半导体可饱和吸收镜实现超短高功率脉冲激光研究进展

介绍了半导体可饱和吸收镜(SESAM)的基本结构及使用半导体可饱和吸收镜被动锁模固态激光器的基本原理。综述了利用半导体可饱和吸收镜被动锁模薄片式固态激光器及光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器,获得高平均输出功率超短脉冲的最新进展,并指出量子点半导体可饱和吸收镜的使用将加速超短高功率脉冲的发展。

飞秒激光脉冲技术的发展和应用

飞秒脉冲固体激光技术是９０ 年代以来发展起来的新的技术热点，运用所谓克尔透镜锁模原理以及色散补偿技术，人们可以轻易地从振荡器中获取小于１０ 飞秒的光脉冲。与此同时，掣波脉冲放大已经把脉冲的峰值功率提高到兆兆瓦水平。这些进步又推动了飞秒光脉冲的应用。本文简要地回顾了飞秒脉冲技术的发展过程和现状，以及某些应用。

飞秒被动锁模环形腔掺Er^(3+)光纤激光器

在考虑增益、损耗、群速度色散、自相位调制、快速可饱和吸收体等各种参数同时作用情况下,分析了非线性偏振旋转效应自启动锁模机理,研究了腔体参数与锁模脉冲之间的关系,并给出飞秒被动锁模环形腔掺E r3+光纤激光器实验原理。实验采用性能稳定的980 nm半导体激光器作为抽运源,高掺杂短长度掺E r3+光纤作为增益介质,利用非线性偏振旋转锁模技术,得到了稳定的飞秒自起振锁模光脉冲。抽运功率为23 mW时,激光器输出锁模脉冲中心波长1 552 nm,3 dB带宽为7.6 nm,重复频率14.0 MH z,平均输出功率0.43 mW,自起振锁模泵浦阈值功率11.5mW,并观测到了稳定的高阶锁模脉冲输出。该激光器与报道过的相同结构光纤激光器相比,自起振泵浦阈值低、脉冲能量高、稳定性好,且频谱边带幅度小。

全固化自锁模飞秒激光器实验研究

采用结构紧凑的固体二极管泵浦内腔倍频的NdYVO4激光器作泵浦源 ,长度为 3mm的钛宝石晶体作增益介质 ,利用石英棱镜对腔内色散进行补偿 ,在腔内未加其它任何调制、振荡或启振元件时实现了全固化飞秒激光器的软光阑自锁模稳定运转 .测得脉冲的中心波长为 81 6nm ,光谱半宽为 85nm ,可支持的变换极限脉冲宽度约 7 8fs .动态测量分析了自锁模对激光器运行特性 (含输出功率 ,光斑强度分布等 )的影响 .

弥散补偿飞秒激光器

本文介绍一套CW锁模内腔倍频Nd:YAG激光器同步泵浦弥散补偿飞秒激光系统。该激光系统能够稳定地产生持续期38fs、重复频率200MHz、平均输出功率20mW的光脉冲。本文还讨论了泵浦源的结构。

Nd^(3+):YAG脉冲固体激光器的研制

本论文结合实验需要,根据激光器的基本原理设计了一套脉冲固体激光系统。通过本论文,对固体脉冲激光器的一些基本原理,基本组成,调Q理论和选模理论有了更清晰的认识,并基本掌握了Nd3+:YAG脉冲激光器选择输出模式的方法。

高功率掺钕钒酸钇参量克尔透镜锁模振荡器(特邀)

全固态被动锁模振荡器具有脉冲能量高、稳定性好的特点,研究了高功率掺钕钒酸钇(neodymium doped yttrium vanadate,Nd:YVO_(4))参量克尔透镜锁模振荡器。该振荡器中的参量克尔效应来自于光在三硼酸锂(lithium triborate,LBO)中产生的级联二阶非线性效应。结果表明,参量克尔透镜锁模振荡器能够实现自启,获得了输出的总平均功率为20 W、重复频率为79.3 MHz、脉冲宽度为22 ps的激光。

LD侧面泵浦半导体可饱和吸收镜被动锁模激光器

利用半导体可饱和吸收镜锁模技术,在半导体激光侧面抽运Nd∶YAG晶体固体激光器Z型腔结构中实现了连续锁模运转,获得输出功率356mW、重复频率101 MHz、单脉冲能量3.49nJ、脉冲宽度23.4ps和中心波长1 064nm的皮秒锁模激光输出,测得光束质量M2因子约1.2.为了提升锁模脉冲的平均单脉冲能量,实验研究了声光调Q开关与半导体可饱和吸收镜同时作用的调Q锁模激光器,在提高锁模脉冲稳定性的同时,将锁模平均单脉冲能量提高到406nJ,为连续锁模脉冲的116倍.

