍频调Q拉曼激光器的最高功率。
　　 2.首次研究了LD泵浦主动调Q内腔式Nd：YAG/KLu(WO4)2拉曼激光器的激光特性。使用一块c切KLu(WO4)2晶体做拉曼介质，获得了2.5 W的1178 nm拉曼光，对应的光-光转换效率为20.1％。使用一块b切KLu(WO4)2晶体做拉曼介质时，获得了包括1064 nm基频光，1074 nm，1085 nm，1095 nm，1106 nm，1117 nm，1128 nm，1139 nm，1151 nm和1163 nm分别对应于88 cm-1拉曼频移的一至九阶斯托克斯散射光；对应于757 cm-1拉曼频移的1157 nm，1169 nm和1182 nm激光以及对应于907 cm-1拉曼频移的1178 nm拉曼光共14个波长同时输出。
　　 3.首次研究了Nd：CYA，Nd：LSO和Nd：LYSO晶体的被动锁模激光特性。使用SESAM做饱和吸收体，Nd：CYA做激光介质，获得了2.25 W的1080 nm的锁模脉冲，脉冲宽度为3.9 ps；使用Nd：LSO做激光介质，获得了1.42 W的稳定的1074.8 nm连续锁模脉冲，脉冲宽度为12.3 ps；使用Nd：LYSO做激光介质，实现了1075.8 nm和1078.1 nm的双波长同步锁模输出。
　　 4.在掺Er光纤激光器中，使用graphene作为饱和吸收体，首次研究了了20.25 MHz的高重复率，脉冲宽度从1.7 ns到7.2 ns连续可调的纳秒方形锁模脉冲。并首次得到了使用graphene作为饱和吸收体的Noise-Like锁模态，测得的脉冲宽度为311fs，3dB光谱带宽约为14 nm。