（光学工程专业论文）ld直接泵浦yb：yag超短脉冲激光技术的研究.pdf

摘要 超短脉冲激光技术一直以来是激光技术研究领域的一个热点，尤其随着超短脉冲 激光器在物理学、化学、医学、生物学及激光加工等等诸多领域的广泛应用，更 加推动了这一技术的不断发展。人们也对超短脉冲激光器提出了更高的要求，使 得降低能耗，提高效率，减小污染，缩小体积成了这种激光器研究的着眼点。最 近几年，波长在9 0 0 1 0 0 0 m 范围的半导体激光器的商业化，以及适合这个波 段半导体激光器直接泵浦的掺y b 3 + 晶体生长技术的不断发展，使得半导体直接 泵浦的全固化超短脉冲激光器成为一个重要的发展方向。这种超短脉冲激光器具 有传统的超短脉冲激光器不可比拟的优点：减少了能量转换环节，提高了能量的 利用率，并且结构紧凑，大大降低了造价。另外，超短脉冲激光领域的另一重要 技术半导体饱和吸收镜( s e s a m ) 生长技术的逐步成熟，为半导体直接泵 浦的被动锁模激光器带来了生机。本论文对半导体直接泵浦的y b ：y a g 克尔透镜 锁模激光器和半导体直接泵浦的y b ：y a gs e s a m 被动锁模激光器进行了理论分 析和实验的研究。论文主要内容包括： 1 详细介绍了飞秒激光在生物、化学、物理、医学、加工等领域的广泛应用。 介绍了飞秒脉冲激光器发展经历的几个阶段：碰撞脉冲锁模染料激光器，固体介 质( 钛宝石，c r ：l i s a f 等) 飞秒激光器，半导体直接泵浦激光介质的飞秒脉冲 激光器。列举了最近几年用于超短脉冲激光器的几种掺y b ”晶体，这类掺y b 3 + 晶体的吸收波长可以同半导体激光器的发射波长很好匹配，具有宽的荧光线宽。 使其在半导体直接泵浦的超短脉冲激光器研究领域具有很大潜力，为窄脉宽，小 型化超短脉冲激光器的发展提供了可能。简要介绍了s e s a m 被动锁模的历史； 半导体直接泵浦的超短脉冲激光器将在全固化的超短脉冲激光加工系统中扮演 一个非常重要的角色。 2 介绍了实验所需理论。建立了基于y b ：y a g 晶体的准三能级速率方程，并 对y b ：y a g 激光器的闽值和输入一输出特性进行了分析：介绍了自聚焦机理，分 析克尔透镜锁模的原因，分别从稳态自聚焦理论和动态自聚焦理论出发推导出自 聚焦的公式：分析了半导体饱和吸收体的基本结构和时间特性：系统的阐述了半 导体可饱和吸收镜的主要特征参数。介绍了激光器参数同半导体饱和吸收镜宏观 北京工业大学工学博士学位论文 特性之间的关系。从结构上的变化分别对高、低精细度类型，宽带低损耗类型等 半导体可饱和吸收镜的相关结构进行了分析和比较。 3 为了满足实现克尔透镜锁模对泵浦光的严格要求，对激光二级管的输出光 进行严格整型，在考虑球差的情况下，设计并搭建整型系统，最后聚焦到晶体内 部的光斑大小为3 4 u m 2 0 u m ，满足了克尔透镜锁模所需要的高功率密度( 4 4 1 1 0 5 w c m 2 ) 和软光阑条件；首次在半导体直接泵浦的克尔透镜锁模激光器中， 对五镜谐振腔进行详细的理论分析计算。将五镜腔稳区分为左稳区，中稳区和右 稳区，计算出谐振腔工作在这三个稳区时的光斑走势情况，对类似激光器的调节 具有普遍指导意义；计算谐振腔在输出镜处的非线性调制损耗强度，分析调节谐 振腔的过程中，各个腔参数对锁模的影响，确定最佳锁模腔参数，在五镜腔左稳 区和中稳区边缘找到最佳锁模范围：计算比较四镜腔、五镜腔的微分增益和月0 s 值，从理论上找出五镜谐振腔稳定锁模的根源；为了补偿腔内色散，压缩脉冲宽 度，详细计算y b ：y a g 晶体的二阶和三阶增益色散，晶体和棱镜对引入的二阶和 三阶材料正色散。计算得出最佳棱镜对间距，引入的负色散量可以有效补偿腔内 二阶色散；根据前面的理论分析，在国际上，首次利用五镜谐振腔，并且腔内没 有插入硬光阑的情况下实现y b ：y a g 激光器的克尔透镜锁模。在国内，这是目前 实现y b ：y a g 激光器克尔透镜锁模的唯一报导。锁模平均输出功率为2 0 m w ，锁 模光的谱线宽大于9 m ，脉宽为2 3 5 f s ，脉冲重复频率为9 4 m h z 。 4 采用不同泵浦源和不同的谐振腔型，用半导体可饱和吸收体对l d 直接泵 浦的y b ：y a g 激光器进行被动锁模研究。分别采用直腔，v 型谐振腔和x 型谐 振腔，并且对这三种腔型进行理论计算，得到谐振腔内各处的光斑图。用激光二 极管，半导体阵列和光纤祸合输出激光器分别作为泵浦源，得到锁模脉冲的谱线 宽度依次为：2 8 n m ，2 n m 和1 1 n m ，三种光谱能够得到最窄脉宽为：4 0 3 f s ，5 7 0 f s 、 i 。0 5 p s 。首次提出：s e s a m 被动锁模激光器中，可以得到的最窄脉冲宽度除了 同s e s a m 自身的特性有关之外，还要受到晶体内部光功率密度的影响。 此外，实验验证，掺y b 3 + 晶体相比于掺n d 4 + 晶体更容易得到窄脉宽的被动 锁模，这种掺y b ”晶体的被动锁模激光器将会成为被动锁模激光器发展的主流。 最后，充分利用y b ：y a g 晶体上能级寿命长的特点，采用短腔结构，用输出 镜式s e s a m 实现了脉冲宽度为2 0 0 n s 的调0 ，输出功率为9 0 m w 。 