（光学专业论文）紫外光梳驱动源的研究.pdf

摘要 论文摘要 基于飞秒激光的光学频率梳在精密测量和超快科学的发展方面起到了至关 重要的作用。将光学频率梳拓展到紫外与极紫外波段，不仅会带来精密光谱学研 究上的革命，而且将开辟各学科领域中高新科技发展的新时代。目前，国际上正 在竞相开展紫外与极紫外光学频率梳研制的探索研究，本学位论文的主要工作包 括开展了对时频域精密控制的周期量级极端超短紫外光梳驱动源的理论和实验 研究。为获得单脉冲能量高且脉冲重复频率高的飞秒脉冲，本论文研究在新型飞 秒激光及其放大、同步精密控制方面发展了一系列新技术。在飞秒激光振荡器的 研制方面：在国际上首次实现了基于y b ：g s 0 晶体超短脉冲的输出，其脉宽达到 3 4 3 f s ，同时实现了脉宽可调( 1 - 1 0 0 p s ) 的超短脉冲；在放大器的研制方面：基 于y b 离子双包层光纤放大技术，获得了重复频率高达1 0 0 m h z 、平均输出功率超 过1 0 w 的飞秒脉冲放大；在同步精密控制方面：发展了不同超短激光同步锁定的 新机制和创新技术，基于交叉相位调制诱导偏振态偏转，实验实现了y b ：g s 0 飞 秒激光与掺铒光纤飞秒激光的精确同步锁定，激光谐振腔可容忍的失匹范围长达 1 4 m m ，比以往所的报道的最好结果高两个数量级。特别是，实验实现了飞秒脉冲 与皮秒甚至纳秒脉冲的高精度同步锁定，为载波位相稳定的飞秒脉冲的光学啁啾 参量放大提供新途径。 本学位论文主要成果可概括如下： 1 完成了采用半导体激光二极管泵浦的基于新型掺镱激光晶体的l l a m 波段 小型化超快超短激光振荡器的研制，其中紧凑型激光振荡器的研究涉及 了关键单元创新技术的研究与发展，主要包括： 1 ) 成功地实现了具有较大能级劈裂的新型掺镱正硅酸盐激光晶体 y b ：g s o 的低阈值高效激光输出；实现了激光阈值仅为1 2 7 m w 、斜 效率8 6 的较好实验结果。此斜效率为掺镱正硅酸盐晶体到目前为 止所获得的最大值。 2 ) 采用具有较大色散量的腔内色散元件s f l 4 布儒斯特棱镜，成功地获 得了y b ：g s o 激光晶体的光滑、连续的调谐曲线，得到了波长从 1 0 0 9 n m n1 11 2 n m ，带宽大于9 7 r i m 的调谐激光输出。 3 ) 成功地实现了采用具有很好的机械性能的y b ：g y s o 混晶在1 0 8 3 n m 波段大功率的连续激光输出，这可以应用在度量衡学方面作为h e 3 和 摘要 h e 4 内部的超精细跃迁的光泵浦源；实现t y b ：g y s o 连续激光器的最 大输出功率达到7 5 w ，最高斜效率为7 9 。 4 ) 成功实现了广泛应用在非线性频率合成、荧光激发和医用仪器等方 面的y b ：g y s o 多波长激光器，实现了发生在1 0 4 1 n m 1 0 4 3 n m ， 1 0 4 8 n m - - 1 0 5 2 n m ，1 0 5 6 n m - - 一1 0 6 3 n m 和1 0 8 0 n m 1 0 8 9 n m 几个波段的双 波长、三波长和四波长激光振荡。 5 ) 成功获得了斜效率高达9 6 的混晶y b ：l y s o 晶体连续激光输出，其连 续调谐范围为1 0 1 4 4 n m 1 0 9 1 7 n m ，调谐范围大于7 7 n m 。 6 ) 成功实现了y b ：g s o 激光晶体连续锁模激光运转，选用棱镜对激光腔 内的群速度色散进行补偿，在国际上首次实现了基于y b ：g s o 激光晶 体连续锁模激光运转的中心波长为1 0 3 1 n m ，脉冲宽度为3 4 3 f s 的紧凑 飞秒激光振荡器。 2 完成了高重复频率、短脉冲种子光放大器的研制，成功解决了提高耦合 效率、抑制寄生振荡等技术难题，研究内容包括： 1 ) 实现采用掺镱双包层光纤连续放大器的输出功率达1 2 w ，斜效率5 7 。 实现了双包层光纤飞秒放大器的输出功率达1 0 w ，斜效率7 2 ，光一 光转换效率为4 2 。 2 ) 对适合大能量激光系统放大器的具有较低烧结温度的新型掺镱多晶 陶瓷y b ：y 。g l a o 。0 。的激光性能进行了探索，成功获得了最大输出功率 为2 0 w 的连续激光输出，调谐范围从1 0 1 8 n m 至u 1 0 8 6 n m ，连续调谐范 围宽达6 8 n m 的调谐激光输出。并首次实现了掺镱多晶陶瓷 y b ：y 。l 粕。o 。的皮秒激光输出。 3 成功解决了在紫外光梳驱动系统中，非共线宽带o p c p a 泵浦激光脉冲与 信号光脉冲之间精确同步的关键难题，发展了与国际同类研究不同的新 方案：将y b ：g s o 飞秒激光器和掺铒光纤激光器通过交叉相位调制引入的 非线性偏振旋转效应同步在一起，从而激光谐振腔可容忍的失匹范围长 达1 4 r a m ，比以往所的报道的最好结果高两个数量级；另外还实现了t i ：s 激光器利用光纤中传输的非线性偏振旋转和光克尔效应同步控制掺镱 锁模环形激光器。 