全固态多波长飞秒激光产生的理论与实验研究

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1、中国科学院西安光学精密机械研究所博士学位论文全固态多波长飞秒激光产生的理论与实验研究姓名：白晋涛申请学位级别：博士专业：光学指导教师：陈国夫2001.12.30全固态多波长飞秒激光产生的理论与实验研究摘要本论文第1章首先回顾了全固态激光器的发展历史过程，介绍了半导体泵浦的全固态激光器的主要特性以及各类LD泵浦的晶体材料及其特性，综述了国内外激光二极管泵浦的各种波长全固念激光器的研究进展，展望了全固态激光器的应用前景；第2章引入了LD泵浦固体激光器的基本模型和工作原理，从速率方程导出四能缴系统的振荡阈值，工作斜效率和T作，一氯情况，继而描述了三波耦合

2、理论和腔内倍频非线性过程；第3章对全固态．极管双端杂浦Nd：YV04／KTP(LBO)激光器技术进行了描述，给出在大功率泵浦卜I热透镜效应对腔稳定性的影响及如何优化热稳腔的腔结构和腔参数等：第4章主要介绍了各种飞秒固体激光增益介质及其特性，进行了全固态近红外飞秒激光理论分析和实验研究；第5章介绍了飞秒激光二次谐波产生(SHG)理论，分析和计算了利用棱镜组引进频谱空间啁瞅来补偿谐波倍频晶体的相位失配，进行了全固态Ti：S飞秒蓝光、紫外光激光器的实验研究；论文第6章主要研究了全光纤飞秒激光脉冲的产生和放大机制及其关键技术，理论与实验相结合，重点解决了自

3、启动锁模和光脉冲的孤子压缩效应的机制和实现自启动锁模的关键技术。具体研究内容和创新工作为：1．理论上通过引入端面泵浦光场与振荡光场的分布函数，得到稳态条件F输入输出特性，分析了泵浦光焦点位置对泵浦阈值及斜效率的影响和在不同泵光功率下的最佳光斑大小及透过率。对腔内倍频理论也进行了研究，讨论了影响倍频效率的几个因素，如相位失配、走离效应等。在此基础上，重点讨论了由大功率LD泵浦的热稳腔的稳定性问题，通过数值模拟计算，分析了腔长、束腰大小等因素对腔稳定性的影响，这对优化腔结构、选择光路参数，保证大功率连续波绿光激光器能够稳定运转，具有一定的指导意义。2．

4、采用两只输出功率为12W，波长为810nm的半导体激光器作Nd：YV04腔内倍频激光器的泵浦源，通过数值计算设计了高稳定的热不敏激光腔结构。使激光腔中的热透镜焦距范围在5—1000mm之阳：J激光器仍能稳定地工作。从而研制成功了一套可用作泵浦掺钛兰宝石激光器的全固体绿光激光器。3．为了降低掺钛兰宝石激光器的阈值提高它的光一光转换效率，我们利用光学传输矩阵理论，对掺钛兰宝石激光腔进行数值模拟．设计出工作阈值低、转换效率高的b秒激光系统。当绿光泵浦功率为2．5W时，输出的飞秒激光平均功率达剑300mW。4．在b秒蓝光、紫外光激光产生方面，从理论上研究了

5、用非线性晶体产生1毛秒激光二．次谐波机制。由于飞秒激光具有宽的光谱带宽，一般在50一120nm之间，如果采用常用相位匹配技术，不能在宽的光谱范围内获得最佳的相位匹配。在1{．秒光脉冲的宽光谱的条件下，如何能较好地满足相位匹配是研究工作要解决的关键问题和关键技术。根据激光经过色散元件之后，光谱在空间按⋯定的顺序排列这⋯特性。我们通过选取适当焦距的透镜在较宽的光谱范围内成功地实现了相位匹配。通过数值模拟确定了最佳透镜焦距。实验证明该技术能有效地提高转换效率，利用BBO倍频晶体可获得飞秒蓝光激光转换效率为243％，输出的飞秒蓝光激光平均功率达75mW．脉

6、宽为33．3fs。同时初步进行了飞秒钛宝石自锁模激光器的三次谐波产生的实验研究。本论文这一研究成果拓展了飞秒激光波长范围，使飞秒激光器可同时输出近红外光(800．830nm)、蓝光和紫外光。5．与他人合作研究了全光纤飞秒激光脉冲的产生和放大机制及其关键技术。理论与实验相结合，重点解决了自启动锁模和光脉冲的孤子压缩效应的机制和实现自启动锁模的关键技术，采用非线性偏振旋转脉冲相加锁模自启动技术研制成的半导体激光器泵浦的掺Er3+光纤环形腔激光器，获得了最短脉冲269fs、重复率21．37MHz、中心波长1．539m且工作稳定的激光脉冲；同时采用高增益掺

7、E，3+光纤放大器对掺E3+光纤激光器输出的超短光脉冲直接进行放大得到了最大平均输出功率145roW、单脉冲能量O．691nJ、峰值功率2657．5W、最短光脉冲宽度260fs的好结果。关键词；二极管激光泵浦、Nd：YV04晶体、KTP、LBO、绿光激光器、钛宝石、蓝光飞秒脉冲、紫外飞秒脉冲、飞秒光纤激光器、自启动锁模、孤子压缩效应、飞秒光纤激光放大器。TheoreticalandExperimentalStudiesoftheGenerationofAll-Solid--StateMulti·-WavelengthFemtosecondLaser

8、BAIJintao(OPTICS)DirectedbyProfessorCHENGuofuABSTRACTInthisth