【摘要】：可見波段激光是指波長處于400-760nm的激光,是娛樂、照明、加工、醫(yī)療等領(lǐng)域的基礎(chǔ)光源,當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)可見波段激光的技術(shù)主要有半導(dǎo)體激光和近紅外激光的倍頻兩種。近年來,隨著GaN基半導(dǎo)體制備工藝的進(jìn)步和發(fā)展,藍(lán)光半導(dǎo)體已經(jīng)趨于成熟并獲得實(shí)用,2014年諾貝爾獎(jiǎng)授予三位日本科學(xué)家,用以表彰其在藍(lán)光半導(dǎo)體方面的研究工作,而以藍(lán)光半導(dǎo)體激光為泵浦源,通過全固態(tài)激光技術(shù)直接泵浦實(shí)現(xiàn)可見波段激光輸出也成為了激光領(lǐng)域的新興方向。作為稀土離子族典型的代表,摻Pr3+離子激光晶體可實(shí)現(xiàn)藍(lán)光區(qū)的吸收和從綠光到紅光波段的多波長發(fā)射,成為重要的藍(lán)光泵浦全固態(tài)可見波段激光材料。但可實(shí)現(xiàn)激光輸出的摻Pr3+離子激光材料僅以氟化物為代表的部分具有低聲子能量的增益介質(zhì),尚需發(fā)展基本理論用以揭示限制摻Pr3+離子激光晶體產(chǎn)生激光效果的關(guān)鍵科學(xué)問題,并為后續(xù)激光晶體和激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。在激光技術(shù)中,除了泵浦源和激光晶體外,光開關(guān)元件,包括調(diào)Q和鎖模元件,是實(shí)現(xiàn)激光脈沖調(diào)制的關(guān)鍵器件。作為一種新興的激光技術(shù),適用于藍(lán)光半導(dǎo)體直接泵浦獲得可見波段脈沖激光的光開關(guān)元件研究有待發(fā)展,特別是可見波段的被動(dòng)光開關(guān)元件和材料較有限�？梢姽獠ㄩL相對較短、光子能量相對較大,一般來說,激光晶體在可見波段增益相對較低,這對可見波段可飽和吸收體在材料帶隙、載流子恢復(fù)時(shí)間、可飽和吸收強(qiáng)度及調(diào)制深度等方面提出了獨(dú)特的要求。因此,發(fā)展可見波段光開關(guān)的篩選準(zhǔn)則并實(shí)現(xiàn)脈沖激光輸出,對這種新興激光技術(shù)和器件的發(fā)展和后期應(yīng)用有重要的作用。因此本論文面向藍(lán)光半導(dǎo)體直接泵浦的可見波段激光發(fā)展現(xiàn)狀,以摻Pr3+離子激光晶體和光開關(guān)為研究對象,探索限制摻Pr3+離子激光晶體獲得激光輸出的關(guān)鍵物理參數(shù),揭示了無輻射躍遷幾率對可見激光輸出的影響規(guī)律,為可實(shí)現(xiàn)可見波段激光輸出的摻Pr3+離子激光晶體研究提供了理論參考;從速率方程出發(fā),推導(dǎo)了可見波段激光調(diào)Q光開關(guān)材料的篩選準(zhǔn)則,找到了可見波段調(diào)Q光開關(guān)材料需滿足的條件,以此為指導(dǎo),測試了石墨烯材料及Co:ZnO薄膜材料的非線性可飽和吸收性質(zhì),預(yù)判了兩種材料作為可見波段調(diào)Q光開關(guān)的可行性,實(shí)現(xiàn)了不同可見波長調(diào)Q脈沖激光輸出;建立了可見波段鎖模材料的篩選準(zhǔn)則,找到了限制鎖模應(yīng)用的關(guān)鍵物理參數(shù),并以MoS2材料和石墨烯材料為代表驗(yàn)證了篩選準(zhǔn)則,實(shí)現(xiàn)了不同可見波長的鎖模脈沖激光輸出;基于克爾透鏡鎖模原理,實(shí)現(xiàn)了可見波段自鎖模激光輸出,結(jié)合色散補(bǔ)償技術(shù),實(shí)現(xiàn)最短脈沖寬度為1.1 ps的可見波段超快脈沖激光輸出。