锁模激光器的设计

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1、光电子课程设计第1章概述2第2章SESAM锁模激光器的基本原理32.1被动锁模激光器工作原理32.2半导体饱和吸收镜锁模相关理论42.3SESAM锁模脉冲的演变过程52.4Nd:YV04晶体6第三章大功率皮秒激光器及谐振腔设计83.1热透镜效应理论分析83.2模式匹配83.3含热透镜的谐振腔设计8总结11参考文献1111光电子课程设计第1章概述激光是20世纪以来的重大科技发明之一，自1960年梅曼成功研制世界上第一台激光器一红宝石激光器以来，激光技术正以科学史上罕见的高速度向前发展着。特别是进入二十世纪八十年代末期，

2、由于大功率激光二极管和阵列型激光二极管成为极理想的泵浦源，从而导致了效率高、体积小、寿命长、性能稳定和光束质量好等优点的激光二极管泵浦固体激光器的出现，带动了整个固体激光器件的发展。由于DPSSL具有半导体激光器和固体激光器的双重优点，而且同时弥补了两者的缺点，所以DPSSL在科学研究、材料加工、医疗卫生、军事国防、同位素分离、激光核聚变、信息传输等方面有广泛的应用前景，现在已经成为激光技术领域的重要发展方向之一。由于超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，高脉冲重复频率，宽的光谱和高的峰值功率，在各个领域得到了广泛的

3、应用，所以超短脉冲的产生成为了当今重要的一个研究课题。飞秒激光自诞生之日起一直是光学领域最前沿的研究方向之一，由于其卓越的特性使其应用在基础科学研究、医疗、军事、工业等众多领域。例如：微纳加工、太赫兹产生、超连续谱产生、惯性约束核聚变等。更值得一提的是两项诺贝尔奖：A．H．Zewail利用飞秒激光脉冲在飞秒量级的时间分辨率下研究化学反应过程的分子的动力学，获得了1999年的诺贝尔化学奖；T．Hansch和J．Hou将飞秒激光产生的超连续谱应用到超精密光谱学测量研究，尤其对“光梳”技术的完善工作获得了2005年的诺贝尔

4、物理学奖。在众多超短脉冲产生技术中，半导体可饱和吸收镜锁模技术由于其独有的优越性成为了近年来的研究热点。本文主要是以Nd:YV04晶体为增益介质，SESAM作为锁模器件，研究了基于SESAM锁模的大功率皮秒激光器，并取得了一些成果。文中针对大功率激光器的特点，对LD端面泵浦激光晶体的热效应进行了分析，计算了其热透镜焦距，分析了模式匹配，设计了W型折叠热稳腔，并通过谐振腔稳区的计算，有效的优化了热稳腔。11光电子课程设计第2章SESAM锁模激光器的基本原理2.1被动锁模激光器工作原理产生超短脉冲的一种有效方法是被动锁模

5、。此方法是把可饱和吸收体放在激光谐振腔内实现的。可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的，当光场较弱时吸收体对光吸收很强，因此光透过率很低；随着激光强度的增大，吸收体对光的吸收减少，当达到一特定值时，光几乎可以无损耗的通过，此时透过率几乎100%，从而强度越大的激光损耗越小，从而得到很强的锁模脉冲。它类似于被动Q开关，但又有区别，被动锁模要求可饱和吸收体的上能级寿命特别短。图1.1一般可饱和吸收体的吸收特性由于吸收体的吸收系数随着光强的增加而下降，所以高增益激光器所产生的高强度激光能使吸

6、收体饱和。如图1.1所示，可以看出激光通过吸收体的透过率T随光强I的变化情况。强信号的透过率比弱信号的大，只有很小部分被吸收体所吸收。强弱信号大致以吸收体的饱和光强Is来划分。大于Is的光信号为强信号，否则为弱信号。在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布是均匀的，但由于噪声的存在，还是有些起伏。由于吸收体有可饱和吸收的特性，弱的信号透过率小，受到的损耗大，而强的信号透过率大，受到的损耗小，且其损耗可以通过工作物质的放大得到补偿。所以光脉冲每经过吸收体和工作物质一次，其强弱信号的相对值就改变一次，在腔内多次循环后，极大

7、值与极小值之差会越来越大。脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效的通过，则使脉冲变窄。从频率域分析，开始时自发辐射的荧光以及达到阙值所产生的激光涨落脉冲，经过可饱和吸收体在噪声脉冲中的选择作用，只剩下高增益的中心波长及其边频，随后经过几次吸收体的吸收和工作物质的放大，边频信号又激发新的边频，如此继续下去，使得增益线宽内所有的模式参与振荡，于是便得到一系列周期为2L/c的脉冲序列输出。11光电子课程设计2.2半导体饱和吸收镜锁模相关理论半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模是随着半导体技术及材料的发展而发展起来的一种锁模

8、技术。由于半导体外延(epitaxy，包括分子束外延MBE和金属有机化学气相沉积MOCVD)技术的发展以及半导体材料在很宽的范围内可变的吸收带，使半导体可饱和吸收体成为非常有潜力的锁模器件。这种半导体可饱和吸收体可以用外延法直接生长在半导体布拉格反射镜上，因此被叫做可饱和半导体布拉格反射镜(SaturableBraggReflector，简称S