（光学工程专业论文）高功率、宽调谐飞秒激光器的设计与实验研究.pdf

摘要 高功率、宽调谐飞秒激光器的设计与实验研究 专业：光学工程 作者：黄志凌 导师：赖天树教授 摘要 基于本实验室发展的厚透镜模型理论，设计和建立了台钛宝石飞秒激光 器，实现了高功率和宽调谐输出。理论上研究了影响飞秒激光波长调谐范围和输 出功率的因素，并从实验上进行了验证。具体研究内容和成果如下： ( 1 钛宝石棒内腔横模调制度曦是影响软光阚锁模的关键因素。基于厚透镜 模型，计算了稳定区各边界处的横模调制度；在上区下边界处，钛宝石棒内腔 横模调制度o c c 值最大。因此，设置激光器工作在此边界附近，容易实现锁模。为 了获得亚十飞秒的高功率输出，选用了3 咖的钛宝石棒。实现高功率锁模，需 要在提高泵浦功率、增加输出耦合率、增加腔模尺寸、提高腔横模调制度o c c 等因 素之间取得平衡。高的0 【c 可以减弱由自相位调制( s p m ) 与群速度色散( g d d ) 相互 作用造成的周期性干扰对锁模的破坏作用，防止脉冲能量转化为连续成分。计算 结果表明与钛宝石棒长度成正比，这意味着采用长的钛宝石棒有利于获得更高 的输出功率。实验上采用5 m m 的钛宝石棒比用3 姗的钛宝石棒获得更高的输 出功率，与理论计算结果一致。 ( 2 研究了腔结构不对称参数丫和钛宝石棒长度对o c c 的影响。计算结果表明， 当y 从1 8 变化到1 5 时，长度为3 衄、5 m m 和1o i l m 钛宝石棒中腔横模调制 度0 c c 分别提高了4 5 、7 和2 7 。这些结果表明，只有较长的钛宝石棒，丫对 0 【c 才有较大的影响。因此，当采用较长的钛宝石棒作为增益介质时，谐振腔的结 构就应该取较低的丫值来提高，以便获得最佳的输出功率和锁模稳定性。 ( 3 ) 研究了耦合输出率对飞秒激光调谐范围的影响。采用啁啾镜较好地补偿 腔内的三阶色散和提供宽的反射带宽，比较了输出耦合率为1 0 、4 以及1 的 激光器输出波长调谐范围。其中，l o 宽带输出镜( 7 2 0 1 1 4 0 n m ) 的调谐带宽为 7 3 5 8 8 0 啪：4 普通输出镜( 7 4 0 n m 8 8 0 i 】i i l l ) 的调谐带宽为7 3 0 8 8 0 n m 。把原来 激光腔中的输出耦合镜更换为啁啾全反镜，并在激光腔内插入l n l i i l 厚的薄玻璃 片，作为1 的输出耦合镜，提高了腔内功率，使激光器在低增益波段的运转阈 值降低，获得了从6 9 5 9 7 0 n m 的宽调谐飞秒激光脉冲输出。实验结果表明，较 好色散补偿和高的腔内功率有利于实现宽带调谐。 关键词：钛宝石飞秒激光器，飞秒脉冲，高功率，波长调谐， 色散 l i a b s t r a c t d e s i g na n de x p e r i m e n t a i s t u d i e so nh i g hp o w e b b r o a d b a n d1 【i l n a b l ef e i i l t o s e c o n dl a s e r m 萄o r ：o p t i c a le n g i n e r r i n g a u 1 0 r ： h u a n gz h m n g s u p e f v i s o r ： p m f l a it i a n s h u a bs t r a c t b 勰e d0 nt l l e 也i c k - l e i l sm o d e ld e v e l o p c db yo u rg r o u p ，at i ：s 印p 蚰ef 锄1 t o s e c o n d l 嬲e ri sd e s i 弘e d 狮db u i l t h i 曲p o w e ro u t p u t 托db r o a d b 锄dt i l i l a b i l i t ) ra r cr e a l i z c d e x p 商m e n 脚l yo nn l i s1 器t h ef a i 加惦t 0i n n u 印c et 1 1 e 伽【印u tp o w e ra n dt u i l a b i l i t ) ， a 北s n l d i e dt l l e o r e t i c a l l y 锄dv 舐f i e de x p e r i m 胁t a l l yt h es p e c i f i cr c s e a r c hw o r k 锄d r e 跚l t sa r e 弱f o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 ek i ，m 蜘1 9 s 电，勰am e 删e n t o fs e l fa n l p l i 觚l em o d u l a t i o ni i l s i d e t ：h en ：s 印p t l i r er 0 4 ，i sak e yf a c t o rt 0i 1 1 n u e 眦es o na p l e r t u 托m o