（物理电子学专业论文）ld泵浦的sesam被动连续锁模激光器实验研究.pdf

中文摘要 超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，高脉冲重复频率，宽的光谱和商 的峰值功率，在物理、生物学，o c t 、激光光谱学、光通信和激光精细加工，非 线性频率变换等众多领域具有广泛的用途。自1 9 9 2 年半导体可饱和吸收镜 ( s e s a m ) 发明以来，由于s e s a m 激光器所其有的鲁棒性，紧凑性，廉价等优 点，使得s e s a m 在飞秒和皮秒锁模激光器中得到了蓬勃的发展和广泛的应用。 国外对s e s a m 及s e s a m 锁模激光器的研究已趋成熟，而国内则刚刚起步。在这 样的背景下，本文利用国产s e s a m ，从理论和实验上研究了l d 泵浦的n d ：y v o 。 被动连续锁模皮秒激光器，在1 7 w 泵浦功率下，获得了平均功率53 w 的连续锁 模脉冲。论文的主要内容可概括为： 1 、 概述了国际上s e s a m 锁模激光器的几个发展方向，着重介绍了s e s a m 锁模激光器在各个方向e 所取得的最高水平。对大陆的发展情况也作了相 应的介绍； 2 、 详细地介绍半导体可饱和吸收镜，涉及s e s a m 的诞生，s e s a m 的宏观 特性，s e s a m 的各种类型，三种锁模类型，如何抑制调q 锁模，s e s a m 的热损伤等； 3 、 对l d 端面泵浦激光器，侧面泵浦激光器的热效应进行了研究。利用光线 追迹法和有限差分法模拟计算了l d 侧面泵浦激光器中，激光棒吸收的泵 浦光分布和温度分布，分析了不同的热传导系数对激光棒内温度的影响， 后者睫前者的增大雨减小，最热传导系数有一个最优值： 4 、 利用q 参数，首次推导出等效像镜存在第二个解，在使用等效像镜法设计 激光谐振腔时，该解在某些情况下更适用。用v i s u a lc h 编写了一个谐振 腔设计程序，可直观方便地设计激光谐振腔。介绍了两镜童腔，三镜折叠 腔，四镜z 型腔的设计方法，对常用的三镜折叠腔提出了改进方法，回顾 并介绍了z 型腔的简单设计方法： 5 、在两镜直腔中，注入泵浦功率为1 6 4 2 w 时，获得了8 3 2 w1 0 6 4 n m 连续 输出。对三镜折叠腔，四镜折叠腔，五镜折叠腔锁模激光器进行了实验研 究，分析了锁模波形中连续背景的存在原因。最终在五镜折叠腔中，获得 了平均功率5 3 w 的连续镁模输出，注入泵浦功率1 7 w ，光一光转换效率 3 12 ，斜效率3 4 7 。同时对l d 侧面泵浦n d ：y a g 锁模激光器做了初 步研究。 关键词：全固态激光器；被动锁模：连续锁模：等效像镜；谐振腔设计；n d ：y v o 。： s e s a m a b s t r a c t u l t r a f a s tl a s e r sw i t hu l t r a s h o r tp u l s ed u r a t i o n ，h i g hp u l s er e p e t i t i o nr a t e ，b r o a d s p e c t r u ma n dh i g hp e a ki n t e n s i t ya r ea t t r a c t i n gg r o w i n gi n t e r e s tb e c a u s eo fn u m e r o u s a p p l i c a t i o n s i n p h y s i c s ，b i o l o g y ，o c t ，l a s e rs p e c t r o s c o p y ，h i g h c a p a c i t y t e l e c o m m t m i c a t i o ns y s t e m sa n dn o n l i n e a rf r e q u e n c yc o n v e r s i o ne t c s i n c et h e i n v e n t i o no fs e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e rm i r r o r s ( s e s a m ) i nl9 9 2 ，t h e p a s s i v e l ym o d e - l o c k e dl a s e r s w l t ls e s a mh a v ed e v e l o p e dr a p i d l yo v e rt h ep a s t d e c a d eb e c a u s eo ft h e i rm a n yv i r t u e ss u c ha sr o b u s t ，i n e x p e n s i v e ，c o m p a c te t ci n f o r e i g nc o u n t r i e sa n dt a i w a n ，m a n yr e s e a r c h e sh a v em a d eo nt h es e s a ma n dt h e s e s a ml a