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超快激光器有许多优异的特性,例如超短脉宽(10-12-10-15秒)、高峰值功率和宽光谱等。这使得全固态超快激光器在科研及工业领域有着重要的应用。尤其在与激光放大技术结合后,高脉冲能量、超高峰值强度的超短脉冲可以为众多学科领域研究提供前所未有的实验手段和极端物理条件,并被广泛应用于物理、工程、化学、生物以及工业生产等多个领域。其中,全固态超快激光器以其结构紧凑、成本低廉等特点成为近年来最热门的研究领域之一。
掺Yb3+晶体激光器在1μm波段优异的激光性能,使其可以实现高功率、大能量和超短脉冲激光输出,近年来引起了人们广泛的关注。为了开发高效稳定、高功率的全固态掺Yb3+超快激光振荡器,并在此基础上进一步开发研究全固态掺Yb3+超快激光放大器,本论文基于一些新型掺Yb3+晶体开展了系统的激光实验研究。主要的创新成果概括如下:
1、Yb:SSO晶体激光性能表征及高功率连续锁模运转研究
首先,采用LD泵浦对Yb:SSO晶体进行了连续及调谐激光实验研究。当晶体吸收泵浦功率为9.3W时,得到了功率3.55W,中心波长1062.3nm的最佳输出,对应的斜率效率为44.9%。我们通过加入一块SF10棱镜来进行波长调谐。得到的调谐范围是1034.0至1089.7nm,总调谐宽度为55.7nm,表明该晶体可支持超快激光运转。
以半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模元件,首次实现了被动锁模的皮秒激光运转。我们使用不同饱和吸收的SESAM来进行锁模实验。分析了SESAM的调制深度对锁模稳定性及输出脉宽的影响。最终获得了脉宽2.3ps,平均功率1.87W的连续锁模脉冲输出。若在进一步的实验中优化选择SESAM的参数以及使用晶体放置在腔的一端的谐振腔模式,Yb:SSO晶体将非常有潜力实现高效稳定、高功率的亚皮秒输出。
2、高功率Yb:KGW飞秒锁模激光性能研究
基于Yb:KGW晶体进行了高功率飞秒锁模实验研究。通过优化SESAM上的能量密度,在泵浦功率为12.5W时,我们获得了平均功率2.4W,脉宽350fs,重复频率53MHz的输出,对应的光-光转化效率是19.2%。这是目前我们所知的在单端泵浦的块状Yb:KGW晶体飞秒激光器中,最高的光-光转化效率。
3、新型掺Yb激光晶体Yb,Na:PbF2的激光性能研究
首次对Yb,Na:PbF2晶体连续运转下激光输出特性进行了实验研究。我们使用透过率分别为1%,3%,4%,7%的输出镜来寻求最佳输出。在输出透过率为4%,晶体吸收的泵浦功率为17.9W时,在1056nm波段获得了最大功率2.37W的输出。对应的激光斜率效率为17.4%,光-光转换效率为15.8%。实验研究发现,Yb,Na:PbF2晶体有良好的光学性能和极高的热导率,是很有潜力的激光晶体。要获得高效高功率的激光输出,需要优化激活离子Yb3+的掺杂浓度以及Na+-Yb3+的掺杂比。