d e 1 0 c 虹n g b a s e d0 n t 1 1 e “c k - l e 璐m o d e l ，n e 盯血eb o l l i l d a 巧o f 鼢i l i 哆z o n 髓i sc a l c u l a t e d r e s u l t s s h o wm a t0 c ch 私n l em a x i i l l u mv a l u en e a rt l l ei 衄e rb o u n d a 巧o fl o wn l i s a l i 孕1 m e n t s e i l s i t i 、，i t y ( l m s ) r e 百0 n ；s 0n l a ts o f t 印e r t i 鹏m o d e 1 0 d d n gs h o u l db ee 舔i e ri fn l e l 舔e ro p e r a t e sn e a r 廿l i sb o 咖t 00 b t a i l lh i g l lp o w e rs u l ) - l o f sl 觞e rp u l ，a3 m m t i ：s a p p l l i r er o di ss e l e c t e d t bg e n c r a t el l i 9 1 lp o w e rm o d e 1 0 c l 【i n 吕i ti sn e c e s s a 巧t 0 m a l ( eab a l 锄c eb e 锕e e i ll l i g l lp u m pp o w h i 曲o u _ i p u tc o u p l i i 培e m c i c y l 鹕e c a v 时m o d es i z e 觚dal a 增e ah i 曲0 c c i sf a v 0 瑚l b l et 0r e d u c i n gp 丽o d i c d i 鼬a n c et 0m o d e1 0 c k i i l gi i l d u c e db ym ei n t e 均c t i o no fs e l f p h 鲢em o d u l a t i o n ( s p m ) a n d 日o u pd e l a yd i s p e l l s i o n ( g d d ) ，a n ds u p p f e s s 韶锄铝y n v e 璐i 锄肋mn l e m o d e1 0 c k i n gt ot l l ec 伽【t i n u 眦t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o w 廿1 a t i s p r 叩o n i o n a lt oc r y s t a l1 e i l g m ，w t l i c hs u g g e s t s m a ta1 0 n g e r t i ：s a p p l l i r e r o di s n i 中山大学硕士学位论文 f i a v 0 r a b l et 0h i 曲o u t p u tp o w e r a5m m t i ：s 印p h i r er o dl 弱c rg e n e r a t e sh i 曲e ro u t p u t p o w e rm 观a3 m mt i ：s a p p h i r er o dl 弱e re x p e r i m 髓t a l l y ，w h i c ha g 聘e sw e uw i mo u r t h e o r e t i c a lc a k u l a t i o n ( 2 ) e 髓c t so f c a v 时a s y 姗e 时p a 珀m e t e r7 锄dm el e n 舭o ft i ：s a p 】) 1 1 i r er o d0 n a r es t u d i e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a t i n c r c a s e sb y4 5 f o ra3 m mr o d ， 7 矗玎a5 m mr o da n d2 7 f o ral o m mr o d ，r e s p e c t i v e l y a st h ev a l u eo f 丫r c d u c e s 丘d m1 8t o1 5 t h e s er e s u l t ss u g g e s t l a t 廿l ee 伺f e c to f yo n n e e d st 0b ec o n s i d e 硼 o h l yf o ra1 0 n gc r y s t a l 慨f o r c ，m er e s 0 n a t o rs h o u l db ed e s i 鹃e dt 0h a v ea1 0 w v a l u eo fyt 0e r l l l 越l c eo c ，a n d 誉殂e r a t ek g h p o w e ro 脚u ta l l ds