s e r , b u tt h e r eh a v eo n l yaf e wr e s e a r c h e so ni ti nm a i n l a n dt h i st h e s i s p r e s e n t e dm o d e l i n g a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s o nal dp u m p i n gp a s s i v e l y m o d e 1 0 c k e dn d ：y v 0 4l a s e rw i t hh o m em a d es e s a mw eo b t a i n e dc o n t i n u o u s w a v em o d e l o c k e df c w m l ) p u l s et r a i n s w i t l l5 3 wa v e r a g eo u t p u tp o w e ra tt h e i n c i d e n tp u m pp o w e ro f1 7 w t h em a i nc o n t e n t sc a nb eo u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 s u m m a r i z e ds e v e r a ld e v e l o p e dd i r e c t i o n so fm o d e 一1 0 c k e dl a s e rw i t hs e s a mi n i n t e m a t i o n a la n di n t r o d u c e dt h eh i 曲e s t - l e v e ll a s e r sa c h i e y e d t h es t a t u so f m a i n l a n dh a sa l s ob e e ni n t r o d u c o d 2d e t a i l e di n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e s a ms u c ha s 如n a i s s a n c e m a c r o - p a r a m e t e r , a 1 1k i n d so fs t n a c t n r e s t h r e em a r m a ro fm o d el o c k i n g ，h o wt o s u p p r e s st h eq - s w i t c h e dm o d e - l o c k i n g ，t h e r m a li n d u c e dd a m a g ee t c 3r e s e a r c h e dt h et h e r m a le f f e c t so fl de n d , p u m p e dl a s e ra n ds i d e - p u m p e dl a s e r r a y - t r a c i n ga l g o r i t h ma n df i n i t e d i f f e r e n c em e t h o da r eu s e dt os i m u l a t et h e a b s o r b e dp o w e ra n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nc r y s t a lr o df o rd i f f e r e n t s i d e - p u m p i n gc o n f i g u r a t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r eh a v ei m p o r t a n c e i n f l u e n c e so nt h ea b s o r b e dp o w e ta n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa td i f f e r e n t p u m p i n gc o n f i g u r a t i o n sa n dp a r a m e t e r s t h er e l a t i o nb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ei n t h ec r o s s s e c t i o no ft h el a s e rr o da n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti si n v e s t i g a t e d t h ef o r m e rn o n l i n e a r l yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e l a t t e r , a n dt h e c o