i 】 关键词克尔透镜锁模；半导体饱和吸收镜：y b ：y a g ；五镜谐振腔；脉宽压缩 被动锁模；自相位调制效应 i l l 北京工业大学工学博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e my e a r s ， t l l ed e v e l o p m e mo ft h es e m i c o n d u c t o r1 a s e rb r i n gan e wf u t u r e f b rt 1 1 ed i o d e p u m p e da u s o i i ds t a t eu n r a s h o r tp u l s el a s e r s ， e s p e s i c i a l l y t h e y b 抖一d o p e dc r y s t a im a d et h eu l t r a s h o r tp u l s el a s e r s p u l s e 、v i d t hm u c hs h o r t e rm a i l b e f o r e y b ：6 l gc r y s t a li so n eo f 血em o s tp r o m i s i n gl a s e rm a t e r i a j se m i m n g 啪v e l e n g la t1 0 3 0n mo r l 0 5 0 m i ti se a s i i yt ob ep u m p e db yr e l i a b l ei n g a a sl a s e r d i o d e sa t9 4 0m n ，d u et oi t sp e a ka b s o r p t i o nw a v e l e n g ma ta r o u l l d9 4 0 伽c o m p a r e d 谢t ht h ec o 咖o n l yu s e dn d ：y a gc r y s t a l ，y b ：y a gc r y s t a lh a sam u c hl a r g e r a b s o r p t i o nb a l l d 、i d t ht or e d u c e 血e m l a lm a l l a g e m e n tr e q u i r e m e m sf o rd i o d el a s e r s ，a l o n g e ru p p e r - s t a t e1 i f e t i m e ，3 - 4t i m e sl o w e rt h e n a l1 0 a d i n gp e ru n “p 岫pp o w e l y b ：y a gc r y s t a li se x p e c t e dt or e p l a c en d ：y a gc r y s t a lf o rh i g hp o w e rd i o d e p u m p e d l a s e r s a 1 1 do t l l e r p o t e n t i a l印p l i c 砒i o n s t h e r e f o r e ，m e s e m i c o n d u c t o rs a t i l r a b l e a b s o r b e rm i r r o r s ( s e s a m ) st e c h n 0 1 0 9 yi m p r o v e m e n tm a d em ed i o d e - p u m p e d a 1 1 s o l i ds t a t ep a s s i v em o d e l o c k e dl a s e r sb e c o m em u c hm o r ee a s i l ym o d u l a t e t h e d i o d ed i r e c u yp u m p e dy b ：y a gu n t a s h o f tp u l s el a s e r sh a v eh i g he 丘j c i e n c y js m a l l v o i u m ea n dl o wp r i c e s ，w h i c hw i l lh a v eal a 唱em a r k e ti n 也ew h o l ew o r l d m a i l y r e s e a r c h e sh a v e b e e nl a u n c h e dmm i sf i e l d ，b u ti no u rc o u n t r ys t i l lh a v em a n y d e f e c t i o n s i nt h i sp 叩e r ，w ed os o m et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e m a lr e s e a r c h e so nt h e d i o d e p u i l l p e d y b ：y a gk e r r l e n s m o d e - l o c k i n g 1 a