关键词：超强超短激光，l d 泵浦，全固态掺y b 晶体激光器，时间同步 i i 摘要 a b s t r a ct f e m t o s e c o n dl a s e r o p t i c a lf r e q u e n c y c o m b s h a v e r e v o l u t i o n i z e dt h e m e a s u r e m e n to fo p t i c a lf r e q u e n c i e sa n du l t r a f a s tl a s e rs c i e n c e t h ef r e q u e n c y “c o m b s ”a tu l t r a v i o l e t ( u a n de x t r e m eu l t r a v i o l e t ( e u v ) w a v e l e n g t h so p e nt h e d o o rf o rf r o n t i e ro fp r e c i s i o ns p e c t r o s c o p ya n du l t r a f a s ts c i e n c e m a n yp r e m i e r m e a s u r e m e n tl a b sa ree n g a g i n gi nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h eu v & e u v o p t i c a l f r e q u e n c y “c o m b s ”t h i s d i s s e r t a t i o ng i v e st h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nt h eh i g hr e p e t i t i o nf r e q u e n c y , h i g hp o w e rl a s e rs y s t e mi n1l a m r e g i o nw h i c hu s e dt og e n e r a t eu v&euvo p t i c a lf r e q u e n c y “c o m b s ”w e s u c c e e d e di nt h ee x p e r i m e n t so fc o m p a c td i o d e p u m p e df e m t o s e c o n do s c i l l a t o r s ， h i g hp o w e rd o u b l e - c l a df i b e ra m p l i f i e ra n da c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o no fr e m o t e l y s e p a r a t eu l t r a s h o r tl a s e r sa n do r i g i n a la n ds o m ei m p o r t a n tr e s u l t sa c h i e v e d b y u s i n gt h ei n t e g r a t i o no ft h e s ek e yt e c h n i q u e s ，ah i g hr e p e t i t i o nf r e q u e n c y , h i g h p o w e rl a s e rs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da r o u n d1l a mb yi i s eo fw h i c ha st h e s o u r c ec o m b i n e dw i t ho p c p al a s e rs y s t e m ，s ot h a tt h ef r e q u e n c yc o m bf r o mt h e f u n d a m e n t a l1 a s e rw i l la l s ob eu s a b l ei nt h eu v x u vt h em a i nr e s u l t sh a v e b e e ns u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 w ed e v e l o p e das e r i e so fk e yt e c h n i q u e sr e l a t e dt oc o m p a c td i o d e p u m p e d u l t r a f a s tu l t r a s h o r to s c i l l a t o r si n1p mr e g i o n ： 1 ) a ne f f i c i e n td i o d e p u m p e d l a s e rw a sr e a l i z e db a s e do n an e w y t t e r b i u m d o p e dl a s e rc r y s t a ly b ：g s o ，w h e r e i ny