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LD泵浦的全固态高重频Nd:YVO4皮秒激光的产生、放大、频率变换及设备化样机研究

2020-12-02阅读(211)

LD泵浦的全固态高重频Nd:YVO4皮秒激光的产生、放大、频率变换及设备化样机研究

论文摘要

脉冲宽度为几皮秒至几十皮秒的超快激光在科学研究、生物医疗和工业加工中都有着广泛的应用,其中通过激光二极管泵浦的全固态皮秒激光器具有体积小、成本低、寿命长等优点,并且Nd:YVO4晶体也具有成本低、物理特性好、发射截面大等优点。采用半导体可饱和吸收镜被动锁模技术,基于Nd:YVO4的皮秒激光振荡器可以输出重复频率为MHz至GHz的锁模脉冲序列,再经过放大和非线性频率变换后,就可以得到具有高平均功率、大脉冲能量和不同波长的皮秒激光。本论文主要对二极管激光器泵浦的全固态高重频Nd:YVO4皮秒激光的产生、放大和频率变换进行了深入研究,并在这些研究的基础上进行了部分设备化研究,同时完成了多台超快激光器样机的设计与搭建。高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光在生物成像、高速光通信和高重频光学频率梳等科学研究中有着广泛的应用。为此开展了高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光研究,并设计搭建了高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光器,激光器由高重频振荡器和单通放大器组成,最终实现了3.24 GHz重复频率,11.38 W平均功率、11.4 ps脉冲宽度的高重频皮秒锁模激光输出。据我们所知,这是目前国际上GHz皮秒锁模激光实现的最高平均功率,相关工作已经发表在Chinese Physics B,2019,28（5）:054205上。重频倍增的高重频Nd:YVO4皮秒激光可以通过倍频产生高重频皮秒绿光,其可以作为高重频光学参量振荡器的泵浦源。为此开展了重频倍增的高重频Nd:YVO4皮秒激光的产生和倍频研究,并设计搭建了重频倍增的高重频Nd:YVO4皮秒激光器;激光器由种子源、四级重复频率倍增器、两级单通放大器和倍频部分组成。种子源为一个商用皮秒振荡器,其重复频率为68 MHz,平均功率为2 W,脉冲宽度为8.3 ps;最终得到了1.08 GHz重复频率、10.16 W平均功率、8.7 ps脉冲宽度高重频皮秒激光,并通过KTP晶体倍频后得到了2.51 W的高重频皮秒绿光,倍频效率为24.7%。据我们所知,这是目前国际上首次实现的皮秒高重频激光倍频输出。Nd:YVO4皮秒高重频放大激光是一种理想的科学研究与工业加工光源,可以用于光学参量放大、同步泵浦、激光加工等领域,特别是在硬质材料切割领域有着独特的优势。为此开展了Nd:YVO4皮秒激光高重频放大和频率变换的研究,并设计搭建了Nd:YVO4皮秒高重频激光放大器。激光器由种子源、高重频再生放大器、两级单通放大器和频率变换部分组成。最终得到了500 kHz重复频率、24 W平均功率、13.4 ps脉冲宽度的放大激光。并且在输入基频光平均功率为23.2 W时,利用LBO晶体实现了12.7 W的绿光和9.25 W的紫外激光,对应的倍频与三倍频效率分别为54.7%和39.6%。相关结果已经发表在物理学报2019,68（12）:124205上。当皮秒激光用于工业生产或科学研究时,就需要设计出稳定可靠的皮秒激光器产品。为此,在高重频皮秒激光研究的基础上,进行了可视化激光器外壳设计方法和粘贴式固定镜架等设备化研究,并利用这些设备化研究成果设计并搭建了包括紧凑型高功率Nd:YVO4皮秒振荡器粘贴镜架样机等在内的多台超快激光器样机。这些样机已经交由多家单位使用,并取得了不错的反馈。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号对照表
  • 缩略语对照表
  • 第一章 绪论
  •   1.1 全固态超快激光发展简述
  •     1.1.1 全固态激光技术特点与研究进展
  •     1.1.2 全固态超快激光的研究进展
  •   1.2 高重频锁模激光的研究进展
  •     1.2.1 高重频SESAM锁模皮秒激光的研究进展
  •     1.2.2 高重频SESAM锁模飞秒激光的研究进展
  •     1.2.3 高重频克尔透镜锁模激光研究进展
  •     1.2.4 重复倍增的高重频激光研究进展
  •   1.3 全固态皮秒激光放大研究进展
  •     1.3.1 高重频皮秒再生放大的研究进展
  •     1.3.2 高能量皮秒再生放大的研究进展
  •     1.3.3 皮秒激光脉冲行波放大的研究进展
  •   1.4 全固态皮秒激光的应用与市场前景
  •   1.5 本论文的主要研究内容
  • 第二章 全固态皮秒脉冲激光产生、放大与频率变换的基本原理
  •   2.1 可用于LD泵浦的常用超快激光增益介质
  •   2.2 锁模激光的基本原理
  •     2.2.1
  •     2.2.2 主动锁模的基本原理
  •     2.2.3 被动锁模的基本原理
  •     2.2.4 皮秒高重频锁模激光的基本原理
  •   2.3 超短脉冲激光放大的基本原理与结构
  •     2.3.1 再生放大的基本原理