s e ra n dy b ：y a gp a s s i v e m o d e 1 0 c k e di a s e rw i l l ls e s a m 1 t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ef e m t o s e c o n d1 a s e rw a si n t r o d u c e df i r s t ly i n 19 7 0 s ，p e o p l eg o tt h ef b m t o s e c o n dl a s e rp u l s e 丘o mm ed y e l a s e rf o rm ef i r s tt i m c i n 19 9 0 s t i ：s a p p h i r e a n do t h e rs o l i d m e d i u i l l ( c r ：l i s a fe t c ) b e u 5 e da st h e f e m t o s e c o n dl a s e rc r y s t a l a tt h ee n do fm el a s tc e n t u r ym ed i o d e1 a s e rb eu s e da s f 色m t o s e c o n d1 a s e r sp 眦ps o u r c e ，a n dm ey b j + c r y s t a lh a v et h ew i d ef l u o r e s c e n c e ， w h i c hc a ns u p p o r tt h el a s e rp u l s e w i t ha tf e m t o s e c o n dl e v e l t h ed i o d ed i r e c t l y p u m p e dy b d o p e dc r y s t a lf e m t o s e c o n dl a s e rw i l lh a v e 、i d e 印p l i c a t i o n si nt h ef u c u r e 2 t h et h e o r yn e e d e di i lm ee x p e r i m e n tw a si n t r o d u c e di nm es e c o n dp a n f r o m t l em e o r yo fr a t ee q u a t i o n s ，t h ed ”a m i cb e h a v i o r so fd i o d e p u m p e dq u a s i - m r e e 一1 e v e l y b ：y a gl a s e rw e r ei n v e s t i g a t c d ，w h i c hw o u l db e l et h e o r e t i c a lg r o u n d w o r kf o r a b s 廿a c t a 1 1 s o l i d s t a t ef b m t o s e c o n dy b ：y a gl a s e r s am i n u t ed e s c r i p t i o no nt h eb a s i ct h e o r y ， c o n s t m c t i o na r l di m p r o v e m e n to 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 e s a m ) g i v e n 。t a k i n gt h ed u a l t h ec o n s t a m so fs e m i c o n d u c t o rs a l u r a b l ea b s o r b e ra s 也e t i m e g a t i i l 舀t h es t e a d ym o d e l o c k i n gw a sa c m e v e db yt 1 1 ee f 托c t i v es a t l l r a b l ea b s o r b f o rt h ei n c i d e ml a s e rp u l s e s ho r d e rt og e n e r a t em es h o r t e ri a s e rp u i s e ，p e o p l e i m p r o v e dt h ec o n s “1 j c t j o na i l d t h er e l a t i v ee t c h i n gt e c h n 0 1 0 9 y f m ma i l t i r e s o n a n t f e b r y p e f o ts a t u r a b ka b s o r b e rt o1 0 wl o s sb r o a d b a n ds e s a m ，al o to fs e s a mw e r e i n v e n t e di ns u c c e s s i o n a sal a s e ro p t i c a le