b 3 + i o n se x h i b i tt h e l a r g e s tg r o u n d s t a t es p l i t t i n ga m o n ga l l t h ey t t e r b i u m - d o p e dc r y s t a l s a s l o p ee f f i c i e n c yu p t o8 6 a n dap u m p i n gt h r e s h o l da sl o wa s12 7m w w e r ea c h i e v e df o rac o n t i n u o u s w a v ey b ：g s ol a s e ra t10 9 2 5n l nu n d e r t h ep u m po fah i g h b r i g h t n e s sl a s e rd i o d e 2 ) a c o n t i n u o u sa n ds m o o t ht u n i n gr a n g eb r o a d e rt h a n9 7n i n ，f r o m10 0 9 t 01 112n n lo fy b ：g d 2 s i 0 5t u n a b l el a s e rw a sr e a l i z e dw i t ha l ls f14 p r i s ma st h ei n t r a c a v i t yt u n i n ge l e m e n t i i i 摘要 3 ) e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n an e wy t t e r b i u m d o p e da l l o y e dl a s e r c r y s t a l ，y b ：g y s o h i g h - p o w e rc wy b ：g y s ol a s e rc a nb et u n e da r o u n d 10 8 3m n ，w h i c hm a ys e r v ea saf a v o r a b l ec a n d i d a t ef o ro p t i c a lp u m p i n g o fh da n dh e 4 ，p r o v i d i n gw i d ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nh e l i u m m a g n e t o m e t e r s t h em a x i m u mo u t p u tp o w e rr e a c h e d 7 5w ：t h e m a x i m u ml a s i n gs l o p ee f f i c i e n c yr e a c h e d7 9 4 ) e f f i c i e n tt u n a b l es i m u l t a n e o u sc o n t i n u o u s w a v e ( c w ) m u l t i w a v e l e n g t h d i o d e - p u m p e dy b ：g y s ol a s e r a r eo fi n t e r e s tf o rv a r i o u sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ss u c ha sn o n l i n e a rf r e q u e n c ym i x i n g ，f l u o r e s c e n c ee x c i t a t i o n a n dm e d i c a li n s t r u m e n t a t i o n u n d e rd i f f e r e n tc a v i t ya l i g n m e n t s ，d u a l - ， t h r e e 一，f o u r - w a v e l e n g t h l a s e r sw e r e s u c c e s s f u l l yr e a l i z e d a r o u n d 1 0 4 1 1 0 4 3 ，1 0 4 8 - 1 0 5 2 ，1 0 5 6 1 0 6 3 ，a n d1 0 8 0 1 0 8 9n n l 5 ) i nt h ec o n t i n u o u s w a v el a s e ro p e r a t i o no fy b ：l u y s i o s ( y b ：l y s o ) ，a m a x i m a ls l o p ee f f i c i e n c yo f9 6 w a sa c h i e v e d b yu s i n gad i s p e r s i v e p r i s m a st h e i n t r a c a v i t yt u n i n ge l e m e n t ，w ed e m