基于石墨烯的1064nm连续锁模超短脉冲激光器

介绍了利用沉积在增透镜上的石墨烯薄膜作为可饱和吸收体、808nm激光二极管端面泵浦Nd∶YVO4晶体的1 064nm连续锁模激光输出特性。采用W型折叠谐振腔结构,在808nm泵浦功率为8.0 W时,有稳定的连续锁模脉冲输出,平均输出功率达到185mW;当抽运功率增加到16.0W时,获得了中心波长1 063.4nm、脉冲宽度为518fs、重复频率为66.7MHz、最大平均输出功率为323mW的百飞秒量级超短脉冲激光输出。实验结果表明:石墨烯具有优良的可饱和吸收性,在1 064nm波段能够实现高功率、百飞秒量级连续锁模脉冲激光输出。

LD泵浦的高重复频率全固态飞秒激光器(特邀)

GHz飞秒激光器相比于传统的百MHz飞秒激光器,其频域中相邻纵模的间隔更大、可分辨率更高,相同光谱范围内纵模密度更小,每个纵模分得的平均功率相对更高,在梳齿可分辨光谱学、直接频率梳光谱学、光学任意波形产生以及天文摄谱仪校准等诸多领域有着更重要的应用价值。文中从GHz飞秒脉冲的产生方案出发,着重对激光二极管泵浦的GHz重复频率全固态飞秒激光的产生方案以及相应的技术挑战进行了详细介绍,然后重点综述了国际上基于SESAM被动锁模以及克尔透镜锁模全固态GHz飞秒激光器的研究进展,并结合笔者所在课题组取得的初步研究结果对全固态GHz重复频率飞秒激光器的应用价值以及笔者所在课题组的研究目标进行了展望。

全固态飞秒光学频率梳研究进展及展望

自1999年至今,光学频率梳(Optical Frequency Comb,OFC)经历了二十多年的快速发展。基于飞秒激光的光学频率梳在频率计量学、超快光谱学、光学频率标准、阿秒脉冲的产生、多脉冲时域合成等众多前沿研究领域中发挥了不可替代的作用。特别是继飞秒钛宝石激光频率梳、飞秒光纤激光频率梳之后,基于二极管激光直接泵浦的全固态飞秒激光频率梳由于兼具钛宝石激光噪声低、重复频率高,光纤激光结构紧凑、电光效率高的共同优势,引起了许多研究组的兴趣,并取得系列有意义的进展。本文综述了全固态光学频率梳的发展和已取得的典型应用,并结合笔者所在课题组取得的研究成果,对全固态光学频率梳未来的发展方向进行展望,为促进全固态飞秒锁模振荡器的发展提供借鉴。

1764nm调Q锁模自拉曼激光器研究

报道一种结构简单紧凑的二阶Stokes自拉曼调Q锁模固体激光器.采用光纤耦合输出的大功率激光二极管,单端泵浦掺Nd原子数分数为0.3%的Nd∶YVO_4晶体,在重复频率为20 k Hz,泵浦功率为22 W时,得到波长为1 764 nm、平均功率为0.215 W、锁模脉宽为12 ps及单脉冲能量为5.44μJ的激光输出,其峰值功率达到453 k W.

GHz瓦级全固态克尔透镜锁模Yb:CYA飞秒激光器(特邀)

掺镱氯酸钆钙(Yb:CaYAlO_(4),简称Yb:CYA)晶体具有生长容易、增益曲线宽广平坦以及比热容高和导热性好等优点,是产生飞秒超短脉冲的优异介质晶体。本文介绍了一种基于Yb:CYA晶体的全固态克尔透镜锁模GHz飞秒振荡器,采用功率为8 W的980 nm光纤激光作为泵浦源,腔型为四镜环形腔结构,Yb:CYA晶体厚度为3 mm。该振荡器能够产生中心波长1051 nm、平均输出功率1.7 W的GHz飞秒脉冲,脉冲宽度为207 fs。基于Yb:CYA晶体的振荡器实现了GHz重频瓦级飞秒脉冲输出,为进一步基于此振荡器实现高重频飞秒光学频率梳打下了坚实基础。

克尔透镜锁模固体激光器在半导体吸收中产生亚10fs脉冲理论研究

介绍了连续波克尔透镜锁模固体激光器在半导体饱和吸收体中产生超短脉冲的结果。在考虑吸收体-脉冲相干相互作用的理论框架里解释了超短脉冲的产生。根据耦合广义Landau-Ginzburg方程和Bloch方程对相干吸收体构造了解析模型。研究发现,当KLM不存在时半导体吸收体会产生非2π-双曲正割脉冲的自感应透明,KLM存在时则产生超短2π-双曲正割脉冲,KLM的出现会消除掉吸收体的最小调制度的限制。