l e m e n ti n s i d et h ec a v i 哦s e s a mh a si o 、v e r i n s e r tl o s sa n ds h o w1 1 主曲r e n e c t i v i t y 、m t h i nb r o a ds p e c t r u m 3 t h ef o l l o w i n gi st h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r sw h e n k c 肿l e n sm o d e 一1 0 c k i n g t om a d et h ep u m pb e 锄s o u r c es a t i s f i e dt h ek e r r i e n s m o d e l o c k i n gp a r a m e t e r s ，a z le 艉c t i v ec o u p l i n gs y s t e mh a sb e e nd e t a i l e da n a l y s i 3 i z e d u n d e rc o n s i d e r i n gt h ee c to f t h es p h e r i c 吨b e r r a n t i o n i nt h ee x p e r i m e n t ，w eu s e dt h e f l v em i r r o rc a v i t ya s 恤es e l f - m o d e l o c k i n gc a v i t hd e t a i l e dc a l c u l a t i o n s 、v a sm a d ef o r t h ep a r 锄e t e r so ft h ec a v i t y l ks t a b i l i t yr e g i o no ft h e 最v em i r r o rc a v i t yc a nb e d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：t h ei e 最p a r t ，廿l em i d d l ea n dt h er i g l l ts i d ep a r t a n dw eg o t t h es p o t - s i z ec u r v ei nd i f f b r e n ts t a b i l i t yr e g i o no ft h cc a v i t y a tl a s t ，f i n dt h a tt 上l e k e i t l e n sm o d e l o c h n gh a p p e n e da tt h cm i d d l eo ft h el e f a 1 1 dt h er i g h ts t a b i l i t y r e g i o n t h ed i 旋r e n t i a lg a i nm e o r yw a su s e dt oe x p l a i nw h yt h ef i v e m i r r o rm a d em e m o d e 一1 0 c k i n gt r a i n sm u c hm o r es t a b l et h a nt h ef o u rm i r r o rc a i v t y t b 矗n dt l l eb e s t r e s o n a t o rp a r 锄e t e r sw ec “c u l a t et h ek e r r _ s t r e n g t l la tt h eo u t p u tm i m 3 lg o t 出er i 曲t c a v i t yp a r 枷e t e r sf o rk e r r l e n sm o d e l o c k i n g f u r n l e 咖o r e ，t h em a t e r i a ld i s p e r s i o no f t h el a s e rc r y s t a la 1 1 dt 1 1 e p r i s m sw a sc o n s i d e r e du n d e rk e 一l e n sm o d e l o c k i n g c o n d i t i o n ，s ow ec a i c u l a t et h em a t e r i a ld i s p e r s i o ni nt h ec a v i t ya n dm o d u l a t em e d i s t a n c eb e t w e e nt h et w op r i s m s f i m l l yt h r o u 曲c a r e f u l l yc a v i t ya i i g n r n e n tb a s e do n t h ep a r 锄e t e s ，t h es t a b l ek e 耵- l e l l sm o d e 一1 0 c 1 ( i n gt r a i n sb ei n s p e c t ，t 1 1 es p e c t m m b a n d w i 也i sl a g e r t h a i l9 m ( f w h m ) ，p u l s e w i i hi s2 3 5 f s ，o u c p u tp o w e ri s2 0 m w 4 1 1 1m ey b ：y a gp a s s i v em o d e l o c k e dl a s e r ，w eu s ed i 腩r e n tp u m ps o u r c e ： 硒e r - o u t p u tl a s e ld i o d e - b a ra n ds i n g l e s 埘p ed i o d el a s e r 血d i 彘r e n tc a v 时s h a p e ： l i n e a rc a v 咄v - s h 印ec a v 时a n d 肌em i r r o rc a v 畸t h o u 出a n a l y s i s i n gt h ec a v i t y v 北京工业大学工学博士学位论文 c h a r a c t e r so ft h ed i 虢r e n tk i n d sc a v 咄n n dt h a t 也el i n e 廿c a v 时c a na v o i d 血e a s t i g m a t i s m ，a n dt h e 、，- s h a p ec a v i t yi sm o r eu s e 缸lm t h eh i g hp o w e r o u t p u tl a s e lw e g o tt h es p e c m l i i lb a n d - 、) l ，i t ho f t h ep a s s i v cm o d e i o c k e dt r a i n s ：1 1 蛳，2 哪a n d 2 8 m n ，f o u n dt l l a tt 1 1 ep u i s e w i d t ho f t l l ep a s s i v em o d e l o c k e dl a s e rm a i n l yr e l i e so n ： t l l ep o w e ri n t e n s 时o f t h ep u r n pl i g h t ，t h cc h a m c t e r so f t h es e s a ma n dm ee m i s s i o n s p e c o f t 1 1 ei a s e rc i y s t a l t h es i n g l es 衄p ei a s e r h a s 也eh j 曲e s ti n t e n s i t y 协t h e c r y s t a l ，s ow eg o t 也ew i d e s ts p e c t r u i l lb a t l d w i d t h a n dt h ey b 抖d o p e dc r y s t a l sh a v e m o r ca d v a n t a g e st h a l lt h en d ”一d o p e dc i y s t a l sj n 也ep a s s i v em o d e l o c k e dl a s e r s b e c a u s eo f i t sw i d es p e c t r mn u o r c s c e n c e a n o t h e re x p e r i m e n ti sm eq s 、v i t c hl a s e r u s i n gt h eo u t p u ts e s a m ，a 1 1 dw eg o tq s w i t c ht r a i n st h ep 1 1 l s e w i t h2 0 0 n s 。 t h e o u 印u tp o w e ri s9 0 m w k e yw o r d sk e r r - l e n sm o d e l o c k i n g s e m i c o n d u c t o rs a t u r 曲l ea b s o r b e rm i 玎o r s ； y b ：y a g ；f i v e m i r r o rc a v i t y ：p u l s e w i d 也c o m p r e s s i o n ； p a s s i v em o d e l o c k e d ；s e l f p h a s e m o d u l a t i o n ( s p m ) ； v i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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。 签名；亟! 鱼尘备 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：三雌导师签名：丝日期： 第1 章绪论 随着科学技术不断发展，人们对微观世界认识的进一步深入，需要的探索工 具也更为精细。