o n s t r a t e d t h a tt h e c o n t i n u o u s - w a v ey b ：l y s ol a s e re x h i b i tac o n t i n u o u st u n a b i l i t yi nt h e s p e c t r a lr a n g eo f1 0 1 4 4 - 1 0 9 1 7n l n 6 ) c o m p a c tf e m t o s e c o n dl a s e ro p e r a t i o no fy b ：g d 2 s i o s ( y b ：g s o ) c r y s t a l w a sd e m o n s t r a t e df o rt h ef i s m tt i m e ，t oo u rk n o w l e d g e ap a i ro fs fio p r i s m sw a si n s e r t e di n t ot h el a s e rc a v i t yt oc o m p e n s a t ef o rt h eg r o u p v e l o c i t yd i s p e r s i o n t h em o d e l o c k e dp u l s e sc e n t e r e da t10 31 n l nw e r e c o m p r e s s e dt o3 4 3f s 2 b a s e do nt h ey t t e r b i u m d o p e dd o u b l e - c l a df i b e r , w eh a v ed e v e l o p e dah i g h p o w e r , h i g hr e p e t i t i o nr a t ea m p l i f i c a t i o ns y s t e m 1 ) i nc wd o u b l e c l a df i b e ra m p l i f i e r , t h em a x i m u mo u t p u tp o w e rr e a c h e d l2w ：c o r r e s p o n d i n gs l o p ee f f i c i e n c yr e a c h e d5 7 i nf e m t o s e c o n d a m p l i f i e r , t h em a x i m u mo u t p u tp o w e rr e a c h e d 10 彤c o r r e s p o n d i n g s l o p ee f f i c i e n c yr e a c h e d7 2 2 )w ee x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e dd i o d e - p u m p e dc o n t i n u o u s w a v ea n d t u n a b l el a s e r o p e r a t i o n o fy b 3 + - d o p e d y t t r i u m l a n t h a n u mo x i d e t r a n s p a r e n tc e r a m i cm ：l _ x l a x ) 2 0 3 ，x = 0 0 5 ) w h i c hw a sf a b r i c a t e db y 摘要 l o w t e m p e r a t u r es i n t e r i n g am a x i m u mo u t p u tp o w e ro f2 0w a n da s m o o t ht u n a b l ec u r v ef r o m1018t o10 8 6n mw e r eo b t a i n e d c o m p a c t p i c o s e c o n dl a s e ro p e r a t i o nw a sd e m o n s t r a t e df o rt h ef i s m tt i m e ，t oo u r k n o w l e d g e 3 an o v e ld e s i g n e ds c h e m eo fa c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o no fs i g n a la n dp u m p l a s e ro fo p c p as y s t e mt o g e n e r a t e t h eu v e u vo p t i c a lf r e q u e n c y “c o m b s ”w ee x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t es y n c h r o n i z a t i o no fap u l s e ds l a v e f i b e