论文摘要
可见光波段的脉冲激光特别是高功率的脉冲绿光在很多的领域都具有重要应用。目前,激光二极管（LD）泵浦的自倍频被动调Q技术是获得高功率脉冲绿光的重要途径之一,它具有装置简单、紧凑,成本低廉以及脉冲峰值功率高等优点。自倍频激光晶体和可饱和吸收体是这个技术中关键的两个元件,Nd:YCOB、Nd:GdCOB和Nd:CNGS晶体是综合性能优异的自倍频激光晶体,在连续波谐振腔内插入合适的可饱和吸收体,可实现高功率脉冲绿光输出。2004年,石墨烯的成功剥离为人们打开了二维材料的大门,越来越多的二维材料走进了人们的视野。二维材料具有不同于体块材料的诸多独特的性质,比如大的带隙,与层数相关的性质,宽带的可饱和吸收特性以及大的调制深度等。2009年石墨烯薄膜制成的可饱和吸收体在光纤激光器中成功实现了被动锁模脉冲输出,这给发展缓慢的可饱和吸收材料带来了新的希望和契机。大量的二维材料陆续被用于1～3μm波段激光的被动调Q,并得到了与传统的可饱和吸收体相近的结果。然而,与连续基频激光相比,连续自倍频激光具有一定劣势,因而至今未见二维材料可饱和吸收体被用于自倍频激光的被动调Q。针对这一问题,本论文将具有优异自倍频激光性能的晶体与二维薄膜材料制成的可饱和吸收体相结合,在充分研究其非线性性质的基础上,实现了多种新型的被动调Q自倍频激光输出。以下为本论文的主要内容:（1）Nd:YCOB、Nd:GdCOB和Nd:CNGS自倍频晶体非线性性质的研究研究了Nd:YCOB、Nd:GdCOB和Nd:CNGS晶体的倍频相位匹配特性,计算了Nd:YCOB和Nd:GdCOB晶体的位相匹配方向和全空间方向的有效非线性系数,并考察了非线性系数的各独立分量对整体有效非线性系数的大小和分布的影响,计算了Nd:CNGS晶体的有效非线性系数的色散特性。结果表明Nd:YCOB、Nd:GdCOB晶体的相位匹配方式在第一、二卦限是对称的,且它们在Nd3+离子的发射峰1064 nm处的I类倍频的最大的有效非线性系数都出现在第二卦限,它们的值分别为1.4 pm/V和1.3 pm/V,对应的相位匹配角为（113°,37°）和（113°,47.6°）。Nd:YCOB晶体的II类倍频的最大的有效非线性系数也出现在第二卦限,对应的最大的有效非线性系数值为0.32 pm/V,对应的相位匹配角为（112°,81°）。Nd:GdCOB晶体在1064 nm波长处不存在II类相位匹配。Nd:YCOB、Nd:GdCOB晶体在第一、二卦限的空间有效非线性系数分布均是由四个极值峰组成,它们的面积分布和相对大小都是基本一致的,只是具体的|deff|值存在差异。在Nd:YCOB晶体中,d13和d3如系数值的变化对整个|deff|分布的影响最大,峰的分布面积以及|ddff|值的大小都随它们的变化而发生显著的改变。波长的变化对|deff|以分布影响很小,基本可以忽略不计。Nd:YCOB、Nd:GdCOB晶体在整个三维空间中的分布均是由两个不同的三叶草形状的极值峰组成,它们的最大有效非线性系数均比位相匹配方向上的最大有效非线性系数大。正单轴晶的Nd:CNGS晶体在Nd3+离子对应的1064 nm波长处的I、II类相位匹配角分别是36.3°和55.2°,有效非线性系数分别为0.47 pm/V和0.41 pm/V。（2）Nd:YCOB晶体的被动调Q激光输出特性选取激光性能最优的5 at.%Nd:YCOB晶体,利用LD泵浦获得了1064 nm波长处的连续激光输出,晶体长度为10 mm,两面镀膜,最大的平均输出功率为315 mW。利用传统的97.5%的Cr4+:YAG晶体实现了Nd:YCOB晶体的自倍频被动调Q输出,当入射功率为4.1W时,脉冲绿光的平均输出功率为16.2 mW,对应的脉冲重复频率为3.5 kHz,脉宽为60.2 ns,计算的单脉冲能量和峰值功率分别为4.6 μJ和75.8 W。利用液相分离和滴剂相结合的方法制备的石墨烯薄膜具有很宽的光谱透射范围,在900～1100 nm波长范围内存在一个明显的吸收峰,当入射的光功率密度为18.3 MW/cm2时,石墨烯薄膜的实际调制深度为3%。在2.84 W入射泵浦功率下获得了 13.8 mW的最大平均输出功率。同时,调Q脉冲的重复频率由13.1 kHz增大到14.4 kHz,而脉宽则由283.2 ns缩短到181.3 ns。计算的单脉冲能量由0.5μJ增大到0.96 μJ,获得的最大峰值功率为5.3 W。基于层状石墨烯的可饱和吸收体的激光阈值更低,在更低的入射泵浦功率下获得了稳定脉冲序列。随着石墨烯材料厚度的增加,调Q脉冲的脉宽逐渐减小,脉冲重复频率逐渐增大,获得的最大单脉冲能量也逐渐减小,但峰值功率逐渐增大。利用液相分离和滴剂相结合的方法制备的SnSe2-PVA薄膜在700 nm到1600 nm的波长范围内,线性透过率稳定在77%以上。