e f f i c i e n th a sa l lo p t i m a lv a l u e 4t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e t h i si sf i r s tt i m et od e d u c et h es e c o n ds o l u t i o no f e q u i v a l e n ti m a g i n gm i r r o rw i t ht h em e t h o do fqp a r a m e t e r t h i ss o l u t i o nm a yb e s u p e r i o rt ot h ew e l l k n o w ns o l u t i o ni ns o m ec o n d i t i o n su s i n gt h ev i s u a lc 十十la p r o g r a m mf o rl a s e rc a v i t yd e s i g ni sb u i l tw e c a l le a s i l yd e s i g nal a s e rc a v i t yb yi t i n t r o d u c e dh o wt od e s i g nat w o - m i r r o rl i n e a rc a v i t y ，t h r e e m i r r o rf o l dc a v i t y ，a n d f o u r m i r r o rz s h a p ec a v i t y r e v i s e dt h eo r d i n a r yt h r e er m r r o ra n dr e v i e w e da s i m p l ed e s i g nm e t h o do f z - s h a p ef o l dc a v i t y 5i nt w o m i r r o rl i n e a rc a v i t y , w eo b t a i n e d8 3 2 wc w o u t p u tp o w e ra tt h ei n c i d e n t p u m pp o w e ro f1 6 4 2 we x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e dt h et h r e e m i r r o r , f o u r - m i r r o r a n df i v e - m i r r o rf o l dc a v i t y ，a n a l y z e dt h ec o n t i n u o u sb a c k g r o u n di nm o d e l o c k e d p u l s et r a i n sm e a s u r e da tl a s t ，w eo b t a i n e dc w m lp u l s ew i t h5 3 wa v e r a g e o u t p u tp o w e ri nf i v e m i r r o rf o l dc a v i t y ，t h ec o r r e s p o n d i n gi n c i d e n tp u m pp o w e r w a s17 w o p t i c o p t i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y31 2 a n ds l o p ee f f i c i e n c y3 4 7 t h e n ，w ep r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e dt h el ds i d e p u m p i n gn d ：y a gm o d e l o c k e d i a s e e k e y w o r d s ：a l l s o l i d - l a s e r ；p a s s i v e l ym o d e - l o c k c c l ；c o n t i n u o u s w a v e m o d e - l o c k e d ( c w m l ) ；e q u i v a l e n ti m a g i n gm i n o r ；c a v i t yd e s i g n ；n d ：y v 0 4 ； s e s a m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘连盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豢分7 鸟签字嗍砑年，月占口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫童盘鲎。有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘查盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅帮借阅。