rl a s e rb a s e do nn o n l i n e a rp o l a r i z a t i o nr o t a t i o ne f f e c ta t15 5 0a r i aw i t ha r e m o t e l ys e p a r a t ef e m t o s e c o n dm a s t e rl a s e ra t10 3 0 h i l lw i t hal a r g ec a v i t y m i s m a t c hl e n g t hu pt o14i n n l ，a tl e a s tt w oo r d e r so fm a g n i t u d el o n g e rt h a n t h o s eh i t h e r t or e p o r t e d k e yw o r d ：u l t r a - i n t e n s ea n du l t r a - s h o r tl a s e r , d i o d e - p u m p e d ，a l ls o l i ds t a t e y b d o p e dc r y s t a ll a s e r s ，t e m p o r a ls y n c h r o n i z a t i o n v 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：查室鲎日期： 学位论文授权使用声明 伽3 o6 d 2 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：苍圣旁 导师签名： 日期：加吕y 篷r z 第一章综述 第一章综述 1 1 研究背景 基于激光的精密光谱学的发展极大地提高人类探索自然规律的能力，已被科 学界公认为人类揭示物质的新的结构和新的现象、探索微观世界物理规律、以及 认识原子分子结构最有力地工具。纵观人类发展的历史，科学技术的每次飞跃都 得益于使用前所未有的测量精度、分辨率、或灵敏度。近二十年，通过对光场 频域的精密控制，科学家已将激光线宽压缩n d , 于1 h z ( 光频的1 0 1 5 ) ，结合原 子分子谱线的精密测定直接导致了原子频标一原子钟技术的发展，目前的原子钟 已经能精确到十亿分之一秒。精密光谱学的另一个重要研究领域是不断地突破光 谱的时间分辨极限。时域超高分辨的精密光谱学为人类研究并应用各种超快过程 提供了强有力的新手段，已经并将继续使人类在更深的层次上进一步认识微观世 界物质内部的能量转移和信息传递过程。在精密光谱的时间超高分辨方面，人类 于1 9 8 0 年前后开始进入飞秒( 1 0 。1 5 s ) 超快时代，最近几年来，为实现时间超高 分辨的超快光学与光谱学正在进行着从飞秒向亚飞秒至阿秒的跨越，一门新的前 沿学科一阿秒光谱学已经诞生。利用超短激光的高次谐波产生、分子调制的受激 r a m a n 过程等新技术已可以突破l f s 的时间极限。值得注意的是，由于超短脉冲 的频谱宽度和脉冲时间宽度是一对相互制约的物理量，一直未找到能同时实现时 一频域高分辨的光谱探测方法。直到2 0 世纪末，科学家通过对飞秒激光稳频技术 的研究、超快激光的载波位相的精确控制突破了光场时域和频域研究领域的隔 阂，实现了对光场时一频域同时精密控制和飞秒光学频率梳，进而可发展时域和 频域同时具有超高分辨率的光谱探测，极大地提升基于超快激光的精密光谱学的 技术手段和应用范畴n 州。j l h a l l 和t w h a n s c h 因为在这方面的杰出工作获 得了2 0 0 5 年的诺贝尔奖n 7 侧。对光场在时域一频域同时实现精密控制的技术正在 开始推进到紫外( u v ) 、极紫外( x u v ) 和软x 射线超短波段，最近，t w - h a n s c h 小组等将光梳技术延伸到v u v 和x u v 区域。可以用极紫外光学频率梳技术测量 h e + 的1 s 一2 s 跃迁的高分辨激光光谱，最终可能在x 射线区域产生原子钟。极紫 外、软x 射线、x 射线波段等更高频率范畴的原子钟有望更大幅度的提升时间频 率度量的精度。精密光谱学在向紫外与极紫外、软x 射线等短波段延伸发展的进 程中，不仅为原子分子精密测控与物性量子调控提供更高精度的新技术，同时将 为人类跨越到更深的层次上认识微观世界物质内部的能量转移和信息传递过程 华东师范大学研究生毕业论文紫外光梳系统驱动源的研究 等提供时域超高分辨的新技术。光学频率梳以及相关的精密光谱学技术在时域研 究的实验中非常重要。通过外腔增强的高次谐波产生，不但可将光梳技术延伸到 紫外与极紫外区域，而且等间隔相位锁定的高次谐波可以形成阿秒脉冲，类似于 可见光波段的锁模激光。光学相位稳定有利于单次阿秒脉冲产生、超高强度相互 作用的许多现象的研究。因此。国际上许多著名的研究机构，例如德国马普量子 光学所的t w h a n s c h 与f k r a u s z 等合作，开展阿秒脉冲产生和应用领域的研 究。将光谱的时间分辨达到阿秒量级以及将精密光谱学向极紫外、软x 射线等短 波段延伸，是当今精密光谱学发展的两个重要方向。 