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基于石墨烯可饱和吸收被动锁模超快全固体激光器的研究
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脉宽压缩光栅用多层介质的设计、制备和性能分析
基于啁啾脉冲放大技术的超短、超快、高峰值功率激光器的发展很大程度上依赖于光栅的衍射特性。介质膜光栅(脉宽压缩光栅)由于具有高衍射效率和高抗激光损伤特性而应用于啁啾脉冲放大系统。介质膜光栅的衍射特性分析以及作为刻蚀表面浮雕结构载体的多层介质膜的设计、制备和性能分析成为一个重要的研究课题。　　
本文采用严格耦合波理论对介质膜光栅的衍射特性进行了系统的分析，建立了多层介质膜干涉特性和表面浮雕结构衍射特性相互耦合作用的模型。数值分析表明：介质膜光栅的衍射效率与入射波长、入射角度、入射光的偏振态、表面浮雕结构的周期、槽深、占空比、剩余厚度以及多层介质膜的折射率和厚度等参数密切相关。　　
根据脉宽压缩光栅对多层介质膜的要求，利用薄膜光学的干涉理论设计了在使用波长和写入波长处性能优良的脉宽压缩光栅用多层介质膜。计算了项层HfO2的厚度、光刻胶厚度以及入射角度对写入波长处光性的影响；给出了电场强度在介质膜层内的分布；分析了折射率、膜层厚度以及参考波长等参数对脉宽压缩光栅用多层介质膜光学特性的影响。　　
利用电子束热蒸发方式制备了优化设计的脉宽压缩光栅用多层介质膜。根据膜系的特点和镀膜机的实际蒸发特性设计了三种针对不同尺寸样品的制备方案；探索了大尺寸样品(200m×400mm×50mm)，的制备工艺条件，获得了良好的工艺稳定性、重复性和均匀性。对制备的样品进行了光谱特性测试，测试表明：在使用波长处反射率优于99.5％，在写入波长处透射率优于96％且具有30nm左右的带宽，样品的均匀性优于±0.75％，满足实际需求。　　
利用设计的多层介质膜制备了尺寸为200mm×400mm和80mm×1.50mm的介质膜光栅，其衍射效率的实测值优于95％；在HfO2和铬表面掩模的介质膜光栅的抗激光损伤阈值分别为5.04J/cm2和6.61 J/cm2，而多层介质膜的抗激光损伤阈值为14.86J/cm2。对样品损伤形貌的扫描电镜照片分析发现：相比于未刻蚀的多层介质膜，介质膜光栅的初始损伤主要发生在光栅槽的侧壁，且损伤主要是由制备过程中引入的杂质污染引起。
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被动锁模光纤激光器具有稳定性好、效率高、系统紧凑等优势，在光纤通信、遥感、激光雷达、光谱分析和军事等方面具有广泛应用，是目前超快激光研究的热点之一。为了获得高峰值功率、超快的锁模激光输出，光纤激光器的谐振腔和光学元件需要仔细选择。其中，可饱和吸收体是被动锁模光纤激光器中的关键器件，它要求非线性材料具有可控的非线性吸收能力、快的响应和低的损耗。除此之外，调制深度也是可饱和吸收体的关键参数之一，高的调制深度可以增强消减脉冲边缘的效果，有利于获得超短脉冲，而且可以有效提高超快激光器的稳定性。本论文围绕如何获得短脉冲、稳定工...展开
被动锁模光纤激光器具有稳定性好、效率高、系统紧凑等优势，在光纤通信、遥感、激光雷达、光谱分析和军事等方面具有广泛应用，是目前超快激光研究的热点之一。为了获得高峰值功率、超快的锁模激光输出，光纤激光器的谐振腔和光学元件需要仔细选择。其中，可饱和吸收体是被动锁模光纤激光器中的关键器件，它要求非线性材料具有可控的非线性吸收能力、快的响应和低的损耗。除此之外，调制深度也是可饱和吸收体的关键参数之一，高的调制深度可以增强消减脉冲边缘的效果，有利于获得超短脉冲，而且可以有效提高超快激光器的稳定性。本论文围绕如何获得短脉冲、稳定工作的被动锁模光纤激光器，理论结合实验研究了高调制深度饱和吸收体对被动锁模光纤激光器输出特性的影响。主要工作如下：　　第一，数值模拟了光通信波段可饱和吸收体参数对被动锁模光纤激光器输出特性的影响，并基于拓扑绝缘体可饱和吸收体实现了亚皮秒的超快激光输出。