1 9 6 0 年以来脉冲激光器的发明和进展，为人们提供了种有效的 探索手段，使研究人员能够详细了解在纳秒和皮秒时间尺度上发生的许多光引发 过程。人们用脉宽越窄的光作为认识工具，更能够获得大的信息量。所以光脉冲 的时间尺度已经从纳秒，过渡到现在的皮秒和飞秒。在过去十多年里，飞秒( 1 0 “s ，简称fs ) 激光脉冲的获得为人们提供了认识微观世界动力学过程的新工具， 从而飞秒激光技术的发展开拓了新的研究前沿，在光与物质相互作用的研究领域 揭示了许多尚未被认识的新规律。 飞秒激光的特点是超快和超高强度。它具有极窄的脉冲宽度，现在脉冲宽度 已从飞秒( 1 0 “s ) 向阿秒( 1 0 “s ) 发展。光脉冲峰值功率也从太瓦( i r w = 1 0 1 2 w ) 达到了拍瓦( i p w = 1 0 15 w ) 。聚焦光强也超过1 0 2 1 w ，c m 2 。 1 1 飞秒激光的应用 飞秒激光具有广阔的应用领域。其最直接应用是人们利用它作为光源，形成 多种时间分辨光谱技术和泵浦探测技术飞秒激光技术的发展直接带动物理、化 学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域，并开创了一些全新的 研究领域，如飞秒化学、量子控制化学，半导体相干光谱、高超高强度科学与技 术等。 飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合。使人们可咀研究半导体纳米结构( 量子 线，量子点和纳米晶体) 中的载流子动力学。在生物学方面，人们正在利用e 秒 激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦、探测技术，研究光合作用反应中心的传 能、转能与电荷分离过程。在医学领域，飞秒激光甚至可用于基因疗法，德国弗 里德里克希勒大学的科学家用它对老鼠的细胞进行试验。飞秒激光能用于切割 易砷的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。美加州圣地亚哥通用原子公司 的佩罩说：“使用超短脉冲激光切割金刚石，就像用刀切黄油一样。”生物医学 专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不 专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不 北京工业大学工学博士学位论文 会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术。 飞秒激光使得人们向微观世界的认识进军，八十年代末美国加州理工学院化 学物理教授、化学家泽维尔( a h m e dh z e w a il ) 教授用可能是世界上速度最快 的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学 键断裂和新形成的过程。这种照相机用激光以几十万亿分之一秒的速度闪光，可 以拍摄到反应中一次原子振荡的图像。他创立的这种物理化学被称为飞秒化学， 即用高速照相机拍摄化学反应过程中的分子，记录其在反应状态下的图像，以研 究化学反应。泽维尔的实验使用了飞秒光学技术，可以让人们通过“慢动作”观 察处于化学反应过程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反 应过程的认识，因而给化学以及相关科学领域带来了一场革命。 飞秒激光给物理学领域也带来了巨大的变革，物质在高强度飞秒激光的作用 下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这 种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能 够产生硬x 射线飞秒激光，产生b 射线激光，产生正负电子对。现在人们利用飞 秒激光引发核聚变。 在激光加工领域，飞秒激光做为一种有效的微型加工工具，大大提高了加工 的精度，使得激光加工业进入了一个新时代一一激光冷加工时代。飞秒激光是一 种非常有效的材料精密加工工具。飞秒激光加工不同于传统的长脉冲激光和连续 激光加工，它是一个非线性的多光予吸收过程。飞秒激光照射到被加工材料上， 材料被迅速电离，形成大量的自由电子，这个过程持续很短，在极短的时间内， 能量急速注入材料表面。被电离的自由电子处在强的激光场中被加速，并且与周 围的原子和离子发生强烈的碰撞，产生更多的电子，此时，材料出现突然崩塌现 象，达到离子雪崩状态，以气化的方式喷出材料表面，达到加工的目的。所以， 飞秒激光同传统的激光加工相比，无热影响区，实现了真正意义上的冷加工。无 再铸层，无微气孔和微裂纹，大大提高了加工质量。并且加工过程中克服了等离 子屏蔽效应，增加了能量吸收。飞秒激光作为一种新型的加工手段，为激光加工 业开辟了一个新的领域。 在目前飞秒激光已经被用来加工半导体，导电体，和绝缘体 1 3 】，金属材料 的加工 4 _ 6 j ，在透明材料的吸收禁带内进行加工。利用飞秒激光实现对透明材料 2 的微细加工主要有：三维二进制的数据存储器【7 一，单模式和多模式波导m 1 ”， 波导分离器【1 2 】，波导放大器【13 1 ，以及玻璃光栅也已经加工成功： 随着飞秒激光的广泛应用，人们对飞秒激光技术的研究也在不断发展并 且取得了一个又一个突破。 