1 1 1 紫外飞秒光学频率梳 下面通过飞秒锁模激光器简要介绍光学频率梳的原理。飞秒锁模激光器采用 宽带增益介质，运用锁模技术锁定激光模式，激光器输出为时间上等间距的短脉 冲序列。对其应用傅立叶变换可以在频域得到等间距的频谱，则这些等间距的频 谱在激光增益介质增益线型内形成“光频梳”。相邻纵模的平率间距为f = c 2 l ， 这里c 为光速，l 为谐振腔腔长。f 一般为几十到一百兆赫兹量级，属于微波频 率的范围，但是由于脉冲的相速度与脉冲包络的群速度不一致，这样在以f 为坐 标的轴向上，接近第n 个坐标的纵模，其绝对频率可以表示为： 厂( ) = f o + 如图1 - 1 所示，这里n 为整数，：l 为光频梳的频率起点的偏置频率。因此，如果 将l 与兀分别锁定到微波原子钟上，即可实现了光频与微波频率的连接。超短 脉冲的宽度越窄，根据傅立叶变化关系，其对应的光谱就越宽，这样存在的纵模 数也就越多，也就意味着光梳这把“尺”所能测量的范围就越大。目前利用掺钛 蓝宝石激光器所产生的飞秒激光脉冲，利用色散补偿技术已可以将输出脉冲压缩 到5 f s 。由于脉宽压缩到了5 f s ，载波波长的激光振荡的时间还不到2 个光周期， 这样就必须考虑载波相位矽变化的问题。由于载波相位与光频梳的频率起点的 偏置频率兀存在着f o = 2 魈痧厂的关系，所以对载波相位的测量就等价于对光频 梳的频率起点的偏置频率的测量。采用光子晶体光纤把与脉冲宽度为5 f s 激光的 光谱，利用光子晶体光纤中的自相位调制效应，将光谱展宽到大于一个倍频程， 也就是同时包含基波波长与倍频光波长的超宽光谱，覆盖5 0 0 n m 一- , 1 2 0 0 n m 的谱 区，这样经过差拍光谱长波部分的倍频光与光谱中的短波部分，就可以精确地测 量到厶。j l h a l l 教授的研究小组就是采用这种技术，第一次实现了光学频 率与微波频率的直接连接，并且成功的测量了7 7 8 n m 钛宝石激光的精确波长。 2 第一章综述 图1 - 1 飞秒激光光频梳原理的示意图 目前强场超快精密光谱学以及对超快强场时域和频域精密操控开始推进到 极紫外和软x 射线等超短波段，在可见光频率梳方面一个重要的后续工作就是紫 外和极紫外光梳的研制。在2 0 0 5 年德国慕尼黑大学教授、马克斯普朗克一量子光 学研究所和美国科罗拉多大学与美国国家标准技术研究院几乎同时分别在 n a t u r e 和p h y s i c a lr e v i e wl e t t e r s 上发表了产生紫外光梳的文章，采用外腔增强 飞秒激光产生气体高次谐波，把近红外波段时一频域精密控制延伸到紫外与极紫 外波段啪_ 2 。在他们的实验中是将锁模的钛蓝宝石输出的飞秒激光脉冲再注入到 另一个重复频率完全匹配的环形腔中，在此环形腔焦点处喷入氙气，产生高次谐 波，实现了紫外光梳。 紫外光梳技术的进一步发展仍受到很多因素的制约，例如在高次谐波产生介 质方面，当前大都采用惰性气体原子，尚需进一步优化提高紫外光梳产生效率以 及紫外与极紫外的连续谱而非分立的谐波谱；在相位匹配控制方面，尚无法控制 高次谐波相位匹配以增强紫外光梳产生；在耦合输出方面，现有的共线耦合中高 次谐波耦合输出难、输出效率小、容易造成频谱扭曲；在驱动源方面，尚难以获 得高重复频率高峰值功率的极端超快( 脉冲宽度达到周期量级) 且时频域精密控 制的飞秒驱动脉冲；在调试方面，外腔增强设计中的环形共振增强腔的调试非常 复杂，有待于进一步简化设计方案。精密控制传递方面：超快强场时频域精密控 制拓展到紫外或极紫外波段时控制精度及其在不同波段问传递等仍面临挑战与 若干技术瓶颈。 一、紫外光梳产生及其驱动源 华东师范大学研究生毕业论文紫外光梳系统驱动源的研究 产生紫外与极紫外光学频率梳的基本途径是：利用时频域精密控制的周期 量级极端超短激光脉冲( 高重复频率，载波位相稳定、重复频率稳定) 驱动高次 谐波，把光场时频域精密控制拓展到紫外与极紫外波段。高重复频率飞秒脉冲驱 动产生高次谐波是其中的核心之一，与通常的高次谐波产生实验不同的是，驱动 脉冲能量小得多( 目前尚没办法获得单脉冲能量高且脉冲重复频率高的飞秒脉 冲，如常规飞秒振荡级输出单脉冲能量为纳焦耳量级，而常规高次谐波实验一般 采用毫焦耳甚至更大的脉冲驱动，即便如此，其转换效率仍然非常低) 。控制高 次谐波产生过程，极大地提高高次谐波转换效率，特别是在极低的单脉冲能量( 纳 焦耳量级) 驱动下高效产生高次谐波一直是紫外光梳产生的关键。已有实验证明， 长短脉冲组合驱动高次谐波产生，可提高效率，特别适用于周期量级飞秒脉冲与 大能量长脉冲相干叠加。在强场飞秒脉冲驱动下的飞秒脉冲拉丝耦合，在控制非 共线相位匹配同时，可极大地增强谐波产生，为产生增强的紫外光梳提供了诱人 的前景，外腔增强的飞秒脉冲( 脉宽相对较长但脉冲能量可以较大) 与一飞秒激 光振荡级腔内脉冲( 易于获得周期量级极端超短脉冲) 非共线的同步叠加，驱动 紫外光梳产生也有望提高效率。结合非共线多脉冲驱动的紫外光梳产生方案，可 进而发展成非共线多色多脉冲驱动产生紫外光梳的方案。例如，在外腔或腔内增 强飞秒脉冲驱动高次谐波方案中，注入弱二次谐波脉冲，可控制增强紫外光梳的 产生。 