t a b l ei n o d el o c k i l 培觞a 1 0 n g e r g a i n r o d i s u s e d ( 3 ) t 1 1 ee 舵c to fo u t p u tc o u p l i n ge 街c i e i l c y0 nf 铋t o s e c o n dl 嬲e rn m a b i l 时i s s t l l d i e d c 蛐p e dm i 玎0 r sa r el l s e dt oc 伽叩e n s a t e 廿l i r d - o r d e rd i s p e r s i o na n dp r 0 v i d e b r o a d b 锄dh i g hr e n e c t i v i 咄t h et u n a b i l i t yo fl a s e r sw i t ht l l r e ed i 岱孙e n to u t p l l t c o u p l i n ge 伍c i e n c i e so f10 ，4 a n d1 a r ec o m p 孙e d ni sf o u n dt h a tn l el a s e r 、析t l l l o c o u p l i n g0 u t p u tm i r r o ro v e rab 缸d w i d _ 吐lo f 7 2 0 - n 4 0 1 1 l i lc 锄b et u i l e d 缸l m7 3 5 t 08 8 咖m ，w h i l em el a s e fw i t l l4 0 v e rab a i l d w i d mo f7 4 0 8 8 0 n mt u n c d 五的m 7 3 0 一8 8 0 l 】m ab r o a d e s tt i m a b i l i t y 丘0 m6 9 5 mt o9 7 0 1 1 mi s 向l 丘l l e dw h 饥o u 巾u t c o u p l i n gm i n o ri sr 印l a c e db yac l l i 巾e dl l i g l lr e n e c t i v i t ym i n 0 r 卸dap i e c eo f1m m 佩n 斟a s si si 1 1 s e r t e di n t ol a s e rb e 锄勰ao u t p u tc o u p l e rw i t l l1 c o u p l i n ge 伍c i e i l c y h lt l l i sw a y o p e r a t i n gp o w e ri sh i g l l e ri 船i d e 廿l ec 删t ) ra i l dt l l et h r e s h o l di s1 0 w e 同i n 也ew a v e l e l l 舀hr a j l g eo f1 0 w g a i l l 1 t l ee x p 嘶m e n 协1r e s u l t ss h o w t 1 1 a t9 0 0 dd i s p e r s i o n c o m p e i l s a t i o n 觚dh i g hm a c a v i t yp o w e r 甜ef a v o r a b l et ob r o a d b 锄dt l m a b i l i 舡 k e y w o r d s ： t i ：s a p p l l i r ef e m t o s e c o n d1 a s e r ， f e m t o s e c o n d p u l s e ，h i g hp o w e r b r o a d b 趾d t e i l a b i l i 坝d i s p e r s i o n l v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者篝名：前叁友 日期：夕咿瞬易月易日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者篝名氆乞受 日期御8 年6 月沪日 导师签名：耳一1 m 才 日期：呀年6 月，d 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成 果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在 学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，与任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：蕉龙、友 日期硼p 前言 - j 刖吾 超快激光技术是人们探索物质内部动态变化过程的重要工具f l 埘。自从1 9 6 6 年首次通过锁模来获得皮秒超短脉冲以来【4 】，它在物理，化学，生物，工程等方 面的重要应用，直接推动人们不断寻求产生更短光脉冲方法的研究。