当入射光强度为16 MW/cm2时,实际的调制深度为2.3%。在4.13 W入射泵浦功率下获得了19.6 mW的最大平均输出功率,对应91.9 ns的最短脉宽和17.6 kHz的重复频率,此时的单脉冲能量和峰值功率分别为1.1 μJ和12.1 W。在650 nm到1600 nm的波长范围内,二硫化锡薄膜的线性透过率稳定在74.5%以上。在3.7 W入射泵浦功率下获得了 14.5 mW的最大平均输出功率,对应124.3 ns的最短脉宽和21.3 kHz的重复频率,此时的单脉冲能量和峰值功率分别为0.68μJ和5.5 W。单层二硫化钼薄膜在4.38 W入射泵浦功率下获得了最大为18.1 mW的平均输出功率,此时对应的是210.4 ns的最短脉宽和57.0 kHz的重复频率,计算的单脉冲能量和峰值功率分别为0.32 μJ和1.5 W。CN薄膜在250 nm到1600 nm的波长范围内,线性透过率都在62.5%以上,其透过率边缘延伸到了紫外波段200 nm以下,无明显吸收峰。在3.7 W入射泵浦功率下获得了9.6 mW的最大平均输出功率,此时对应的是168.0 ns的最短脉宽和24.5 kHz的重复频率,单脉冲能量和峰值功率分别为0.39 μJ和2.3 W。（3）Nd:GdCOB晶体的被动调Q激光输出特性选取激光性能最优的5 at.%Nd:GdCOB晶体,利用LD泵浦获得了1064 nm波长处的连续激光输出,晶体长度为10 mm,两面镀膜,最大的平均输出功率为181.3 mW。利用传统的97.5%的Cr4+:YAG晶体实现了Nd:GdCOB晶体的自倍频被动调Q输出,当入射泵浦功率为3.27 W时,获得了最大为159.7 W的脉冲峰值功率,对应的脉冲宽度、重复频率和单脉冲能量分别为19.2 ns、10.6 kHz和3.1 μJ。石墨烯薄膜和3层石墨烯样品用作可饱和吸收体均实现了 Nd:GdCOB晶体的自倍频被动调Q输出。对于石墨烯薄膜来说,在3.7 W入射泵浦功率下获得了 10.4 mW的调Q绿光最大平均输出,脉冲重复频率由7.93 kHz增大到10.2 kHz,而脉宽则由392.4 ns缩短到296.6 ns。单脉冲能量由0.49 μJ增大到1.01 μJ,最大峰值功率为3.4 W。对于3层的石墨烯样品来说,获得的调Q绿光最大平均输出功率为12.7 mW,对应的重复频率和脉宽分别为7.0 kHz和437.3 ns,相应单脉冲能量和峰值功率分别为1.8 μJ和4.2 W。利用SnSe2-PVA薄膜作为连续激光调制元件,在3.3 W入射泵浦功率下获得了最大为14.5 mW的调Q绿光平均输出功率,对应的重复频率和脉宽分别为22.1 kHz和48.7 ns,相应单脉冲能量和峰值功率分别为0.66 μJ和13.5 W。将单层的二硫化钼薄膜插入到Nd:GdCOB晶体的自倍频激光腔内,在4.55 W入射泵浦功率下获得了 13.7 mW的调Q绿光最大平均输出功率,对应的重复频率和脉宽分别为100.0 kHz和105.4 ns,相应单脉冲能量和峰值功率分别为0.14 μJ和1.3 W。利用二硒化钨钼复合薄膜材料作为可饱和吸收体我们也成功实现了Nd:GdCOB晶体的被动调Q脉冲绿光输出,在3.53 W入射泵浦功率下获得了5.6 mW的调Q绿光最大平均输出功率,对应的重复频率和脉宽分别为186.6 kHz和376.5 ns,相应的单脉冲能量和峰值功率分别为0.03 μJ和0.08 W。（4）Nd:CNGS晶体的被动调Q激光输出特性采用平平腔结构获得了连续自倍频绿光输出,其出光阈值为0.8 W,在4.3W泵浦功率入射时获得了最大62.5 mW的绿光输出.利用石墨烯薄膜实现了Nd:CNGS晶体的自倍频被动调Q输出,在入射泵浦功率为3.7 W时,获得了最大为10.5 mW的调Q绿光输出功率,此时对应的脉冲重复频率为167.7 kHz,脉宽为340.6 ns,单脉冲能量和脉冲峰值功率分别为0.06 μJ和 0.18 W。利用二碲化锡薄膜实现了Nd:CNGS晶体的自倍频被动调Q输出,在2.84 W入射泵浦功率下获得了9.5 mW的调Q绿光最大平均输出功绿,对应的重复频率和脉宽分别为174.5 kHz和129.2 ns,单脉冲能量和峰值功率分别为0.05μJ和0.42 W。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 孙玉祥
导师: 许心光,王正平
关键词: 晶体,非线性性质,二维材料,可饱和吸收体,被动调
来源: 山东大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 物理学,化学
单位: 山东大学
分类号: O734
总页数: 150
文件大小: 11457K
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