高重复频率驱动脉冲能量通常很低，一般需要使用外腔或激光腔内增强来控制 达到高次谐波产生的峰值功率密度，但实现的高次谐波转换效率甚低。控制实现满 足相位匹配条件的紫外光梳产生，是提高紫外光梳输出功率及获得极短波长紫外光 梳的一种行之有效的办法。在较低功率密度与低气体介质密度情况下，小角度非 共线交叉耦合，在相位匹配方向( 非共线光束中间) 产生紫外光，非共线光束可 以是周期量级极端超短脉冲与一束脉宽相对较宽之飞秒脉冲的同步叠加，可解决 紫外光梳耦合输出以及外腔增强的飞秒脉冲难以达到周期量级的难题及技术瓶 颈。在较高功率密度与高气体介质密度情况下，飞秒脉冲形成自束缚等离子体通 道( 拉丝) 。实验发现，非共线拉丝在同步交叉处产生强非线性耦合，超短强场 驱动下的非共线相位匹配表现出非同寻常的行为。可控制飞秒拉丝的非线性耦合 极大地增强谐波产生，实现紫外光梳的大幅增强。 产生紫外光梳急需时频域精密控制的周期量级极端超短驱动源( 高重复频 率、载波位相稳定、重复频率稳定、高功率) 。为获得单脉冲能量高且脉冲重复频 率高的飞秒脉冲，本论文研究在新型飞秒激光及其放大方面发展了一系列新技术： ( 1 ) 发展了新型超短脉冲激光及其放大的一些新技术，例如国际上首次实现了 基于y b ：g s o 晶体超短脉冲的输出，其脉宽达到3 4 3 f s ，同时实现了脉宽可调 4 第一章综述 ( 1 p s l o o p s ) 的超短脉冲；( 2 ) 基于y b 离子双包层光纤放大技术，获得了重复 频率高达l o o m l l z 、平均输出功率超过1 0 w 的飞秒脉冲放大，实验解决了抑制自 发辐射放大、双包层光纤放大的泵光波长优化等关键技术难题，为百瓦级超大功 率超短脉冲放大实验奠定了基础：( 3 ) 发展了不同超短激光同步锁定的新机制和 创新技术，基于交叉相位调制诱导偏振态偏转，实验实现了y b ：g s o 飞秒激光与 掺铒光纤飞秒激光的精确同步锁定。特别是，实验实现了飞秒脉冲与皮秒甚至纳 秒脉冲的高精度同步锁定，为载波位相稳定的飞秒脉冲的光学啁啾参量放大提供 新途径，为进一步研制用于紫外光梳产生的新型驱动脉冲提供全新技术。 1 1 2 几种放大技术的比较 啁啾脉冲放大技术 c p a 是啁啾脉冲放大技术( c h i r p e d p u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 的简称，最早是由d s t r i k l a n d 和g m o u r o u 于1 9 8 5 年提出旧j 。啁啾脉冲放大是产生超高功率激光脉冲 的一个全新的概念，它在调q 和锁模技术提高激光振荡器峰值功率的基础上，大 幅度地提高了激光放大器的可输出峰值功率。在c p a 技术出现以前，无论是采用 激光脉冲行波放大技术还是再生放大技术，都无法获得峰值功率达t w 量级的激 光脉冲。这是因为如果超短脉冲的峰值功率提高到一定程度，就会出现一系列问 题，如增益饱和使激光脉冲从放大介质中抽取能量的效率降低；放大过程中的脉 冲峰值功率过高会产生各种非线性效应，使得激光脉冲光束质量下降；过高的峰 值功率会对增益介质、光学元件及镀膜造成损坏。超快激光c p a 放大的基本原理 是：从振荡器中输出的飞秒种子脉冲，在其进行能量放大前先通过展宽器，在维 持光谱宽度不变的情况下，将脉冲在时域上展宽，使脉冲的峰值功率降低到系统 各元件的损伤阈值以下，再经过再生放大或多通能量放大后获得足够的能量增 益，最后通过压缩器将能量放大后的脉冲在时域上压缩，获得与展宽前脉宽相近 的飞秒脉冲。但是目前啁啾脉冲放大技术仍无法实现高重复频率的脉冲放大。 二双包层光纤放大技术 自从1 9 8 8 年s n i t z e r 等提出双包层光纤结构以来，高功率双包层光纤放大 器由于其诸多优点而倍受青睐侧。大模场面积双包层光纤放大器，由于其极大 地提高了输出功率而在很多方面得到广泛应用。由于双包层掺镱光纤激光器是波 导式结构，因而具有可容强泵浦和高增益的特点，而且光纤本身具有良好的柔绕 性、可掺杂等特点，从而使其具有很多优异的性能和特点，包括：输出激光的光 5 华东师范大学研究生毕业论文紫外光梳系统驱动源的研究 束质量好、散热效果好、体积小巧，结构简单等优点。双包层光纤由掺杂纤芯、 内包层、外包层、保护层四部分组成，与常规光纤相比，多了一个可以传输抽运 光的内包层。折射率从纤芯到外包层依次递减，其中纤芯专用于传输信号光：其外 部较粗的内包层则用于传输高功率泵浦光。这样，可以使用多个多模激光二极管 同时耦合至双包层光纤的内包层上，在内包层传输过程中，以折射方式反复穿越 纤芯，被掺杂离子y b 3 + 吸收，大大提高了耦合效率。信号光在另一端耦合进入纤 芯，最终获得高功率、光束质量好的放大激光输出。掺镱光纤由于其能级结构简 单，没有其他稀土掺杂物的竞争过程，具有很宽的增益带宽和很高的能量转换效 率，特别适合于高功率放大过程双包层掺镱光纤截面的几何形状严重影响掺镱 纤芯对泵浦光的吸收效率，典型的内包层结构有偏芯、d 形、长方形和梅花瓣形 等结构，优化内包层的边界形状是提高对泵浦光吸收效率的有效途径。目前双包 层光纤放大技术仍无法实现具有宽带光谱的超短脉冲的放大。 