LD泵浦Yb:YAG晶体全固态超快激光器研究

作     者：张明龙 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李真;朱思祁

授予年度：2022年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：Yb:YAG晶体 超快激光器 SESAM锁模 飞秒激光 克尔透镜锁模 

摘      要：飞秒激光因其超短脉冲、极宽光谱、超高峰值功率等特性被广泛应用于超精密加工、生物医疗、军事国防以及前沿科学探索等领域。由激光二极管(Laser Diode,LD)泵浦的掺镱全固态超快激光器具有高效、廉价、微型和结构紧凑等优势,是当前应用最广的全固态飞秒方案。然而,当前基于Yb:YAG晶体的全固态飞秒激光系统其输出功率普遍偏低,主要依靠放大级实现高功率飞秒激光输出,这极大限制了其应用的进一步拓展。本论文以LD泵浦Yb:YAG晶体结合半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)锁模系统为对象,着重通过研究热透镜效应抑制方案、光束质量优化方案以及耦合输出镜优选方案,对谐振腔进行了全面设计。实现了平均功率为2.16 W、脉宽为665 fs的激光输出。据我们所知,以块状单晶Yb:YAG晶体为增益介质的飞秒激光系统中,本论文所设计的激光器的输出功率最高。更进一步的,为克服SESAM调制深度低和LD光束质量差的限制,开展了双聚焦克尔透镜锁模(Kerr-lens mode-lock,简称KLM)方式的系统研究。全文研究内容如下:1.根据re Zonator谐振腔模拟软件,对SESAM锁模谐振腔以及KLM谐振腔进行设计。充分考虑热透镜效应的影响,以获得稳定且对热效应不敏感的谐振腔。然后根据谐振腔参数设计并加工晶体热沉以及SESAM热沉,进一步降低热效应影响。2.采用“W型折叠腔结构,以5 at.%浓度掺杂的Yb:YAG晶体作为增益介质,多模940 nm LD作为泵浦源,得到3.55 W连续激光输出。为进一步探索出不同耦合输出率对锁模影响,分别采用T=4%和T=16%耦合输出率以SESAM锁模方式开展实验,得到平均功率分别为307 m W和1.47 W皮秒激光输出,对应激光中心波长都处于1032 nm,光谱宽度分别为0.8 nm和0.7 nm,脉冲重复频率为97 MHz。3.为获得更高功率和更窄脉宽输出,在上述实验基础上进行改进。为增强Yb:YAG晶体在1030 nm处的自吸收效应,将掺杂浓度从5 at.%提高至10 at.%。通过优化模匹配系数、SESAM上光斑尺寸以及合理选择耦合输出镜,在连续激光运转时,通过T=5%的耦合输出镜得到5.4 W的输出功率。通过SESAM锁模并采用棱镜对进行适当色散补偿,在泵浦光功率为16.14 W时,得到平均功率为2.16 W、脉冲宽度为665 fs、光谱宽度为2.2nm和重复频率为95 MHz的脉冲激光。激光中心波长从1032 nm频移至1050 nm处。4.因SESAM限制了更短脉冲和更高功率输出,改用克尔透镜锁模方式。又由于泵浦源光束质量较差,通过特色双聚焦谐振腔结构将Yb:YAG激光介质与Ca F(氟化钙)克尔介质分离以克服传统KLM谐振腔对泵浦源的限制。当通过T=1.5%耦合输出镜时,连续激光最高输出功率为1.38 W。调节谐振腔并轻推端镜,可得到锁模脉冲序列,但脉冲难以持续与稳定,最终未实现稳定锁模激光输出。实验中能够产生锁模脉冲序列说明该方案具有一定可行性,最后分析其原因和解决方案以及后续研究工作。