超快激光技 术经过短短的四十多年时间的发展，人们已经可以产生亚飞秒( 1 0 _ 1 5 s ) 的光脉冲 了【5 】。二十世纪7 0 年代以来，超短脉冲与物质的相互作用引起人们的广泛关注， 通过飞秒激光技术的发展开拓了超快现象研究的新领域。光与物质互作用的研 究，揭示了许多尚未被认识的新规律。人们利用超短脉冲观察原子内部电子的运 动情况【6 j ，采用泵浦一探测方法研究半导体载流子的运动规律( 7 】，电子自旋动力 学【8 9 】，利用飞秒激光脉冲的相干特性来控制半导体光生载流子的寿命【1 0 】，以及 用飞秒脉冲来分析化学反应过程【l 。这些方法使人们对微观物质运动的研究进入 了一个新时期。随着光子学的发展，超高速通信的需求极大地推动全光器件研究。 由于现有的微电子集成电路不能兼容于光子学器件的制作，目前，人们还没有找 到大规模生产全光器件的方法。飞秒激光很重要应用之一就是双光子聚合制备三 维微纳结构：实现真正的三维微加工【1 2 。5 1 。飞秒激光技术为人们提供一种低成本， 高精度的微光电子器件的集成加工方式，是微纳加工中最独特的、具有广泛应用 前景的一种方法。可以说，飞秒脉冲对科学的发展，并不亚于显微镜的发明在提 高光学仪器空间分辨率方面所引起的革命性变化。 自从人们在染料激光器中实现飞秒激光脉冲输出以来，飞秒激光技术获得 飞速发展。1 9 8 2 年美国贝尔实验室的r l f o r k 等人首次运用对撞脉冲锁模获得 9 0 f s 光脉冲，并在1 9 8 7 年通过光纤展宽再压缩获得短至6 f s 的光脉冲【1 6 1 。这一阶段， 染料激光器使固体锁模激光器受到冷落。但是，由于固体激光器具有高稳定性、 更宽的荧光谱线等优点，有利于产生短脉冲和宽的调谐性能，所以科学家一直没 有停止寻找合适的固体激光介质的研究。二十世纪八十年代后期，随着一些优质 激光晶体生长技术的成熟及各种锁模技术的发明，掀起了飞秒激光器的第二次革 命。钛宝石激光器是目前近红外区性能最好的一种新型可调谐固体激光器。钛宝 中山大学硕士学位论文 石晶体( t i ：s a p p h i r c ) ，具有吸收谱线宽( 4 5 0 一6 0 0 1 】哪) ，荧光谱线( 6 2 0 一1 1 0 0 l 】咖) 比 染料更宽，热导率高等优点。1 9 9 1 年，英国圣安得鲁斯大学的s p e n c e 等人首次利 用克尔透镜锁模( k l m ) 的方法在钛宝石激光器上实现6 0 f s 光脉冲输出【1 7 】。由于钛 宝石飞秒激光器结构简单，性能稳定，无污染，输出功率高，可调谐范围宽等优 点，它出现后很快就受到了人们的广泛关注。 出现6 0 f s 光脉冲输出后，人们在钛宝石激光器上展开获得亚十飞秒激光脉冲 的竞赛。理论上，钛宝石激光器在8 0 0 i 】m 波长处，可以最短的脉冲宽度为2 7 f s 。 利用k e n 锁模钛宝石激光器产生亚十飞秒脉冲，人们认识到三阶色散是影响获得 亚十飞秒脉冲的重要因素，但是一直没有找到很好补偿三阶色散的方法。最早由 钛宝石激光器直接输出亚十飞秒光脉冲是在1 9 9 4 年，j p z h o u 等采用2 m m 长钛宝 石棒和三阶色散小的石英棱镜对以及封闭式折叠腔石英片耦合输出的方式产生 了最短为8 5 f s 的光脉冲【1 8 】，这也是目前在不采用啁啾镜进行色散补偿的情况下， 钛宝石激光器所获得的最短脉冲。 通过镀膜技术产生色散可控的啁啾镜【1 蜕3 】是飞秒激光技术发展的一个里程 碑。利用啁啾镜，飞秒脉冲的压缩取得了突破性的进展。1 9 9 5 年，a s t i n 酉等人 首次成功运用啁啾镜和在腔中插入色散补偿片的方法来进行精确控制腔内色散 补偿，在线型腔中获得了8 f s 的光脉冲【2 4 1 ；2 0 0 1 年，美国m i t 的i p p e i l 小组在谐振腔 中采用附加腔的方式增强自相位调制，减弱增益饱和效应来展宽频谱，获得了 5 o f s 的超短脉冲输出，这是迄今为止直接从自锁模钛宝石激光振荡器中获得的最 窄脉冲，其脉冲宽度已经小于2 个光学周期【2 5 】。现在，人们通过钛宝石激光器已 经实现稳定的亚十飞秒激光脉冲的产生。 振荡级的飞秒激光器重复率通常为8 0 m h z ，输出的功率为2 0 0 3 蚴，单脉 冲能量为3 4 n j ，这限制了飞秒激光在强场物理方面，诸如：“快速点火喷性约 束核聚变、产生激光高次谐波、超快相干x 射线的产生【2 6 ，2 7 1 、基于激光的粒子加 速器【2 8 ，2 9 1 等领域的应用。所以，在不断追求更短的脉冲宽度时，飞秒激光的另外 一个发展方向就是追求更高的单脉冲能量。峰值功率在t w 级的高能量脉冲可以 产生高温、高压、强场、高密度等极端物理条件，使得飞秒激光在许多方面有特 殊的用途，成为当今激光发展与研究的热点和新的超短超强研究的基点。 现在要获得高能量飞秒脉冲有以下五种方法：一是通过腔倒空的方式【3 0 3 1 】， 2 前言 二是啁啾脉冲放大3 1 ，3 2 1 ，三是腔内连续波放大方式【3 粥5 1 ，四是近期发展的啁啾脉 冲振荡器【3 6 。3 1 ，五是通过提高泵浦功率和增加输出功率获得高功率输出f 3 1 1 。