超快激光器论文

超快激光器I全固态锁模激光器谐振腔设计摘要：超快激光是激光中的一种脉冲波在皮秒、飞秒量级上的激光，在如此短的时间内产生的脉冲波我们可以预料到一定会有许多特别的的性质,这就为我们的科学实验带来了许多帮助。同时超快激光技术为交叉学科的发展也提供了创新手段与方法。锁模激光器是实现超快激光输出的重要手段，而锁模激光器中的谐振腔设计是影响激光运转性能的重要因素。本文主要是以Nd:GdVO4晶体为增益介质，SESAM作为锁模器件，设计了针对1.3μm锁模的Z型谐振腔，计算了腔内振荡激光的光斑分布，实现了与泵浦光的模式匹配，并在SESAM处获得了合适的聚焦效果。关键词:超快激光锁模激光谐振腔设计Solid-statemode-lockedlaserresonatordesignAbstract:Ultrafastlaseristhepulsesthathavethepulsedurationinpicosecondorfemtosecondregion.Itcanbeexpectedthattherewillbemanyspecialpropertiesinsuchashortperiodoftime,whichbroughtalotofhelpforourscientificexperiment.Atthesametime,ultrafastlasertechnologyalsoprovidesinnovativemeansandmethodsforthedevelopmentofinterdisciplinary.Mode-lockedlaserisanimportantmeanstoachieveultrafastlaseroutput.Theresonatordesignforthemode-lockedlaserplayanimportantroleinthelaseroperation.ExploitingNd:GdVO4crystalasgainmediumandSESAMasthemode-lockingdevice,wedesignedaZ-typeresonantcavityforthe1.3μmmode-lockedlaser.Laserbeamradiusofcirculatingradiationinthecavitywerecalculated.ThecorrespondingresultsshowedthatappropriatefocusingeffectatSESAMandthemode-matchingbetweenthepumpandcirculatinglaserwererealizedinthedesignedcavity.Keywords:ultrafastlaserthemode-lockedlaserresonatordesign超快激光器II目录摘要...........................................................................................................................IABSTRACT....................................................................................................................I第一章绪论...............................................................................................................11.1超快激光器的发展...............................................................................................21.2锁模技术的发展...................................................................................................31.2.1常用锁模技术................................................................................................31.2.2超快锁模技术................................................................................................4第二章SESAM锁模激光器的模式基本原理..........................................................72.1SESAM锁模的全固态激光器进展........................................................................72.2模式的匹配...........................................................................................................92.3被动锁模激光器工作原理...................................................................................9第三章超快皮秒激光器及谐振腔设计.....................................................................123.1Haus主方程