基于Ginzburg-Landau方程，数值模拟了可饱和吸收体对被动锁模光纤激光器输出特性的影响。基于Bi2Te3可饱和吸收体，设计并搭建了被动锁模掺Er的环形腔光纤激光器，并实现稳定的脉冲输出。泵浦功率到达85.4 mW时，光纤激光器进入自启动的状态；泵浦功率调至500 mW时，我们获得重复频率为13.14 MHz、脉宽约505 fs的锁模孤子脉冲输出。通过不断调控偏振控制器，观察到光纤激光器输出脉冲的中心波长能够在72.32 nm之间连续调谐。　　第二，数值模拟了近零色散情况下掺铥被动锁模光纤激光器的输出特性，为优化设计中红外超快光纤激光器提供了指导。基于Ginzburg-Landau方程，数值研究了饱和吸收体参数（调制深度、饱和功率和非饱和吸收损耗等）对被动锁模光纤激光器输出脉冲特性的影响。在谐振腔净腔色散为–0.008 ps2时，获得了稳定的孤子脉冲输出。数值模拟结果表明：高调制深度、低饱和功率的饱和吸收体能够得到更窄的孤子脉冲。收起
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&&8:00-11:30,13:00-17:00(工作日)具有浓度梯度的键合Nd:YVO_4/Nd:YVO_4/Nd:YVO_4晶体热效应及（超）短脉冲激光特性研究--《山东大学》2016年博士论文
具有浓度梯度的键合Nd:YVO_4/Nd:YVO_4/Nd:YVO_4晶体热效应及（超）短脉冲激光特性研究
【摘要】：激光二极管泵浦的激光器,具有全固化、泵浦效率高、稳定性好的优点,被广泛地应用于通信、工业切割、军事及外科手术等领域,引起了人们对它的极大关注。热透镜效应以及热致双折射效应会对腔内激光的稳定性产生影响,并会在系统中产生损耗。为了减小由于这种激光增益介质内部的热沉积而产生的热损耗,本论文用具有浓度梯度的键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4晶体作为激光增益介质,对其热效应及脉冲激光特性进行了研究。首先利用有限差分法将热传导方程的微分形式转化成差分形式,然后借助MATLAB计算机软件,模拟出了键合和普通Nd:YVO4晶体内部以及泵浦端面上的温度分布情况。分别利用电光、声光、GaAs以及Cr4+:YAG实现了单损耗调Q脉冲激光输出；利用电光/GaAs(Bi-GaAs)得到了双损耗亚纳秒量级的调Q锁模基频(倍频)激光的输出,并从理论上分析了双损耗亚纳秒调Q锁模的基频激光特性；利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)研究了具有浓度梯度的键合及普通Nd:YVO4晶体的锁模激光特性,并从理论上分析了锁模脉宽与腔内的能量密度之间的关系；最后实验研究了键合Nd:YVO4的声光调Q泵浦的腔内参量振荡器,输出1.57微米人眼安全激光。论文的研究工作主要包括以下几个方面：Ⅰ 利用有限元法借助MATLAB软件,模拟出具有浓度梯度的多段键合和普通Nd:YVO4激光晶体内部和泵浦端面的瞬时温度分布情况,结果表明,键合晶体能有效改善晶体的热效应,因此用这种键合晶体作为激光增益介质可以获得更好的激光输出特性。Ⅱ采用结构简单紧凑的平凹腔结构,实现了LD泵浦的键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4晶体、电光(EO)主动调Q激光器1064 nl激光运转,获得了两种不同键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4晶体和普通Nd:YVO4晶体的平均输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率随着泵浦功率以及EO调制频率的变化情况。