腔 倒空和啁啾脉冲放大是比较早期、成熟的技术，它们是提高单脉冲能量有效的方 式。啁啾脉冲放大系统现在已有商业成品出售。上海光机所于2 0 0 1 年研制成功的 5 4 1 眦f s 级小型化超强超短激光系统已升级到1 5 n w 3 5 f s 水平【4 2 】。但是，腔倒 空和啁啾脉冲放大系统结构复杂，一般不容易建立，而且对泵浦光的稳定性要求 特别高，在3 0 f s 以下脉宽的放大已不采用。腔内连续波放大结构相对c p a 系统简 单，但它需要两个泵浦源，成本也比较高。 啁嗽脉冲振荡器产生高能量的飞秒脉冲是近期发展的一个新方向。它产生的 原理是在腔内提供较小的正色散情况下，使腔内脉冲展宽至皮秒量级，降低脉冲 在腔内的峰值功率，避免出现高泵浦功率下的多脉冲现象，因而可以获得更高的 脉冲能量，高能量的脉冲可以在腔外通过色散补偿压缩成为飞秒脉冲。现在，通 过啁啾脉冲振荡器可以产生重复率3 舒m z ，单脉冲能量2 2 0 i l j 【4 3 l 的飞秒脉冲； 当重复率为7 0 m h z 时，可以达到6 0 i l j m 】，这是一种很有效获取高能量脉冲的方式。 第五种通过提高泵浦功率和增加输出功率获得高功率输出是一种比较直观 的方式。1 9 9 2 年，w s p e l o u c h 小组用1 5 w 泵浦，在7 8 0 n m 波长处获得平均功率 为2 w 的高功率飞秒激光输出【4 5 1 。1 9 9 6 年，j n g l l 锄g 等采用2 咖珊的钛宝石棒， 5 w 泵浦，7 的输出耦合镜，获得7 5 0 i i l w 的输出功率。基于本实验室的实际情况， 我们的泵浦源输出功率最大值只有7 w ，而且没有建立起超净室，环境等因素对 激光器的运转影响较大，对于上述前四种实现高脉冲能量的方案难度比较大。所 以，使用最简单的结构来实现高功率输出是比较合理的选择，这一种方式具备稳 定性高，易于维护等优点，可以直接获得比较宽波长调谐范围以及作为o p o 的泵 浦源。 本实验室于1 9 9 4 年开始就自锁模钛宝石激光器谐振腔特性与自锁模机理开 展了较为系统的理论与实验研究f 4 “8 】。在国际上首次提出k e r r 介质等效厚透镜 模型f 蛔并分析了腔色散不共轴性( c d 对自锁模的影响( 4 7 1 。在理论分析的基础 上，2 0 0 1 年，采用5 咖钛宝石晶体和像差相应较小的”x ”型腔【4 8 】，选用三阶群 速度色散小的熔融石英棱镜来压缩脉宽，产生8 5 f s 的光脉冲，是当时国内最短 脉冲记录。 3 中山大学硕士学位论文 评价激光器性能有多方面的参数，如输出功率，波长调谐范围，成本等。不 论是连续波形式还是脉冲式的激光器，激光器的波长调谐范围都是研究激光器很 重要的一个方面。钛宝石激光器具有很宽的调谐范围，这一特点使得它在众多固 体激光器中脱颖而出。目前，多数钛宝石飞秒激光器的可调谐范围一般在 7 5 0 9 0 0 n m ；商业上，美国光谱物理公司的产品中1 5 w 泵浦时波长能到 达1 0 8 0 n m 。振荡级的钛宝石飞秒激器只能用于涉及近红外波段领域的研究。要 产生中红外的波长，一般是选择其它的晶体材料或者是通过o p o 器件h 吣1 1 。 o p o 技术在1 9 6 5 年就有研究，但在很长时期内一直很难得到单模运行。近 十多年来，由于新的激光光源，新的非线性晶体以及一些实验技术的进步，能够 获得稳定的宽调谐和高效率的光参量振荡输出技术再次成为研究热点【5 2 捌】。o p o 技术是通过高功率的飞秒脉冲作为泵浦光和不同的非线性晶体，如k t p 、周期 性极化l i n 0 3 等晶体的组合，可以实现1 1 6 0 岬的波长输出，是产生红外 波长重要手段。 一般来说，o p o 器件需要较高的泵浦功率，所以大部分实用的o p o 器件都采用脉冲波泵浦的工作方式。飞秒激光脉冲的峰值功率非常高， 是理想的o p o 泵浦源。但是，超短脉冲的持续时间已远小于光在0 p o 谐 振腔来回一周的渡越时间，这与连续波泵浦的动力学情况完全不同，必 须采用同步泵浦技术。同步泵浦技术的基本原理是使光在谐振腔来回一 周的渡越时间与锁模脉冲的间隔时间匹配，所以腔长匹配要求非常高。 其次，高平均功率、稳定的飞秒脉冲激光源是o p o 技术的一个关键。 随着钛宝石激光器研究的不断深入，晶体生长技术的成熟以及o p o 技术 发展的要求，这些因素推动着高功率飞秒脉冲的研究。1 9 9 7l x u 等采用 2 舢【i l 长的钛宝石棒，5 5 w 以上泵浦，1 6 的输出耦合镜，获得6 2 0 r r l w 飞秒激光 脉冲输出f 5 5 1 。1 9 9 8 年，该小组采用一套新的啁啾镜以及高达3 5 的耦合输出镜 获得平均功率为1 w 的亚十飞秒激光脉冲【5 6 1 。1 9 9 9 年，t b e d d a r d 等在环形腔的 基础上，采用1 0 w 泵浦，获得了1 7 w 的高功率输出f 5 7 】，2 0 0 0 年，j i ej i a n g 等人 首次用s e s a m 实现1 7 w 的高功率自启动锁模【5 8 1 。