三光学参量啁啾脉冲放大技术 光学参量啁啾脉冲放大技术( o p c p a ) 的主要原理是利用高功率激光系统， 如n d ：g l a s s ，t i ：s a p p h i r e ，n d ：y a g 等激光器输出的大功率高能量的纳秒激光 脉冲作为泵浦光，然后在非线性介质，如l b o ，k d p 或b b o 晶体内通过o p a 对展宽 了的纳秒啁啾脉冲进行放大，最后在输出端利用光栅压缩从而获得飞秒超强激 光脉冲制。o p c p a 激光放大技术的优点为：输出的高能量飞秒激光脉冲具有较 好的光束质量；输出脉冲具有较好的信噪比；o p c p a 激光放大系统的效率高、成 本低；可以在放大过程中保持输出的高能量飞秒激光脉冲的载波相位不变。但是 o p c p a 激光放大技术需要同步的泵浦光和信号光。 1 2 半导体激光二极管泵浦掺镱晶体激光器的发展简介 随着激光器朝着全固态、高效率、小型化和多功能的方向发展，激光晶体作 为高增益介质在激光研究和应用中的地位也显得愈加重要，而l d 泵浦的掺镱激 光晶体j 下是这一领域近十余年来的研究热点。进入上世纪9 0 年代后，随着高功 率的窄带泵浦源i n g a h s 半导体激光二极管的发展及其成本的降低，掺y b 3 + 激光 晶体及其相关激光技术的研究风起云涌，尤其是随着大功率l d 作为惯性约束核 聚变择优泵浦源的出现、掺y b 3 + 激光材料生长技术的完善、y b 3 + 激光材料在通讯、 军事上的应用潜力，更将掺y b 3 + 激光晶体的研究、大功率y b 3 + 晶体激光技术的开 发推向了高潮。许多国际著名的研究机构，如美国的利夫莫尔国家实验室、林肯 6 第一章综述 实验室、休斯研究连续激光器实验室；德国的斯图加特大学、汉堡大学；英国的 南安普敦大学、曼彻斯特大学；瑞士联邦理工学院；日本的大阪大学、福田大学 等相继开展了掺y b 3 + 激光晶体及其大功率激光技术的研究开发，并将其视为发展 高效、大功率固体激光器的一个主要途径。 随着激光二极管( l d ) 的发展，用l d 代替传统的闪光灯和离子激光泵浦已成 为固体激光器发展的主要趋势，这将有利于固体激光器向高效、高功率、微型化、 集成化方向发展h h3 1 。三价镱离子( y b 3 + ) 相对于传统的激活离子如n d 3 + 、e r 3 + 等， 更适合于半导体激光二极管泵浦，量子效率高达9 0 ；y b 3 + 吸收带位于9 0 0 n m - 1 0 0 0 n m ，与i n g a a s 激光二极管能有效耦合，且无需严格控制激光二极管的温度； y b 3 + 离子掺杂的激光材料的热效应是n d 3 + 的1 3 ，无上转换和激发态吸收，浓度淬 灭效应较低，最有希望取代掺钕激光材料( 如n d ：y a g 和n d ：y v 0 。) ，成为新一代 高功率全固态激光材料h 引。 掺y b 3 + 激光晶体的发展与y b ：y a g 晶体的发展密切相关的。1 9 7 1 年，r e i n b e r g 等人h 5 1 用掺s i 的g a a s 发光二极管泵浦y b ：y a g 晶体，首次获得了1 0 2 9 9 m 的脉 冲激光输出，峰值功率达0 7 w 。进入9 0 年代，随着泵浦源i n g a a s 二极管的输 出功率、稳定性的升高以及价格的下降，加之人们对激光器的高效、高功率、小 型化、集成化的不断追求，适应这一波段的y b 3 + 掺杂的激光晶体日益受到人们的 重视。尤其是掺y b 3 + 激光晶体在惯性约束核聚变以及通信、军事上的巨大应用潜 力，更将掺y b 3 + 激光晶体的研究推向了高潮。1 9 9 1 年，美国林肯实验室l a c o v a r a 等人h 卅首次报道，在室温下i n g a a s 二极管泵浦y b ：y a g 晶体获得连续激光输出， 吸收泵浦功率为2 4 5 m w 时，获得了2 3m w 的最大输出功率。1 9 9 3 年，f a n 等人h 刀 首次用i n g a a s 二极管作为泵浦源，在室温下获得y b ：y a g 调q 脉冲激光输出，其 脉冲能量为7 2 一，脉冲宽度为1 1n s 。2 0 0 4 年，商业化的y b ：y a g 圆盘激光器的 输出功率已经达到4 k w h8 。目前，国内外很多机构开展了掺y b 3 + 的研究工作，y b 3 + 在可调谐激光和飞秒激光输出方面也得到了迅猛发展，y b 3 + 输出激光最短脉宽已 经达到7 0 f s h 引。 y b 系列激光晶体的一个突出的优点是可用于产生强激光脉冲。在过去的几 年里，越来越多的研究兴趣集中在利用结构简单紧凑而功能强大的大功率l d ， 泵浦y b 系列激光晶体，产生平均功率达到数瓦量级的飞秒激光脉冲上面。被动 锁模飞秒激光系统要求激光介质的增益宽度宽、激光受激发射截面大、热传导性 能好，当前技术的发展仍旧很难获得这几种性能兼备的激光晶体，相应地限制了 l d 泵浦产生飞秒激光脉冲技术的发展。利用现有的l d 泵浦技术，仅能产生平均 功率为几百毫瓦的飞秒系统，尚无法使平均功率达到数瓦量级。在已有的飞秒激 光系统中，仅有t i 宝石激光系统可产生数瓦平均功率。但是，t i 宝石激光系统 7 华东师范大学研究生毕