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基于yb,nd:sso晶体的连续波、可调谐及超快激光性能研究

基于Yb,Nd:SSO晶体的连续波、可调谐及超快激光性能研究

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作者：王强国山东科技大学

学位级别：硕士

激光技术是与原子能、计算机以及半导体齐名的20世纪四大发明之一,被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。从梅曼发明第一台红宝石激光器至今的60年里,激光器发展迅猛,已经被广泛应用于科学研究、医疗卫生、工业工程、航空... 详细信息

激光技术是与原子能、计算机以及半导体齐名的20世纪四大发明之一,被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。从梅曼发明第一台红宝石激光器至今的60年里,激光器发展迅猛,已经被广泛应用于科学研究、医疗卫生、工业工程、航空航天、信息通讯、遥感雷达等众多领域。其中,全固态激光器以其结构简单、性能稳定、峰值功率高等优点在应用中展现出了很大优势。激光晶体是全固态激光器的核心,不同的激活离子掺杂会使激光晶体呈现出不同的特性,进而实现激光器输出特性多样化。在众多的激光晶体中,yb3+离子掺杂的晶体受到人们的广泛关注,是近红外波段激光器件的重点研究和应用的晶体之一。yb3+离子掺杂晶体的特点和优势如下:1、yb3+离子掺杂晶体为准三能级结构,能级结构简单,不存在激发态吸收、上能级转换、交叉驰豫等影响;2、晶体中存在强的电子-声子耦合相互作用,表现出较宽的吸收和荧光光谱,适宜于作为超快及可调谐激光的增益介质;3、yb3+离子的吸收带位于980 nm波段,与成熟的InGaAs激光二极管发射波长相匹配,可实现LD直接泵浦,简洁高效。本论文以新型的yb,nd:Sc2SiO5(yb,nd:sso)晶体为研究对象,在全面表征晶体的热学和光谱性质基础上,系统研究了不同切向yb,nd:sso晶体的连续和可调谐激光输出特性,并利用SESAM作为被动锁模器件实现了该晶体的超快激光输出。本论文取得的主要研究成果如下:一、对yb,nd:sso晶体的热学和光谱性质进行全面表征。通过测定晶体的比热、热膨胀和热扩散系数以及在不同温度下晶体密度的变化,计算得出了晶体沿不同方向的热导率变化,各方向的热导率在3.5 W/mK左右。分别测试了 yb:sso和yb,nd:sso晶体的吸收和发射光谱,并利用F-L理论计算了晶体的吸收和发射截面,因为nd3+的掺入,yb,nd:sso晶体的吸收和发射强度得到提高,在980 nm处的吸收截面为1.18×10-20 cm2,在1064 nm处其发射截面为0.63×10-20 cm2,其吸收带宽和发射带宽分别为200 nm和125 nm。二、研究了不同折射率主轴yb,nd:sso晶体的连续波和可调谐激光输出特性。由于晶体的各向异性,X,Y,Z折射率主轴下,激光输出存在差异。实验中发现X切向晶体具有最好的激光输出特性。优化设计V型热稳定谐振腔,实现了最大6.3 W的连续激光输出,斜效率为43.30%。在V腔的输出臂上插入双折射滤光片,并调整滤光片的角度,即可实现了yb,nd:sso晶体的可调谐激光输出,结果显示yb,nd:sso晶体具有很宽的波长调谐范围。X切向晶体的调谐范围为1031-1099nm,共68nm;Y切向晶体的调谐范围为1031-1098.4 nm,共67.4nm;Z切向晶体的调谐范围为1031-1099 nm,共68 nm,调谐范围与晶体的发射线宽相符合。三、对yb,nd:sso晶体的超快激光性能进行了系统研究。通过合理的谐振腔设计和色散补偿,实现了基于SESAM可饱和吸收的yb,nd:sso晶体百飞秒超短脉冲输出。透过率为T=1%时,得到了最短367 fs的超短脉冲输出,其连续波锁模最大输出功率为240 mW,输出能量为4.22 μJ,峰值功率为11.5 kW,脉冲重复频率为58 MHz。

关键词： yb,nd:sso 连续波激光可调谐激光超快激光

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