2 0 0 1 天津大学采用9 i 】珊的 钛宝石棒，l o w 泵浦，2 2 的输出镜，获得输出功率为1 7 w 【5 9 1 。 综上所述，五种实现单脉冲能量的方法中，从仪器的成本、实现的难度、本 4 实验室功率需求等因素的综合比较，最优的方式是直接用较高功率泵浦和提高输 出耦合率来获得高输出功率。建立高输出功率的飞秒激光器，为o p o 器件 的建立、研究材料非线性过程以及微弱信号的探测提供有效的工具是很 有意义的。在这基础上，研究影响激光器的调谐性能，也有助于拓展激 光器的用范围。 本论文的主要成果和结构安排 本文基于本实验室发展的厚透镜模型，采用l o 的高输出耦合镜，设计和 建立了一台钛宝石飞秒激光器，实现了高功率和宽调谐输出。比较了3 m m 和5 m m 两种不同长度的钛宝石棒激光器输出功率，在此基础上研究了影响飞秒激光输出 功率以及波长调谐的因素，取得以下有意义的成果： ( 1 ) 钛宝石棒内腔横模调制度瓯是影响软光阑锁模的关键因素。基于厚透镜 模型，计算了稳定区各边界处的横模调制度0 c c ；在上区下边界处，钛宝石棒内腔 横模调制度0 【c 值最大。因此，设置激光器工作在此边界附近，容易实现锁模。为 了获得亚十飞秒的高功率输出，选用了3 咖的钛宝石棒。计算发现，c c c 与钛宝 石棒长度成正比，高的0 【c 可以防止产生多脉冲现象、连续成分的出现，这意味着 采用长的钛宝石棒有利于获得更高的输出功率。实验上采用5 m m 的钛宝石棒比 用3 衄的钛宝石棒获得更高的输出功率，与理论计算结果一致。 ( 2 ) 研究了腔结构不对称参数丫和钛宝石棒长度对o c c 的影响。在理论上，计 算了丫的取值对不同的长度钛宝石棒的0 c c 影响。计算结果表明，当丫从1 8 变化 到1 5 时，长度为3 姗、5 n l l i l 和10 1 1 ：m 钛宝石棒中腔横模调制度0 c c 分别提高了 4 5 、7 和2 7 。所以，对于短至3 5 m m 的钛宝石棒，腔的两臂的对称性可以 忽略。只有较长的钛宝石棒，丫对0 c c 才有较大的影响。因此，当采用较长的钛宝 石棒作为增益介质时，谐振腔的结构就应该取较低的y 值来提高，有利于获得 最佳的输出功率和锁模稳定性。 ( 3 ) 研究了耦合输出率对飞秒激光调谐范围的影响。采用啁啾镜较好地补偿腔 内的三阶色散和提供宽的反射带宽，比较了输出耦合率为l o 、4 以及1 的激 光器输出波长调谐范围。其中，1 0 宽带输出镜( 7 2 0 1 1 4 0 i l m ) 的调谐带宽为 5 中山大学硕士学位论文 7 3 5 8 8 0 胁；4 普通输出镜( 7 4 0 8 8 0 啪) 的调谐带宽为7 3 0 8 8 0 n m 。把原来激 光腔中的输出耦合镜更换为啁啾反射镜，并在激光腔内插入l m m 厚的薄玻璃片， 作为1 的输出耦合镜，在实验上采用一套啁啾镜获得了从6 9 5 9 7 0 i l m 的调谐 飞秒激光脉冲输出，这在国内尚属首次。 论文分为四章。第一章主要介绍钛宝石飞秒激光器克尔锁模原理，分析了 腔内的色散来源以及色散补偿的技术，为建立飞秒激光器提供理论基础。第二章 在分析谐振腔的横模调制度基础上，采用3 m m 和5 n h n 长的钛宝石棒建立起两套 飞秒激光系统，研究了影响激光器输出功率的因素。第三章详细分析了激光器调 谐的特点，实验上，采用腔内插入薄石英玻璃片作为低输出耦合率的方法，实现 2 7 5 n m 的宽带调谐范围。第四章分析了脉冲测量宽度的方法，采用相干自相关的 办法测量了3 i m n 的钛宝石激光器输出的脉冲宽度。 6 前言 参考文献： 【1 】n b l o 锄1 b e r g c n f r o mn 锄o s e c o n dt 0f 锄t o s e c o n ds c i e n c e r e v i e w so fm 0 d 锄 p h y s i c s ，19 9 9 ，7 l ，s z 2 8 3 - s z 2 8 7 2 】t m o t 武，j n e e s ，s w i l l i 锄，e ta 1 1 4p sr i s e - 劬el l i g h v o l t a g e p h o t o c o n d u c t i v es w i t c h i n g h a p p l p h y s l e 位，1 9 9 1 ，5 9 ：1 4 5 5 1 4 5 7 3 】s d b e i l j 觚l i i l h s l 0 k ae t a 1 u l 衄触d ) ，i l a i i l i c so f n o n l i i l e a ra b 印t i o ni l l 1 0 、翎叩既a t l l r e 一伊o w - 1 1g a a s a p p l p h y s l e n ，19 9 6 ，6 8 ：2 5 4 4 2 5 4 6 【4 】a j d m a r i a d a s t e t s h h e y n a u s e l f m o d e l o c k i