..........................................................................................................123.2自动调Q不稳定性的抑制.................................................................................133.3谐振腔结构设计...................................................................................................15致谢词........................................................................................................................18参考文献.....................................................................................................................19超快激光器1第一章绪论超快脉冲（脉宽为10-12-10-15s）具有极短持续时间，极高峰值功率、极宽光谱等特点，在工业、军事、环境、能源、通讯等众多领域得到了广泛应用。极短的脉冲让人类第一次观察到了原子和分子尺度的超快运动过程，为探索微观世界开辟了道路。极高的峰值功率可以产生极端的物理条件，让模拟宇宙大爆炸、太阳中心温度、核爆等一些极端现象成为可能。由于超快激光作用时间极短、热影响区极小，因此可在在医疗或切除病变组织的同时保证周围正常组织不受到损伤。而且可调谐的超快激光器可以选择不同的波长，来适应不同病变组织的治疗要求。除了在医学方面，超快激光在其他相关科学领域也带来了一场革命，产生了强场物理学、超快非线性光学、精密计量学、超精细冷加工等一系列新兴前沿学科和技术。迄今为止，在超快激光技术有关的科研领域已经产生了两项诺贝尔奖。美国加州理工学院泽维尔教授（AhmedH.Zewail）在80年代末用飞秒激光成功拍摄下了化学反应的图像，用于研究化学反应中的超快过程，并因此获得了1999年诺贝尔化学奖。这项工作同时也开辟了一门新的学科——飞秒化学。美国科罗拉多大学教授霍尔和德国慕尼黑大学教授汉施利用超快激光实现了光学频率梳，其测量精度比微波原子钟要高100倍。他们因对激光精密光谱学的贡献而与量子光学之父格劳伯（Rey.J.Glauber）共同获得了2005年诺贝尔物理学奖。可见，超快激光的研究对科学和社会发展具有重要价值和深远意义，已经是当前科学研究的重点之一。本章阐述了超快锁模激光研究的进展；介绍了几种重要锁模技术和激光增益晶体。最后给出本论文的主要研究内容及创新点。1.1超快激光器研究进展激光的理论基础可以追溯到1917年爱因斯坦在量子理论的基础上提出的受激发射或吸收和1958年汤斯和肖洛提出利用尺度远比波长大的开放式光谐振腔实现激光器的新思想开始,在1960年R.Newman发明第一台红宝石激光器的同一年,他超快激光器2就提出了激光二极管泵浦固体激光器的思想,并于1963年发现GaAs二极管可以发出近880nm辐射光,同时,他用GaAs发光二极管(LED)泵浦掺钦离子的钨酸钙晶体(Nd:cawo4)得到出I2]1.06um的荧光输出，1968年麦道航空公司的Ross在170K低温环境下,实现了第一台用LD泵浦的Nd:YAG激光器[3]，在20世纪70年代,Jackson和Rice用短脉冲泵浦得到了准连续输出[4],1974年Conant等人提出用半导体激光器列阵来抽运Nd:YAG[5],由于LD本身的输出功率和转化效率都很低,使激光器的发展受到了很大的阻碍,纵观20世纪70年代,DPSSL激光器基本上没有大的突破,DPSSL在技术上的进步被LD泵浦源本身的低功率和低转换效率妨碍了,另一方面LD的光束发散角大,单色性差,波长也单调,且难以在室温下运转,因此DPSSL性能与输出功率无法与灯泵或其他激励方式泵浦的激光器相比,这种状况持续到80年代中期,除了低功率LD直接用于通讯信息存储等方面外,激光二极管泵浦固体激光器的发展非常的缓慢.直到进入20世纪80年代,随着LD及LDA性能的改善,使得激光二极管泵浦固体激光器的发展重新充满了活力.由于LD吸收了半导体物理研究的新成果,采用了量子阱(QW:QuantUmWOll)新结构材料,同时发展了晶体生长技术新工艺，如金属有机有机物化学气相淀积技术新工艺,和分子束外延(MBE:MolecularBeamExpitaxy)等芯片制造工艺,半导体激光器件(LD)的工作特性,无论是激光功率!阐值电流,还是运转条件输出稳定性等都有了显著的改善,极大地推动了全固体激光技术的发展,1982年,Kubdera和Noda首次用GaAlAs量子阱泵浦LiNdP4O12得到波长1.3um,功率为1.4mw的单纵模激光束[6],他们首次用光纤把泵浦能量耦合到激光工作介质,使得激光头能够具有很小的体积,从而非常适合作为光纤通讯系统中的发射源，此后,国际上便掀起了一个关于DPSSL器件的研究热潮,1985年,周炳混及其同事用LD泵浦Nd:YAG整体腔(腔镜直接镀在YAG两端面),得到了稳定度比闪光灯泵浦高一个量级的激光束[7]。进入20世纪90年代以后,由于大功率LDA的发展,以及DPSSL整体设计上的优化,固体激光器又得到了进一步的发展,并且应用在很多领域,而且得到了开拓DPSSL不仅能够实现传统固体激光器的各种性能,还能在光束质量、稳定性、可靠性等诸多方面实现较大程度的改善,而且随着高的平均输出功率、高稳定性、高的转换效率的激光二极管阵列的出现,激光二极管抽运的激光器开始进入了飞速发展阶段，1995