阊意学校 向匿家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 暴甜弓 签字日期：y 绣年，月 占日 聊躲束义倚 签字日期：o 铲f 月目 天津大学硕士学伉论文 第一章概述 超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，高脉冲重复频率，宽的光谱和商 的峰值功率，在物理、生物学，o c t 、激光光谱学、光通信和激光精细加t 等众 多领域具有广泛的用途u ”。自1 9 6 6 年d em a r i a 等人利用n d ：g l a s s 实现被动锁蟆 超短脉冲激光器以来，超短脉冲技术在近，l 年来得到了快速的发展口。”。超 短脉冲的产生是通过锁模来实现，锁模技术经_ j i j 的阶段主要有：主动锁模( a c t i v e m o d e 1 0 c k e d ) ，被动锁模( p a s s i v e l ym o d e 。l o c k e d ) ，同步采浦锁模、碰撞锁模 ( c o l l i d i n gp u l s em o d e 1 0 c k e d ：c p m ) 、以及9 0 年代的添加脉冲锁模( a p m ) 、糕 合锁模( c c m ) 、非线性镜( n o n l i n e a r m i r r o r ：n l m ) 锁模，自锁模或克尔透镜锁 模，半导体可饱和吸收体( s e s a m ) 锁模等。本论文主要对s e s a m 被动锁模进 行研究。 1 1s e s a m 锁模激光器韵发展现状 与主动锁模和染料被动锁模激光器相比，s e s a m 被动锁模激光器具有结构 简单，稳定可靠，光束质量好等特点。因此，自1 9 9 2 年半导体可饱和吸收镜 ( s e s a m ) 发明以来【1 3 ，s e s a m 在飞秒和皮秒锁模激光器中获得了蓬勃的发 展和广泛的应用。当前，全固态高平均功率皮秒被动镄模激光器在工业，医疗， 材料加工，科学研究，非线性频率变换等方面有麓广泛的用途【1 ，15 , “】。在s e s a m 锁模激光器中，主要有以下几个研究方向：高平均功率锁模激光器，超低重复频 率锁模激光器，超高重复频率锁模激光器，以及采用各种新型晶体进行锁模的锁 模激光器。 国外设计和生长s e s a m 已比较成熟，其锁模激光器已经发展到很高的水平。 台湾地区也有高平均功率的锁模激光器报道【l ”。大陆方面，张志刚教授和中科院 半导体所合作，近年来开展了s e s a m 的研制工作，但还处于起步阶段，工艺还 = = f i 成熟，制作出的s e s a m 样品特性还没有摸清，因此国内关于s e s a m 锁模尤其 是利用国产s e s a m 进行锁模的报道较少，输出功率水平也不高。 本节将着重介绍国外以及台湾在s e s a m 镄模激光器方面取得的重要进展， 对大陆的情况也作简要介绍。 1 1 1 高平均功率锁模激光器 高平均功率锁模激光器在激光加工，非线性频率变化，工业等领域有着“泛 第一章概述 的用途。研究人员利用常规激光介质，女f l n d ：y a g ，n d ：y v 0 4 y by a g - 等晶体已 实现j ，高平均功率的连续锁模运转。我们以务种激光介质为线索，对国外的屉新 动态进行介绍。 1 1 11 0 w 和2 7 wn d ：y a g 激光器吣1 8 1 圈1 11 0 7 - wn d ：y a g 皮秒锁模激光器 1 9 9 9 年，gj s p u h t e r 等人采用图1 - t 所示z 型折叠腔。用两个2 0 w 激光二 极管条侧面泵浦n d ：y a g 棒，用布儒斯特片产生线偏光，在最大的抽运功率下， 引入o 3 的失偏损耗。所用的s e s a m 属于赢耩细度反谐振法一赡型可饱和吸收 镜，2 5 对g r a s a l a s 布拉格反射镜作底镜，项镜反射率7 2 ，量子阱 i n 2 瓣5 a s g a a s 厚2 0 n m ，其饱和恢复时间为2 6 p s ，调制深度o ；5 ，j 饱和损 耗0 4 ，饱和通量2 0 0 i _ d c m 2 。s e s a m _ = e 作饱和参数s = 2 7 。采用7 的输出镜， 在最大抽运功率4 1 7 w 时，获得了1 07 w 的高功率输出，光光转换效率超过2 5 ( 电光效率8 2 ) ，抑制调q 锁模润值3 w ，相应搬运功率2 0 4 w 。锁模脉冲脉 宽1 6 p s ，重复频率8 8 m h z ，脉冲能量1 2 0 n j ，峰值功率7 8 k w 。具有极好的光束 质量，m 。因子小于1 ，0 5 。 d c p 瞻引造卦鏖拌三哆 v ul | # id 竹女旺d i ：，嚣3 。一三， 鞠1 22 7 w n d ：y a g 皮秽激光嚣 如图1 2 所示，三个激光头串接，在总抽运功率1 3 9 w 时，获得了平均功率 2 7 w ，重复频率5 5 m h z ，脉宽1 9 p s ，峰值功率2 3 k w 的锁模脉冲。