10kHz腔倒空锁模皮秒激光器研究

将半导体可饱和吸收体(SESAM)锁模技术与腔倒空技术结合,采用半导体端面抽运方式实现了具有高重复频率、大单脉冲能量的皮秒激光器的运转。从理论上分析了腔倒空锁模输出的机理,建立起腔倒空锁模激光器运行的物理图像,并对影响激光器倒空率的一些因素进行了研究。实验上,实现端面抽运Nd∶YVO4晶体的SESAM连续锁模后,在锁模腔内插入BBO电光调制晶体,获得10 kHz腔倒空皮秒锁模脉冲输出。当抽运光功率为14.1 W时,输出锁模脉冲的单脉冲能量为6.5μJ,脉冲宽度为10.4 ps。

半导体可饱和吸收镜被动锁模侧面抽运Nd∶YAG激光器研究

利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模技术实现的超快脉冲激光器具有结构简单紧凑、脉冲序列稳定等优势,在许多领域有着重要用途,自问世以来受到国内外的广泛关注。分析了SESAM被动锁模侧面抽运固体激光器的具体要求,进行了不同条件下的SESAM被动锁模侧面抽运Nd∶YAG激光器实验。获得了最高平均功率9.5 W,脉冲重复频率71 MHz,单脉冲能量约141 nJ的皮秒激光脉冲。对SESAM被动锁模侧面抽运Nd∶YAG激光器进行了实验和理论分析,对实现高功率连续超短脉冲激光器进行了探讨。

高功率被动锁模2.0μm掺铥飞秒脉冲光纤激光器

报道了高功率半导体可饱和吸收镜被动锁模的2.0μm掺铥飞秒脉冲光纤激光器的实验结果。该光纤激光器利用半导体可饱和吸收镜与宽带全反射镜来构成线型法布里-珀罗腔,自制的1550nm连续掺铒光纤激光器作为激光抽运源。当抽运功率为312mW时,开始得到稳定的重复频率为53MHz的锁模激光脉冲串。当抽运功率增加到472mW时,得到的最大平均输出功率为50mW,相应的最高单脉冲能量为0.94nJ;此时测得锁模激光脉冲的宽度为907fs,激光的中心波长为1939.5nm,3dB光谱带宽为4.6nm。

输出高重复频率脉冲列的全固态激光器

报道了利用声光振幅调制锁模的方法,在激光二极管端面抽运Nd∶YVO4激光器上获得320MHz高重复频率脉冲列的实验结果。实验采用平平腔结构,腔长452mm,耦合输出镜透过率为3.6%。所用声光介质为熔融石英晶体,以铌酸锂作换能器,在驱动功率4.5W时,对1064nm波长衍射效率为5%,相应的调制深度为0.31。在最佳锁模状态下,激光二极管抽运功率为3.5W,此时激光平均输出功率为15mW,示波器记录脉冲宽度680ps,实测光束质量因子M2小于1.5。并在实验基础上对激光器工作的稳定性进行了分析,结果表明在腔长变化不超过±100μm时,输出波形仍是稳定的。

双饱和吸收镜被动锁模脉冲动力学过程分析

利用两片半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现了稳定的被动锁模激光运转,获得了比单SESAM连续波锁模脉宽更窄、长时间运转稳定性更高的皮秒脉冲。理论上利用分步傅里叶变换法数值求解描述饱和吸收体被动锁模动力学过程的Haus主方程,模拟了双SESAM被动锁模的脉冲演化过程,分析了锁模激光脉冲形成过程与双SESAM可饱和吸收损耗系数q1和q2的关系,并计算得到了锁模脉冲宽度和锁模稳定区域等参数。计算结果与实验结果较为吻合。

大模场面积光子晶体光纤激光器展宽脉冲锁模域的束缚态运转

实验研究了大模面积光子晶体光纤飞秒激光器在近零色散点展宽脉冲锁模的束缚态运转。获得了双脉冲束缚态锁模,以及脉冲间隔不相等的多脉冲束缚态锁模,实验发现束缚态的子脉冲间距具有随机性。通过建立光纤锁模激光器的数值模型,分析了激光器束缚态锁模建立的动力学过程,在一定抽运强度下,激光器存在多个稳态,或者单脉冲运转,或者子脉冲间隔不相等的束缚态运转,这取决于锁模建立阶段半导体可饱和吸收镜(SESAM)对噪声信号的随机提取。并提出了抑制束缚态的方法,模拟得出此项技术可直接获得的最大单脉冲能量为19.6 nJ,考虑到40%左右的压缩损耗,可得到压缩至76 fs的最短脉冲,单脉冲能量为11.8 nJ。数值模拟结果能很好的与实验相符合。