1 2 飞秒激光器的发展 飞秒激光发生器的发展主要经历了三个阶段：碰撞锁模染料飞秒激光器，钛 宝石飞秒激光器和半导体直接泵浦的全固化飞秒激光器 1 2 1 碰撞锁模染料激光器 最初得到飞秒脉冲的方法，用碰撞锁模( c p m ) 染料激光器【l q 得到皮秒脉冲， 导入光纤，利用高峰值功率的光在光纤内部产生的自相位调制效应，使其光谱展 宽，然后利用光栅压缩脉冲宽度的原理，得到飞秒激光脉冲。碰撞锁模染料激光 器和脉宽压缩系统统称为飞秒激光器。整个八十年代，研究主要集中在光脉冲的 窄化工作中，脉冲宽度从原来的皮秒量级过渡到了飞秒量级。 1 9 8 3 年，b n i k o l a u sa n dd g r i s c h k o w s k y 等人将染料激光器输出的脉宽为 5 9 p s 的光脉冲，两次导入单模光纤一光栅对压缩系统，最后得到脉冲宽度为9 0 f s 的光脉冲1 1 6 】。装置如图1 1 所示： 图1 1 两次光脉冲压缩光路 f i g 1 一l s c h e m a t i cd i a g r a mo f t l l et w o s t a g eo p t i c a lp u l s ec o m p r e s s o r 北京工业犬学工学博士学位论文 随后，在1 9 8 4 年，j g f j i m o t 0 ，a m w j i n e r 等人，将5 5 f 的脉冲宽度压缩到1 5 1 7 f s 【17 1 。 同年，j m h a i b o u t 等将1 l o f b 的光脉冲，压缩到1 2 f s 【18 1 。如图1 2 所示： 图l - 21 1 0 f s 光脉冲导入1 5 m m 单模光纤，展宽光谱后经过脉宽压缩系统得到1 2 f s 的激光脉冲 f i g 1 - 2i n p u tp u l s et om eo p t i c a ln b e rp u l s ec o m p r e s s o lo u t p u tp u i s ef r o m1 5 m m s i n g l e - m o d en b e a 1 1 dt h ec o m p r e s s e dp u l s ei s1 2 f s 1 9 8 5 年，w h k n o x 等人，将4 0 f s 的脉冲压缩到8 f s ，首次将脉冲宽度压缩到了 十个飞秒以下l ”l 。这个记录保持了两年，在1 9 8 7 年，r ，l f o r k ，g h b r i t o 等人采用 碰撞锁模染料激光器、铜蒸气激光泵浦多重光路染料放大器，包含三维相位补偿 在内的脉冲压缩组合技术，将6 0 0 n r n 光做三次循环，产生了6 f s 的极短光脉冲 2 0 1 。 刨下了当时历史上最窄脉冲宽度的记录。 碰撞锁模染料激光器的最大优点在于，不同的染料可以输出不同波长的光脉 冲，其波长覆盖了紫外到近红外波段。最有效波长在6 2 0 i l i n 附近。但是其锁模原 理仍然属于被动锁模的范畴，用染料做为激光介质，在锁模的方法和机理上并没 有根本意义上的突破，它只是有机染料的快速吸收，和增益饱和来产生数十飞秒 的激光脉冲。而且这种染料激光器中，染料需要喷射成薄膜状，需要循环，还有 毒性，很难普及，给这种激光器的应用带来了极大的不便。 1 2 2 钛宝石飞秒激光器兴起和发展 8 0 年代末期，发展了一系列的宽带固体激光工作物质，其中最为著名的是具 有宽增益线宽的钛宝石激光晶体的出现。1 9 8 2 年，m i t 的f m o u l t o n 用钛宝石作为 激光介质，成功研制出波长可调谐钛宝石激光器，它具有更广调谐范围( 7 0 0 眦 1 l o o n m ) ，与相同波段的近红外染料激光器相比，大约宽三倍。作为激光介质， 钛宝石同有机染料相比，增益饱和不容易发生，并且具有优良的机械性能和导热 第l 苹绪论 性能。泵浦光源可以采用a r 离子激光器，铜蒸汽激光器，和n d ：y a g j 倍频 绿光激光器。因此，如何利用这种高增益的固体激光介质，找到更好的锁模方法， 做出高功率的飞秒激光器，成为当时新型超短脉冲激光技术研究的一个方向。 1 9 9 1 年，圣安德鲁斯大学的d e s p e n c e 等人首次用钛宝石作为激光介质，并 且使用一种全新的锁模机理克尔透镜锁模效应，得到了6 0 f 锁模脉冲( 2 1 】。这 种得到飞秒激光脉冲的方法，开辟了锁模脉冲激光历史上的新纪元，为人们研究 飞秒脉冲激光提供了一个全新的方向。继掺钛蓝宝石之后，在c r ：l i s a f 、n d ：玻 璃、n d ：y a g 、n d ：y l f 、c r 镁橄榄石和n a c l ：o h 色心等一系列不同材料中演示了 克尔透镜锁模。这种用固体激光介质作为增益介质的飞秒激光器被称为第二代飞 秒激光器。第二代飞秒激光器根据其泵浦源的不同又经历了两个阶段的发展。 ( 1 ) 非固态泵浦源泵浦 在1 9 9 1 年以后的几年里，人们对克尔透镜锁模这一新的飞秒激光技术产生了 浓厚的兴趣，国际上展开了钛宝石飞秒激光器研究热，输出脉宽由几百飞秒到十 几飞秒。