s e s a m 工作 于2 3 倍饱和通量，其调制深度l7 ，非饱鄹损耗14 ，饱和通量6 0g j c m 2 ， 恢复时间2 6 p s 。 天津大学硕士学位论文 ( ) e2 6 ，s b 糟艟s t e f 2 0 wd i o d e b a r s 图1 32 4 2 wn d ：y a g 皮秒锁横激光器 图i - 3 所示的是另种腔型结构，其稳区图如图1 - 4 所示。较图i 2 所示的 腔而言，图1 - 2 的腔易调整，但是稳区较小，后者虽然调整困难。但是稳区较宽， 激光器鲁棒性和紧凑性好，容易产品化和商品化。利用图1 - 3 所示的激光腔，实 现了2 4 2 w 的高功率锁模脉冲输出，重复频率5 0 m h z ，总泵浦功率1 3 6 w ，锁模 脉宽2 5 p s ，峰值功率1 7 k w 。m 2 优千10 5 ，具有极好的光束质量。 9 0 0 z6 0 0 葛4 董 蔫2 0 0 n 啦垮科m 目l w l 5 0l o o1 5 02 0 0 t 定研。3 ( 一 一1 l 一。前”一、严 、 、 i 1 i fili d i 鼬r i c 删嚣l m ”1 c m c u a t e dm o d er a d i ii nt h ed c pl a s e rh e a d s ( s o l z l ) ，o nt h es e s a m ( d a s h e d ) ，a n do nt h eo u t p u tc o u p l e r ( d o n e d ) ，a ssf u n c t i o no ft h e d i o p t r i op o w e ro ft h et h e r m a ll e n so ft h el a s e rh e a d s ( a n dt h ep m m p p o w e r ，r e s p e c t i v e l y ) f o rt h ec a v i t ys h o w ni nf i g 1 3t h ea x i ss e a ko n t h eb o t t o mc o r r e s p o n d st ot h et h e r m a ll e n so ft h eh e a dd c p # 3t h e l e n s e so ft h eo t h e r h e a d sa f ev a r i e dp r o p o r t i o n a 丑yt h el 均j 2 0 ww i n d o w s o f - m s t a b i 硅f vi n d u c e db vt h ed i f f e r e n c eo ft h el a s e rh e 8 d sa 陀j f 试j c a | e d 圈1 - 4 稳区图 第一章概述 1 1 1 2n d ：w o 图1 52 3 wn d ：y v 0 4 皮秒锁模激光器 台湾的swt a i 等人在2 0 0 2 年报道了2 3 w 的高平均功率皮秒锁模激光器 1 1 7 1 ，其结构装置如图1 - 5 所示。半导体可傀和吸收镜采用s b r 结构，m b e 法生 长，3 5 对g a a s a i a s 形成的布拉格反射镜( d b r ) 反射率高达9 95 ，i n 。g a l 一。a s 单量子阱厚7 n m ，其宏观参数为调制深度lo ，非饱和损耗02 ，饱和通量 4 0 9 j c m 2 ，饱和恢复时问2 0 p s 。采用光纤耦合输出的激光二二极管双端泵浦。光 纤芯径o8 m m ，数值孔径n a = 0 2 ，泵浦光经焦距为3 5 m m 的光纤耦合器耦合到 9 m m 长，03 掺杂，o 5o 切割的n d ：y v 0 4 晶体中，泵浦光斑约06 r a m 。输出耦 合镜透过率2 0 ，腔长约l m 。调q 锁模阈值输出功率4 w ，相应的泵浦功率1 4 w 。 最终在泵浦功率为5 0 w 时，获得了2 3 w 的高平均功率输出，脉宽2 15 p s ，光一 光转换效率高达4 7 。 正 天律大学硬士学位论文 1 t 1 3y b ：y a g 1 钔 图1 - 66 0 w y b ：y a g 薄盘飞秒激光器 在2 0 0 3 年3 月，uk e l e r 研究小组利用y b ：y a g 作为激光介质，采用图1 6 所示的谐振腔结构，d m 镜用于色散补偿，在3 1 0 w 的泵浦功率下，获得了平均 功率高达6 0 w ，脉宽8 l o f g 的锁模脉冲，脉冲重复频率3 43 m h z ，脉冲能量1 7 5 心， 峰值功率达19 m w 。近衍射极限输出，m 2 优于l1 。 。舞勰懋雠怒窖黧盛嚣掩獬黜凇篙黜嬲；涨洲鬣 呻6 d 曲l f 札l m 图1 7 采用锁模激光器泵浦的红绿蓝激光器 在2 0 0 4 年8 月，该研究小组改进了图1 - 6 所示的激光器，获得了平均功率 8 0 w ，脉宽7 0 5 f s ，重复频率5 毗锁模脉冲。并利用该激光器作为泵浦源，。采 5 一 第一章概述 用倍频( s h g ) 、光参量产生( o p g ) 、光参量放大( a ) 、和频( s f m ) 等技术，获得 了8 w 红光，2 3 w 绿光，l o1 w 蘸光输出。