n go fl 弱e r s 诵t l ls 砷哪b l e a b s o r b 铘a p p l p l l y s l c t t ，8 17 4 - 17 6 ( 19 9 6 ) 5 】m d r e s c h m h e l l t s c h e l ，硒c 1 1 b e 唱e ta 1 x - m yp u l s e sa p p r o a c h i n 吐地 a s e c o n d 舶n 矗既s c i e n c e2 0 0 l ，2 9 1 ：1 9 2 3 1 9 2 7 【6 】m e 眈s c h m h e n t s c h e l ，r 硒曲e 略e ta 1 t i m e - r e s o l v e da t o i i l i ci 衄昏s h e l l s p e c t r c i s c o p y n a 血e ，2 0 0 2 ，4 l9 ：8 0 3 8 0 7 7 】j 一p f 0 i n 舀m j 0 妇呱j l o u d 牡c 0 h 溯l c ee 腩c t si i lp 衄1 p - p r o b ee x p 丽m e 鹏 谢mc 螂e d p 硼叩p u l s e s j o p t s o m a m b ，1 9 9 3 ，1 0 ：1 1 4 3 - 1 1 4 8 8 】h ucm ，j ，腰n s e n 八e t 甜s p i i l 硼l 撕z e d 呻础i na 觚o m m e n s i o m le l e c 们ng 雒w i 也硫耐i 西t a l - f a m a 印e t i cc o n t a c t s p h y s r 脱b 2 0 0 1 ，6 3 ： 1 2 5 3 3 3 1 2 5 3 3 6 【9 】t i a 璐h u 瞄，x i a o d o n gl i u ，h a i h o n g e ta 1 t 锄p 铡加r ed 印e n d 黜eo f e l e c 仃d n s p i nc o h e r 锄c ei ni n t r i n s i cb u l l 【g a a s a p p l p h y s l 启t t 2 0 0 6 ，8 8 ： 1 9 2 1 0 6 1 9 2 1 0 8 1o 】h c i l 巧m v 锄d r i e l c o l 磁姐c ec o n 怕lo fc u 玎翎ti ns e i i l i c o n d u c t o r s ：am a t 矗a l s p r e s p e c 廿v e c 1 l 即缸c a lp h y s i c s 2 0 0 0 ，2 5l ：- 3 0 9 318 【l l 】a h z e w a i l 铡c p l 弱e rf e m t o c h 锄i 鳓e 一1 9 8 8 ，2 4 2 ：1 6 4 5 1 6 5 3 【12 】m 弱u d am ，s u 舀o k ak ，c h 髓gy ，c ta 1 3 - dm i c r o s 咖c t 晌gi i l s i d ep h o t 0 - s 饥s i t i v e 舀勰sb yf 锄1 t o s e c o n dl 勰e re x c i t a t i o n a p p l p h ) r s a ，2 0 0 3 ，7 6 ： 8 5 7 8 6 0 【13 】c h e n gy ，s u 百o l 【ak m i d o r i k a w ak e ta 1 c o r l t r o lo fn l ec r o s s s e c 矗o n a ls h a p e o fah o l l o wi i l i c r o c h 锄e l 锄b e d d e di np h o t o s 仃u c t u r a b l e 舀勰sb yl l s eo fa 。 7 中山大学硕士学位论文 f e l l l t o s e c 0 n dl a s e r o p t l e t t 2 0 0 3 ，2 8 ：5 5 5 7 1 4 】c h e n 舀y ，s u 百o k a ，k ，m i d o r i k a w a ，ke ta 1 n l r e e - d i m e n s i o n a lm i c r 0 0 p t i c a l c o n l p o n e n t se n l b e d d e di np h o t o s e i l s i t i v e 西弱sb yaf e m t o s e c o n d1 a s e r o p t m ， 2 0 0 3 ，2 8 ：11 4 4 1 1 4 6 15 】m a s u d am ，s u 百o k akc h e n gy ，e ta 1 3 dm i c r o f a b r i c a t i o ni np h o t o s e n s i t i v e 舀a s sb yf 锄t o s