平均功率几百毫瓦、单脉冲能量在毫焦量级、重复频率有几千赫兹的 t i ：s a p p h i r e 激光器相继研制出来。这些激光器有的主要考虑增宽可调谐范围，有 的泵浦阈值较低，有的转换效率很高，更多的是设法压缩脉冲宽度。比较典型的 研究有华盛顿州立大学在1 9 9 2 年研制出1 7 f s 脉冲的s m l 钛宝石激光器。同年， 光谱物理激光公司的j d k a f a 和m l w a t t s 报道了通过5 0 f s 再生锁模钛宝石激光 的脉冲压缩，也产生1 7 f j 脉冲【2 3 】，压缩后的平均功率在8 2 m h z 处为7 0 m w ；1 9 9 3 年，美国b p r o c t o r 等人利用减小三阶色散的方法获得了1 3 f 激光脉冲 2 引，这一 年，美国的m t a s k i 等人，实现了钛宝石激光器自锁模运转，获得1 1 f j 激光脉冲， 平均输出功率为5 0 0 m w 【2 5 l ：1 9 9 4 年，荷兰的m s p s h e n i c l l l l i k o v 等人研制了脉冲 宽度为1 3 f 的钛宝石克尔透镜锁模激光器【2 6 l 。同样，奥地利的a s t i n g l 等人也得 到了1 l f s 的激光脉冲【2 7 1 。 在国内，天津大学超快激光实验室在1 9 9 3 年实现了钛宝石克尔透镜锁模激光 器运转，脉冲宽度为1 8 4 s 2 s l 。在1 9 9 6 年，又通过脉冲啁啾放大技术，获得脉宽 为7 5 f j 的放大光脉冲【2 9 1 。1 9 9 4 年，上海光机所自行设计了钛宝石克尔透镜锁模激 光器，得到了脉冲宽度为9 2 f s ，平均输出功率为2 0 0 m w 的光脉冲口，接下来优化 腔结构和腔参数，获得了5 0 f s 光脉冲宽度【3 “。1 9 9 4 年，中山大学自行研制的克尔 北京工业大学工学博士学位论文 透镜锁模钛宝石激光器也获得5 0 f 激光脉冲 3 2 j 。 钛宝石飞秒激光器的理论脉冲宽度为3 f s ，但是由于激光工作频谱引起的群 速度色散( g v d ) 的限制，尤其是三阶群速度色散很难补偿，因此获得亚十飞 秒的光脉冲成为一个很大的挑战。在接下来的几年里，钛宝石飞秒激光器的研究 集中在脉冲宽度的窄化，和激光器的全固化两个方面发展。世界各国科研人员通 过改良各种技术条件和采用新型腔体结构，企图产生亚1 0 f s 的超短激光脉冲， 向着测不准定理所规定的理论极限( 3 f s ) 挺进，在脉冲能量、平均功率和峰值功 率、可调谐带宽及重复率方面取得了显著进展。 1 9 9 6 年，德国ma ) pl a l l c k 量子电子学研究所的a k a s p e r 等人，利用单向克尔 透镜锁模的掺钛蓝宝石环形激光器获得了1 0 f s 的激光脉冲【3 3 】。 维也纳工业大学的克劳斯研究小组和匈牙利固体物理研究所于1 9 9 5 年直接 在钛宝石激光器中作出了8 一f s 脉冲( 3 4 】。1 9 9 6 年，维也纳技术大学量子电子学和 激光技术部利用啁啾电介质反射镜进行色散控制，可以产生7 ，5f s 的激光脉冲 【3 5 】。1 9 9 7 年，后来居上的瑞士联邦工业大学凯勒( u k e l l e r ) 等采用色散镜与棱 镜对相结合的方法得到6 5 f s 脉冲【3 “。在国内，在天津大学以王清月教授为首的 研究人员获得了最窄脉冲宽度为4 8 f s 的光脉冲。一直到2 0 0 3 年，k e i s a k u n a n e ，张志刚等人在日本利用啁啾镜脉冲压缩技术获得了最窄脉冲宽度为 3 4 一f b 的光脉冲，其谱线宽度为( 4 9 5 1 0 9 01 1 r 1 1 ) ，中心波长为6 5 5 4i l i i l 3 8 。这是 迄今为止，得到的谱线宽度跨越可见和红外光域的最窄脉冲宽度。 在钛宝石飞秒激光器的研究热潮中，除了追求窄的脉冲宽度，研究人员对激 光器的泵浦方式提出了更高的要求。在1 9 9 4 年之前，大多数的泵浦源采用大尺寸 的氩离子激光器，这类激光器体形笨重，耗电量很大，复杂的冷却系统和大的噪 声影响限制了钛宝石飞秒激光器的可靠性和实用性。发展高效、机构紧凑、操作 简单的全固化钛宝石飞秒激光器成为一个发展趋势。 ( 2 ) 全固化的钛宝石飞秒激光器 1 9 9 4 年1 1 月，k la m b 采用半导体激光器泵浦n d ：y l f 产生5 2 3 5 n m 连 续倍频光作泵浦源【3 9 1 得到了1 1 0 f 的激光脉冲，首次实现了t i ：a 1 2 0 3 飞秒激光器 的全固化运转。s p e c t r a p h y s i c s 于1 9 9 6 年推出半导体激光器泵浦的倍频n d ： y v 0 4 激光器，用它泵浦的ti ：a 1 2 0 3 飞秒激光器，产生了5 0f s 光脉冲。继而lx u 弟l 苹绪论 又将全固化自锁模t i ：a 1 2 03 激光器脉冲宽度压缩至8 f s ，已接近a r + 离子激光器 泵浦的6 5 f j 的脉宽。脉冲功率为4 0 0 m w ，在1 2 0 0 k h z 范围内噪声明显低于ar + 泵浦情况。 在国内实现钛宝石飞秒激光器的全固化运转，是1 9 9 8 年中科院物理所的魏志 义等人用自己研制的连续波全固