【摘要】：具有高功率、寬調諧以及窄脈寬的超快激光在工業精密加工、受控核聚變、光通信、生物醫學等領域有廣泛的應用前景。探索新型的結構緊湊、性能優異的超快超強光源已經成為科研領域的重要方向。近些年來,隨著激光二極管(LaserDiode,LD)制備工藝日益成熟,其直接泵浦的亞皮秒到幾十飛秒全固態激光器已經成為激光領域一大研究熱點。作為固體激光的重要組成部分,激光晶體材料對激光器性能起到決定性作用。到目前為止,通過自鎖模實現幾個飛秒激光輸出的摻鈦藍寶石(Ti:sappire)晶體仍然是近紅外波段(~800nm)應用最廣泛的超快晶體材料。但是鈦寶石對于泵浦源要求嚴格,不適合LD直接泵浦,使其結構龐大,維護困難。這也推動著人們尋找新型的激光晶體,期待它既有寬光譜的性質,同時又能克服鈦寶石晶體的缺點。近些年來,四能級結構摻釹(Nd~(3+))氟化物無序晶體得到人們關注。多樣化的電荷補償方式產生豐富對稱性的晶格結構,使得該類晶體具有非常寬的吸收和發射光譜,有利于LD直接泵浦產生超快可調諧激光。本文主要研究了Nd~(3+)摻雜的氟化鍶(SrF_2)無序結構激光晶體光譜特性,以LD端面泵浦方式,研究了新型摻Nd~(3+)氟化鍶無序晶體的超快激光特性。主要研究內容如下:1.回顧了超快激光的特點和應用。分析產生超快激光的鎖模技術以及測量脈沖寬度的自相關法。闡述全固態鎖模激光諧振腔的設計思路。調研了寬光譜摻Nd~(3+)無序結構激光晶體的特點和發展。研究了近些年來應用在超快激光領域的新型納米材料可飽和吸收體。2.Nd,Y:SrF_2透明陶瓷被動調Q實驗研究。基于Nd,Y:SrF_2單晶,采用熱壓工藝獲得Nd,Y:SrF_2激光透明陶瓷。首次實現基于該陶瓷的連續和調Q脈沖激光運轉。以Cr4+:YAG為被動調Q開關,獲得最短脈寬為169ns,單脈沖能量為19.2μJ的脈沖激光輸出。3.Nd,La:SrF_2無序晶體超快激光特性研究。為了打破SrF_2晶體中的Nd~(3+)—Nd~(3+)團簇,向Nd~(3+):SrF_2晶體中共摻適當濃度的緩沖離子La~(3+),獲得了寬光譜無序結構的Nd,La:SrF_2激光晶體。首次系統研究了LD端面泵浦Nd,La:SrF_2無序晶體的連續、調諧、被動調Q和連續鎖模激光特性。獲得了平均輸出功率達1.234W,斜效率達50.6%的連續激光輸出;連續調諧范圍為24.1nm,調諧曲線平滑;研究新型低維納米材料金納米雙錐的非線性吸收特性,將其作為可飽和吸收材料,實現了最短脈寬為1.15μs穩定的調Q脈沖激光輸出;以SESAM為被動鎖模元件,獲得了穩定的連續鎖模激光運轉,脈沖半高寬為739fs。4.Nd,Gd:CaF_2/Nd,Gd:SrF_2雙波長同步鎖模激光研究。將緩沖離子Gd~(3+)共摻到Nd:CaF_2和Nd:SrF_2晶體中,不僅極大的減弱Nd~(3+)團簇效應,還使得它們的晶格格位更為豐富,熒光強度進一步提高,譜線非均勻展寬。Nd,Gd:CaF_2和Nd,Gd:SrF_2晶體具有良好的熱學性能和光學性能,其分裂的光譜特點非常有利于雙波長或多波長脈沖激光輸出。采用LD端面泵浦,以SESAM為被動鎖模元件,實現了Nd,Gd:CaF_2和Nd,Gd:SrF_2雙波長同步鎖模激光運轉。雙波長同步鎖模脈沖激光作為太赫茲波的光源,有重要的研究價值。
[Abstract]:Ultra-fast lasers with high power, wide tuning and narrow pulse width have wide application prospects in industrial precision machining, controlled nuclear fusion, optical communication, biomedicine and other fields. With the development of fabrication technology, direct-pumped sub-picosecond to tens of femtosecond all-solid-state lasers have become a hot research topic in the laser field. As an important part of solid-state lasers, laser crystal materials play a decisive role in laser performance. Titanium-doped blue (Ti-Br) laser output from several femtosecond lasers has been realized by self-mode-locking so far. Ti: Sappire crystal is still the most widely used ultrafast crystal material in the near infrared band (~800nm). However, Ti: Sappire is not suitable for direct LD pumping because of its strict requirements for the pump source, which makes its structure huge and difficult to maintain. The disadvantages of stone crystals. In recent years, four-level neodymium-doped (Nd~ (3+) fluoride disordered crystals have attracted considerable attention. Various charge compensation methods have generated a rich symmetry of the lattice structure, making these crystals have a very wide absorption and emission spectrum, which is conducive to LD direct pumping to produce ultra-fast tunable lasers. The spectroscopic properties of Nd~ (3+) doped SrF_2 disordered laser crystals were studied by LD end-pumping. The main contents are as follows: 1. The characteristics and applications of ultrafast lasers were reviewed. The mode-locking technique for producing ultrafast lasers and the self-measurement of pulse width were analyzed. Correlation method. The design idea of all-solid-state mode-locked laser resonator is described. The characteristics and development of wide-spectrum Nd~ (3+) doped disordered laser crystals are investigated. The saturable absorbers of new nano-materials used in ultra-fast laser field in recent years are studied. Nd, Y: SrF_2 laser transparent ceramics were obtained by hot pressing. Continuous and Q-switched pulse laser operation based on the ceramics was realized for the first time. Nd, La: SrF_2 laser crystals with wide spectrum disordered structure were synthesized by co-doping Nd ~ (3 +) clusters with buffer ions of appropriate concentration La ~ (3 +) into Nd ~ (3 +): SrF_2 crystals. The characteristics of LD end-pumped Nd, La: SrF_2 disordered crystals, such as continuous, tunable, passively Q-switched and continuous-mode lasers, were systematically investigated for the first time. CW laser output with a rate of 50.6%; CW tuning range of 24.1 nm and smooth tuning curve; the nonlinear absorption properties of gold nano-bipyramid as a saturable absorbent material were studied, and the stable Q-switched pulse laser output with a minimum pulse width of 1.15 MS was achieved; and the passive mode-locked element SESAM was used to achieve stable lasing. Continuously mode-locked lasers with half-width of 739 fs.4.Nd, Gd:CaF_2/Nd, Gd:SrF_2 dual-wavelength synchronous mode-locked lasers have been studied. The addition of buffer ions Gd~ (3+) into Nd:CaF_2 and Nd:SrF_2 crystals not only greatly weakens the Nd~ (3+) cluster effect, but also enriches their lattice sites, enhances the fluorescence intensity and broadens the spectral lines unevenly. Nd, Gd: CaF_2 and Nd, Gd: SrF_2 crystals have good thermal and optical properties, and their splitting spectral characteristics are very favorable for dual-wavelength or multi-wavelength pulse laser output. As the light source of terahertz wave, laser has important research value.
【學位授予單位】：山東師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN24

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本文編號：2243102