  •     2.3.2 高重频再生放大中的倍周期分叉效应
  •     2.3.3 行波放大的基本原理
  •   2.4 皮秒激光频率变换的基本原理
  •     2.4.1 非线性光学基础
  •     2.4.2 三波混频方程
  •     2.4.3 相位匹配技术
  •   2.5 小结
  • 4皮秒锁模激光研究'>第三章 高功率高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光研究
  • 4皮秒振荡器研究'>  3.1 折叠腔结构高重频Nd:YVO4皮秒振荡器研究
  • 4皮秒振荡器的实验装置'>    3.1.1 折叠腔结构高重频Nd:YVO4皮秒振荡器的实验装置
  • 4皮秒振荡器实验结果及分析'>    3.1.2 折叠腔结构高重频Nd:YVO4皮秒振荡器实验结果及分析
  • 4皮秒锁模激光研究'>  3.2 高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光研究
  •     3.2.1 高重频振荡器实验装置介绍
  •     3.2.2 高重频皮秒振荡器实验结果及分析
  •     3.2.3 单通放大实验
  • 4皮秒锁模激光器样机'>    3.2.4 高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光器样机
  •   3.3 小结
  • 4皮秒绿光研究'>第四章 重频倍增的高重频Nd:YVO4皮秒绿光研究
  •   4.1 锁模激光重复频率倍增技术的研究
  •     4.1.1 锁模激光重复频率倍增的实验装置
  •     4.1.2 重复频率倍增器的实验结果及分析
  •   4.2 单通放大器的设计及实验结果
  •     4.2.1 单通放大实验装置设计
  •     4.2.2 单通放大实验结果及分析
  •     4.2.3 两级单通放大器样机
  •   4.3 高重频绿光产生的实验研究
  •     4.3.1 倍频晶体的选择
  •     4.3.2 倍频部分实验装置
  •     4.3.3 倍频实验结果及分析
  •   4.4 小结
  • 4皮秒激光的高重频放大及频率变换研究'>第五章 Nd:YVO4皮秒激光的高重频放大及频率变换研究
  • 4再生放大的实验研究'>  5.1 高重频Nd:YVO4再生放大的实验研究
  •     5.1.1 高重频再生放大的实验装置
  •     5.1.2 高重频再生放大的实验结果及分析
  • 4皮秒高重频激光放大器中单通放大的实验研究'>  5.2 Nd:YVO4皮秒高重频激光放大器中单通放大的实验研究
  • 4皮秒放大激光的频率变换的实验研究'>  5.3 高重频Nd:YVO4皮秒放大激光的频率变换的实验研究
  •     5.3.1 高重频皮秒放大激光频率变换实验中非线性晶体的选择
  •     5.3.2 高重频皮秒放大激光器频率变换的实验装置
  •     5.3.3 频率变换实验的结果及分析
  •   5.4 小结
  • 4皮秒振荡器样机及设备化研究'>第六章 高功率Nd:YVO4皮秒振荡器样机及设备化研究
  • 4皮秒振荡器概述'>  6.1 高功率Nd:YVO4皮秒振荡器概述
  •   6.2 可视化激光器外壳设计方法
  •     6.2.1 可视化激光器外壳设计的基本原理
  •     6.2.2 可视化激光器外壳设计方法的优势
  •   6.3 粘贴式固定镜架
  •     6.3.1 粘贴镜架的基本方法
  •     6.3.2 粘贴式固定镜架的特点与优势
  • 4皮秒振荡器样机'>  6.4 紧凑型高功率Nd:YVO4皮秒振荡器样机
  •   6.5 基于设备化研究成果设计的其他样机
  • 4皮秒激光放大器样机'>    6.5.1 高能量Nd:YVO4皮秒激光放大器样机
  • 4激光器样机'>    6.5.2 皮秒绿光Nd:YVO4激光器样机
  • 4激光器样机'>    6.5.3 皮秒行波放大Nd:YVO4激光器样机
  • 4紫外激光器样机'>    6.5.4 皮秒行波放大Nd:YVO4紫外激光器样机
  •     6.5.5 全固态飞秒SESAM锁模振荡器样机
  •     6.5.6 飞秒克尔透镜锁模振荡器样机
  •   6.6 小结
  • 第七章 总结与展望
  •   7.1 论文总结
  •   7.2 未来展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简介

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 程梦尧

    导师: 魏志义

    关键词: 全固态激光,皮秒激光,非线性光学

    来源: 西安电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 西安电子科技大学

    分类号: TN248

    DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003187

    总页数: 149

    文件大小: 22237K

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