装置如图1 - 7 所示。经过自平衡配 比，获得2 49 w 的自光( 8 w 红光，64 w 蓝光，1 0 5 w 绿光) ，为目前所达到的最 高水平。 1 1 2 超低重复频率镇模激光器 一d i a g r a m o f t h e c a v i 够l a y o u t f o r1 5 一m 撇 o p e r a t i o n 。 圈1 81 5 m h z 激光器装置结梅圈 激光器的等效腔长决定了锁模激光器脉冲的重复频率。由于脏长的限制，锁 模激光器通常工作在几十至上百兆赫兹。在保持平均输出功率大致不变的情况 下，减小脉冲重复频率可以增大脉冲的峰值功率。具有高峰值功率的超低重复频 率的锁模激光器在生物医疗，非线性频率受换，镀膜，材料加工，超声波产生， 军事等领域具有广泛的用途【”。2 0 0 3 年1 月，vz k o l e v 等人利用m u l t i p a s sc e l l ( m p c ) 技术，构建了如图1 8 所示的激光腔，在薰复频率4 i m h z ，26 m h z ， i5 m h z 时，平均输出功率分别为4 1 w ，3 9 w ，35 wo 脉冲宽度1 3 p s ，m 2 优于 1l 。 紧接着在2 0 0 3 年4 月，d n p a p a d o p o u l o s 等人将重复频率降低到_ 1 m h z 以下l “1 ，其腔型结构如图1 - 9 所示。采用的s e s a m 调制深度为6 1 ，饱和通量 7 0r d c m 2 ，s e s a m i 作于饱和参数s = 1 0 。简单地调节m p c ，可以使激光器稳 天津大学硕士学位论文 定地在2 0 、1 25 、5 、3 、2 3 和l2 m u z 。运转于1 2 m h z 时，脉冲宽度 为1 63 p s ，平均输出功率4 7 0 m w ，脉冲能量达到3 9 2 n j ，相应的峰值功率高达 2 4 k w 。 , z l m m f i co f 出el a rc a v i t y 韩哇啦t h e 掰p e c o m i s f i n go ff o u rl o w - l o 嚣 9 9 舟m l v r “r sf t w of o l d i n g r a a n , m i r r o r ba n dt w o n 蜷v em i r r 髂w i t hr 一2l n o c o u t p u tc o u p l e r 图1 - 91 2 m h z 超低重复频率锁模激光器 1 1 3 超高重复频率锁模激光器 超高重复频率( g h z ) 锁模激光嚣在高容量通信系统，光开关，高速电光 采样等领域有广泛的用途。2 0 0 2 年，l u k a sk r a i n e re ta l 采用n d ：y v 0 4 作为增益 介质，s e s a m 作被动锁模元件，获得了1 5 7 g h z 超商重复频率的连续锁模脉冲口”。 熏复频率为1 0 g h z 时，获得了2 1 w 的平均功率，电光效率1 3 。 1 1 4 其他半导体可饱和暇收镜锁模激光器 研究人员利用s e s a m 作为锁模元件，在多种新晶体中实现了锁模运转。2 0 0 0 年3 月，eb r u n n e r 等人利用y b ：k g d ( w 0 4 ) 2 获得的锁模脉冲平均功率11 w ，脉 宽1 7 6 f s ，中心波长1 0 3 7 n m t 2 ”；2 0 0 0 年9 月，b i n gx u 等人利用c r 4 + ：c a 2 g e 0 4 实 现了11 0 r o w ，6 0 p s 的s e s a m 被动锁模皮秒激光器，波长从1 3 8 0 ，1 4 6 0 n m 面 调【5 】： 2 0 0 1 年1 2 月，pk l o p p 等用y b ：k y w 向人们展示了一台低闽值的s e s a m 锁模激 光器，锁模脉宽1 0 1 f s ，平均功率1 0 0 椭柙：2 0 0 2 年，ed r u o n 等采用y b ：g d c o b 获得的锁模脉宽9 0 f s ，中心波长1 0 4 5 n m ，脉冲重复频率1 0 0 m i - i z ，平均输出功 率4 0 m w h 】：2 0 0 2 年3 月，am a j o r 等利用n d ：k g d ( w 0 4 ) 2 获得：r 平均功率1 w ， 63 p s 的锁模脉冲【2 ”：2 0 0 3 年7 月，p e t e rk l o p p 等人在y b ：s c 2 0 3 中实现了2 3 0 f s 的 超短脉冲，平均功率05 4 w ，中心波长1 0 4 4 n m l 2 习：2 0 0 3 年9 月，as h i r a k a w a 天津大学硕士学位论文 定地在2 0 、1 25 、5 、3 、23 和12 m l - l z 连续锁模。运转于12 m f i z 时，脉冲宽腥 为1 63 p s ，平均输出功率4 7 0 m w ，脉冲能量达到3 9 2 n j ，相应的峰值功率高选 2 4 k w ， s c h a m a f i co ft b ei a a * ro 科 瞄g r i t ht h em p e n 8 洲n 嚣0 ff e a rl o w - l o s s 直 9 9 9 瑚主r 掷培l 电霄。