Ⅲ实验研究了LD泵浦的键合Nd:YVO4晶体、声光(AO)主动调Q激光器1064nm激光运转,为了比较键合晶体和普通晶体的激光特性,实验中采用了两种不同键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4晶体和普通Nd:YVO4晶体,得到了在不同的泵浦功率下的平均输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率的变化情况。同时对声光和电光的主动调Q特性进行对比,发现电光的插入损耗更高,相应的脉冲宽度更窄。Ⅳ实验研究了LD泵浦的键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4晶体GaAs饱和吸收体被动调Q激光特性,获得了输出功率、脉冲宽度、重复频率、单脉冲能量及峰值功率在同一输出镜透过率、不同GaAs小信号透过率及泵浦功率下的变化关系。Ⅴ理论分析了Cr4+:YAG饱和吸收体被动调Q特性,然后实验实现了LD泵浦的Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光输出,实验测得了在同一小信号透过率和不同输出镜反射率下输出功率、脉冲宽度及重复频率随泵浦功率的变化关系,进而计算出了单脉冲能量和峰值功率随泵浦功率的变化关系。Ⅵ使用EO和GaAs,实现了LD泵浦的键合晶体双损耗调制低重频亚纳秒量级的单调Q锁模激光输出。到达一定的激光阈值后在一个Q包络下得到了一个锁模脉冲输出,进而得到了兆瓦量级峰值功率的脉冲激光。在1 kHz电光调制频率下测量了平均输出功率、Q包络及单个脉冲的宽度、脉冲能量、峰值功率随泵浦功率的变化关系；考虑腔内的光子数密度、GaAs的单、双光子吸收及键合晶体不同Nd3+掺杂浓度对吸收系数的影响,建立了新型的速率方程模型,模拟出了不同泵浦功率下Q包络下的脉冲个数,数值模拟的结果与实验结果吻合得很好。Ⅶ实现了LD泵浦的EO/Bi-GaAs双损耗调制Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4/KTP亚纳秒绿激光的输出。实验测得了同一增益介质和电光开关、不同饱和吸收体及泵浦功率下调Q锁模和单锁模的平均输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量的变化关系。实验结果显示,相对于EO/GaAs, EO/Bi-GaAs双损耗调制的单锁模绿激光的脉宽更窄,相应的峰值功率更高。Ⅷ采用W型五镜折叠腔获得了LD泵浦下的键合Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4晶体和普通Nd:YVO4晶体1.06微米连续锁模激光。通过ABCD矩阵理论,优化激光谐振腔得到了高功率、高稳定性的锁模激光输出。三块不同的Nd:YVO4晶体都实现了稳定的锁模激光输出,理论分析了脉冲宽度与腔内功率密度之间的关系,理论值与实验值相吻合。Ⅸ采用声光(AO)开关,获得了键合Nd:YVO4晶体主动调Q脉冲泵浦的腔内参量振荡器(IOPO)1570 nm的人眼安全激光。在固定的调制频率和不同泵浦功率下测得了信号光输出功率、脉冲宽度、单脉冲能量及峰值功率的变化情况。论文的创新点：Ⅰ 首次利用有限差分法,借助MATLAB软件,模拟了具有浓度梯度的多段键合Nd:YVO4晶体内部的温度分布情况。Ⅱ 使用EO和GaAs,首次实现了键合晶体双损耗调制低重频亚纳秒量级的单调Q锁模激光输出。考虑到键合Nd:YVO4晶体内不同Nd3+掺杂浓度对吸收系数的影响,建立了新型的速率方程模型,对EO/GaAs双损耗调制Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4亚纳秒激光的输出特性进行了理论模拟,理论模拟与实验结果相吻合。Ⅲ 首次将Bi-GaAs和电光结合,实现了Nd:YVO4/Nd:YVO4/Nd:YVO4/KTP亚纳秒双损耗调制绿激光运转,得到了399 ps最小脉宽和1.1 MW的峰值功率,并将其与EO/GaAs双损耗调制的键合Nd:YVO4绿光激光器进行比较,发现Bi掺杂的GaAs可获得更好的脉冲激光特性,是一种非常有应用价值的可饱和吸收体。IV利用SESAM,首次实现了多段键合Nd:YVO4晶体连续锁模激光运转,并从理论上分析了锁模脉冲宽度与腔内的功率密度之间的关系,理论计算与实验结果一致。