e c o n dl a s e r s p p r o c 2 0 0 2 ，4 8 3 0 ：5 7 6 5 8 0 16 】r l f o r k ，c h b t 0c n l z ，只c b e c k 豇锐，e ta 1 c 0 m p r e s s i o no fo p t i c a lp u l s e st 0 s i xf e m t o s e c o n d sb y1 l s i n gc u b i cp h 弱ec o m p e n s a t i o n 0 l p t l e n ，1 9 8 7 ，1 2 ： 4 8 3 - 4 8 5 【1 7 】s p e n c ede ，k e 觚pn ，s i b b e nw 6 0 窍c cp u l s eg c i l 懿m o n 舶mas e l m o d e l o c k e dt is 印p l l i r el 嬲e r o p t l e t t ，1 9 9 l ，1 6 ：4 2 _ 4 5 【18 】j z l l o u ，g t a 危，c p h u a n g ，c ta 1 p u l s ec v o l u t i o ni nab r o a d - b a i l d w i d t l lt i ：s a p p l l i r e l 弱o p t i c sl e t l ，1 9 9 4 ，1 9 ：1 1 4 9 一1 1 5 1 【19 】r s z i p o c s ，k f 色r e n c z ，c s p i e h n a l l n ，e ta 1 c l l i 印e dm u l t i l a ) h 贸c o a t i n i 笋佑r b r o a d b a n dd i s p e r s i o nc o n 白沁li nf 疏1 【0 s e c o n dl a s e r s o p t i c sl e t t s ，1 9 9 4 ，1 9 ：2 0 1 - 2 0 3 【2 0 】f x i m 埘；n ma t u s c h e kt s c l l i b l i e ta 1 d e s i 弘觚df a b r i c 撕o no fd o u b l e c l l i r p e dm i 仃0 1 1 s o p t l e n ，1 9 9 7 ，2 2 ：8 3 1 - 8 3 3 【21 】g 1 e m p e a f k r 她s z ，c s p i e h n 锄，e t 矾d i s p e r s i o nc o n t r o lo v e rl5 0 t h zw i n l c h i 印e dd i e l e c t r i c m i 订0 r s 也e ej 0 呦a lo fs e l e c t e d t o p i c s i 1 1 q u a i l t 嘲 e e e c 仃o i l i c s ，1 9 9 8 ，1 4 ：1 9 3 - 1 9 6 ， 【2 2 】a v ：t i k h o i l r a v o v m k t m b e t s k o v ，a a t i k l l 0 1 1 r a v o v 1 0 l ed e s i 印锄dt l l e o 巧o f c h i 印e r dm i h d r s h io s at 0 0 p i c a lm 觚n go p t i c a li n t e 疏r e n c ec o a t i n g s t u c s o n a z ，1 9 9 8 ，f e b 7 一1 2 【2 3 】b g 0 1 u b o v i c ，r 。r a u s t i l l ，m k s t e i n e r s h 印a r d ，e t a l d o u b l e 垂r e s t o u m o i s i n t e r f e r o m 酏e rn e g a t i v e d i s p e r s i o nm i n o r sf o ru s ei nt u n a b l em o d e 1 0 c k e dl a s e r s o p t l e t ，2 0 0 0 ，2 5 ：l7 5 - 2 7 8 【2 4 】a s t i n 西，m l e n z l l c h s p i l i i l a i l l l ，e ta 1 s u b lo 庇m t o s e c o n dm i 玎0 r - d i s p e r s i o n c o n t r o l l e dt i ：s a p p h i r e1 弱既o p t l e t t ，19 9 5 ，2 0 ：6 0 2 6 0 4 【2 5 】e m o 唧e ru ，融缸l e rfx ，e ta 1 g e i l e r a t i o no f5 一f sp u l s e sa n do c t a v e