如l 出n g 霸# n em i n o r sa n dt w b n 能r em i n x 黔w i t hr 雠2m 0 ( 3 ，o n 每u t 蚰i l p 轴 图1 - 912 m h z 超低重复频率锁横激光器 1 1 3 超高重复频率锬模激光器 超高重复频率( g h z ) 锁模激光器在高容量通信系统，光开关，高速电光 采样等领域有广泛的用途。2 0 0 2 年，l u k a s 妯 a i n e re ta 1 采用n d ：y v 0 4 作为增荔 介质，s e s a m 作被动锁模元件，获得了l5 7 g h z 超商重复频率的连续锁模脉冲o “， 霞复频率为1 0 g h z 时，获得了21 w 的平均功率，电光效率1 3 。 1 1 4 其他半导体可饱和吸收镜锁模激光器 研究人员利用s e s a m 作为锁模元件，在多种新晶体中实现了锁模运转。2 0 0 0 年3 月，eb r u n n e r 等人利用y b ：k g d ( w 0 4 k 获得的锁模脉冲平均功率11 w ，脉 竞】7 6 f s ，中心波长1 0 3 7 n m v ”；2 0 0 0 年9 月，b i n gx u 等人利用c r 4 十：c a 2 g e 0 4 实 现了1 l o m w ，6 0 p s 的s e s a m 被动锁模皮秒激光器，波长从1 3 8 0 1 4 6 0 h m 可调p i ： 2 0 0 1 年i 2 月，pk i o p p 等用y b t k y w 向人口j 展示r 一台低闽值的s e s a m 镄模激 光器，锁模脉宽l o l f s ，平均功翠1 w 【7 ) ：2 0 0 2 年，ed r u o n 等采用y b ：g d c o b 获得的锁模脉宽9 0 f s ，中心波长1 0 4 5 n m ，脉冲重复频率1 0 0 m f i z 平均输出功 率4 0 w 1 8 】：2 0 0 2 年3 月，am a j o r 等利用n d ：k g d ( w 0 4 ) 2 获得了f - 均功率i w ， 63 d s 的锁模脉冲“】：2 0 0 3 年7 月，p e t e r k l o p p 等人在y b ：s c 2 0 3 中实现了2 3 0 f s 的 超短脉冲，平均功率05 4 w ，中心波长1 0 4 4 r i m 【2 ，j ：2 0 0 3 年9 月as h i r a k a w a 超短脉冲，平均功率05 4 w ，中心波长1 0 4 4 n m j ：2 0 0 3 年9 月，as h i r a k a w a 天津大学硕士学位论文 定地在2 0 、1 25 、5 、3 、2 3 和l2 m u z 。运转于1 2 m h z 时，脉冲宽度 为1 63 p s ，平均输出功率4 7 0 m w ，脉冲能量达到3 9 2 n j ，相应的峰值功率高达 2 4 k w 。 , z l m m f i co f 出el a rc a v i t y 韩哇啦t h e 掰p e c o m i s f i n go ff o u rl o w - l o 嚣 9 9 舟m l v r “r sf t w of o l d i n g r a a n , m i r r o r ba n dt w o n 蜷v em i r r 髂w i t hr 一2l n o c o u t p u tc o u p l e r 图1 - 91 2 m h z 超低重复频率锁模激光器 1 1 3 超高重复频率锁模激光器 超高重复频率( g h z ) 锁模激光嚣在高容量通信系统，光开关，高速电光 采样等领域有广泛的用途。2 0 0 2 年，l u k a sk r a i n e re ta l 采用n d ：y v 0 4 作为增益 介质，s e s a m 作被动锁模元件，获得了1 5 7 g h z 超商重复频率的连续锁模脉冲口”。 熏复频率为1 0 g h z 时，获得了2 1 w 的平均功率，电光效率1 3 。 1 1 4 其他半导体可饱和暇收镜锁模激光器 研究人员利用s e s a m 作为锁模元件，在多种新晶体中实现了锁模运转。2 0 0 0 年3 月，eb r u n n e r 等人利用y b ：k g d ( w 0 4 ) 2 获得的锁模脉冲平均功率11 w ，脉 宽1 7 6 f s ，中心波长1 0 3 7 n m t 2 ”；2 0 0 0 年9 月，b i n gx u 等人利用c r 4 + ：c a 2 g e 0 4 实 现了11 0 r o w ，6 0 p s 的s e s a m 被动锁模皮秒激光器，波长从1 3 8 0 ，1 4 6 0 n m 面 调【5 】： 2 0 0 1 年1 2 月，pk l o p p 等用y b ：k y w 向人们展示了一台低闽值的s e s a m 锁模激 光器，锁模脉宽1 0 1 f s ，平均功率1 0 0 椭柙：2 0 0 2 年，ed r u o n 等采用y b ：g d c o b 获得的锁模脉宽9 0 f s ，中心波长1 0 4 5 n m ，脉冲重复频率1 0 0 m i - i z ，平均输出功 率4 0 m w h 】：2 0 0 2 年3 月，am a j o r 等利用n d ：k g d ( w 0 4 ) 2 获得：r 平均功率1 w ， 63 p s 的锁模脉冲【2 ”：2 0 0 3 年7 月，p e t e rk l o p p 等人在y b ：s c 2 0 3 中实现了2 3 0 f s 的 超短脉冲，平均功率05 4 w ，中心波长1 0 4 4 n m l 2 习：2 0 0 3 年9 月，as h i r a k a w a 第一章概述 a s h i r a k a w a 等人利用y b 3 ：y 2 0 3 陶瓷晶体实现了锁模运转，脉冲蓐复频率 9 8 - m h z ，脉宽6 1 5 f s ，中心波长1 0 7 6 5 a m ，平均功率4 2 0 m w t 2 6 l ：2 0 0 4 年3 月， a n t o n i oa g n e s i 等人利用s e s a m 和l b o 协同工作，在n d 3 ：b a y 2 f b 晶体中实现 了4 8 p s 的锁模脉冲，总输出功率l w ，中心波长 0 4 9 n m l l 2 l ；2 0 0 4 年5 月，g p a u n e s c u 等利用y b ：k g w 实现了1 0 0 f s 的锁模脉冲，平均功率1 2 6 r o w ，中- t l , 波 长1 0 3 7 4 n m ，光谱宽度1 3 4 n m l ”】；2 0 0 4 年6 月，u g r i e b n e r 等人利用y b ：l u 2 0 3 实现了锁模运转，获得了4 7 0 m w 的皮秒锁模脉冲，补偿色散之后，获得 r 2 6 6 m w ，2 2 0 f s ，中心波长1 0 3 35 r i m 的毛秒脉冲1 2 研。 1 1 5 大陆s e s a m 镶模激光嚣进展 大陆方面，对s e s a m 的研究起步较晚。2 0 0 3 年1 月，何京良和台湾人合作， 利用s b r 在n d ：g d v 0 4 中实现了5 4 w 锁模输出，晶体吸收的泵浦功率为2 0 w ， 斜效率较低，为2 5 7 ，脉冲重复频率1 t 9 m h z ，脉宽9 2 p s l 2 9 l ：2 0 0 3 年9 月， 华东师范大学张三军等人利用从德国b a t o p 公司进口的s e s a m ，采用 n d ：g d v o 。晶体，在泵游功率1 7 9 w 时，获得了4 9 w 的连续锁模输出，脉宽 1 1 5 p s 【”，”l 。2 0 0 4 年1 月，杜鹃，何京良等利用s b r 在n d ：y v 0 4 中实现了平均 功率4 w 的调q 锁模，换用小透过率输出镜抑止调q 锁模，在注入泵浦功率为 1 1 w 时获得平均功率36 w 的锁模脉冲，脉宽1 1 2 p s l 3 2 t 竹1 。 近年来，张志冈l j 教授和中科院半导体所合作研制了一些s e s a m 。j e 京工业 大学张丙元等人利用国产s e s a m 研究s e s a ml 声1 1 1 锁模激光器最早，在国内 外发表了多篇n d ：y v 0 4 ，n d ：g d v 0 4 ，n d ：y a g 的s e s a m 被动锁模论文p ”“， 但由于：采用直腔，透镜插入损耗较大，输出功率始终较低，不足1 w 。2 0 0 3 年7 月天津大学居桂方等人采用x 型腔，利用y b ：y a g 实现了平均功率2 0 0 m w ，脉 宽4 p s 的锁模p g l ；2 0 0 4 年1 月，何京良在n d ：g d 0 5 y o5 v 0 4 中获得了4 p s 的锁模 脉冲，在注入泵浦功率t 3 6 w 时，平均输出功率3 钾声9 l ；2 0 0 4 年3 月，天津大 学薛迎红等采用z 型腔，利用低调制深度的s e s a m ，在y b ：y a b 晶体中实现锁 模运转，脉宽1 9 8 p s ，脉冲重复频率3 7 4 m h z ，平均功率4 5 r o w ，中心波长 t 0 4 4 n m i 州：2 0 0 4 年6 月，中科院物理所贾玉磊利用s e s a m o c 在n d ：y v 0 4 中 获徭乎均功率1 7 w 锁模脉冲，脉宽23 p s l 4 ”。今年1 1 胃，我们利用n d ：y v 0 4 晶体，采用五镜折叠腔，在注入功率1 7 w 时，获得了平均功零5 3 w 的锁模脉 冲，光一光转换效率达3 1 ，2 ，斜效率3 4 7 。 8 天津大学硕士学位论文 1 2 课题研究意义及目的 本课题基于自选项目“s e s a m 被动锁模皮秒激光器”，目的在于利用可饱和 吸收镜s e s a m 作为锁模元件，研制出台高重复频率，较高半均功率的连续锁 模全固态皮秒激光器，用于r g b 全色显示。 1 3 本论文的主要内容 本论文从理论和实验t 研究了s e s a m 被动锁模皮秒激光器。主要结构和内 容为： 第一章简要介绍了s e s a m 锁模激光器的应用，国内外的发展状况，以及本 研究课题的意义： 第二：章概述半导体可饱和吸收体的诞生，宏观特性，简要介绍了不| 吾j 种