【关键词】：
【学位授予单位】：山东大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2016【分类号】：TN24【目录】：
中文摘要10-13Abstract13-18符号说明18-20第一章 引言20-38 1.1 激光器的发展概况20-22 1.2 脉冲激光器22-27
1.2.1 调Q技术23-25
1.2.2 调Q锁模技术25
1.2.3 锁模技术25-27 1.3 固体激光器的增益介质27-30 1.4 激光增益介质的热效应及键合晶体30-31 1.5 非线性光学频率变换技术31 1.6 本论文的主要研究工作31-33 参考文献33-38第二章 键合Nd：YVO_4激光器的动态热效应38-47 2.1 两种LD泵浦的基本结构38-39 2.2 LD端面泵浦的激光增益介质的热效应分析39-40 2.3 激光增益介质热效应的研究40-43 2.4 键合及普通Nd：YVO_4晶体内部的温度分布情况43-45 参考文献45-47第三章 LD泵浦键合Nd：YVO_4主动调Q激光特性研究47-58 3.1 电光Q开关主动调Q激光特性研究47-53
3.1.1 电光(EO)Q开关的工作原理47-48
3.1.2 电光主动调Q键合Nd：YVO_4激光器的实验装置和结果48-53 3.2 声光开关主动调Q激光特性研究53-56
3.2.1 声光(AO)Q开关的工作原理53-54
3.2.2 声光主动调Q键合Nd：YVO_4激光器的实验装置和结果54-56 3.3 电光和声光开关主动调Q激光特性比较56-57 参考文献57-58第四章 LD泵浦键合Nd：YVO_4晶体被动调Q激光特性研究58-74 4.1 GaAs材料的被动调Q的激光特性研究58-64
4.1.1 GaAs材料的被动调Q机理分析58-60
4.1.2 键合Nd：YVO_4晶体GaAs被动调Q激光器实验研究60-64 4.2 Cr~(4+)：YAG晶体的被动调Q激光特性研究64-69
4.2.1 Cr~(4+)：YAG晶体的被动调Q机理分析64-66
4.2.2 键合Nd：YVO_4晶体Cr~(4+)：YAG被动调Q激光器实验研究66-69 参考文献69-74第五章 双损耗调制调Q锁模亚纳秒脉冲激光特性研究74-98 5.1 亚纳秒高峰值功率键合Nd：YVO_4激光特性实验和理论研究74-86
5.1.1 1064 nm亚纳秒键合Nd：YVO_4激光器实验装置和结果分析75-80
5.1.2 1064 nm亚纳秒键合Nd：YVO_4/Nd：YVO_4/Nd：YVO_4激光的理论分析80-86 5.2 532 nm亚纳秒键合Nd：YVO_4/Nd：YVO_4/Nd：YVO_4/KTP绿光激光特性研究86-93
5.2.1 Bi-GaAs的制备工艺与基本性质86-88
5.2.2 532 nm亚纳秒键合Nd：YVO_4/Nd：YVO_4/Nd：YVO_4/KTP绿光实验装置及结果分析88-93 参考文献93-98第六章 半导体可饱和吸收镜超快激光特性研究98-108 6.1 锁模的基本原理99-101 6.2 键合Nd：YVO_4/SESAM被动锁模的实验装置与结果分析101-105 参考文献105-108第七章 光参量振荡108-121 7.1 三波混频109-111 7.2 关于光参量振荡的原理111-114 7.3 键合Nd：YVO_4声光调Q输出泵浦OPO的实验装置及结果分析114-119 参考文献119-121第八章 总结121-123致谢123-124攻读学位期间参与的项目、获得的奖励以及发表的论文124-127附：发表外文论文两篇(SCI)127-138学位论文评阅及答辩情况表138
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