主要研究內(nèi)容如下:一、可見波段摻鐠離子激光晶體理論從Pr3+離子能級出發(fā),綜合考慮Pr3+離子3P0和1D2能級間的無輻射躍遷過程,推導(dǎo)并建立了 Pr3+離子的四能級速率方程,針對3P0和1D2能級間的無輻射躍遷幾率對激光效果的作用,推導(dǎo)了基質(zhì)聲子能量、能級劈裂對可見波段激光輸出的影響,找出制約摻Pr3+離子激光晶體實(shí)現(xiàn)激光輸出的關(guān)鍵因素為能級劈裂寬度和聲子能量,建立了能級劈裂和聲子能量需滿足的物理關(guān)系,為摻Pr3+離子激光晶體的研究提供理論參考。二、可見波段調(diào)Q光開關(guān)材料的篩選準(zhǔn)則及調(diào)Q脈沖激光研究1.從速率方程出發(fā),發(fā)展了調(diào)Q光開關(guān)材料的篩選準(zhǔn)則,基于摻Pr3+離子激光晶體的光譜參數(shù),估算了可見波段調(diào)Q光開關(guān)材料需要滿足的條件,發(fā)展了可見波段調(diào)Q光開關(guān)材料的篩選準(zhǔn)則,用以指導(dǎo)可見波段調(diào)Q光開關(guān)材料的選擇。2.以二維石墨烯和3dN離子中Co2+離子為代表性研究對象,測試了單層石墨烯和Co:ZnO在可見波段的非線性可飽和吸收性質(zhì),并根據(jù)可見波段調(diào)Q光開關(guān)材料的篩選準(zhǔn)則預(yù)判兩種材料在可見波段調(diào)Q脈沖激光應(yīng)用的可行性;在Pr3+:YLiF4晶體連續(xù)激光基礎(chǔ)上,以上述兩種材料為調(diào)Q光開光器件,實(shí)現(xiàn)了不同可見波長調(diào)Q脈沖激光輸出。三、可見波段鎖模材料的篩選準(zhǔn)則及鎖模脈沖激光研究1.從速率方程出發(fā),發(fā)展了鎖模材料的篩選準(zhǔn)則,以摻Pr3+離子激光晶體的光譜參數(shù)為基礎(chǔ),構(gòu)建了可見波段鎖模材料的篩選準(zhǔn)則,揭示了影響鎖模激光效果的關(guān)鍵物理參數(shù),提出了可見波段鎖模材料需同時(shí)具備可飽和吸收體禁帶寬度≤1.7 eV、載流子復(fù)合壽命≤10 ns且可飽和能量密度與調(diào)制深度乘積Fsat,AΔR≤2 nJ/cm2三個(gè)條件。2.全面測試了不同層數(shù)MoS2材料的非線性可飽和吸收性質(zhì),以構(gòu)建的篩選準(zhǔn)則為指導(dǎo),預(yù)判小于十層的MoS2材料適合制作可見波段鎖模器件,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了不同波長的可見波段超快脈沖激光輸出;測試和表征了單層石墨烯在可見波段的非線性可飽和吸收性質(zhì),計(jì)算關(guān)鍵物理參數(shù),發(fā)現(xiàn)該材料符合可見波段鎖模材料的篩選準(zhǔn)則,以透射式和反射式兩種方式將單層石墨烯用于可見波段鎖模脈沖激光,實(shí)現(xiàn)了不同可見波長鎖模脈沖激光輸出。四、可見波段克爾透鏡鎖模激光研究以Pr3+:LuLiF4為研究對象,針對其非線性折射率較大的特點(diǎn),從ABCD矩陣出發(fā),設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)克爾透鏡自鎖模的激光諧振腔,計(jì)算了諧振腔內(nèi)關(guān)鍵元器件的色散曲線,以ZF4棱鏡對進(jìn)行補(bǔ)償色散,實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光半導(dǎo)體直接泵浦的摻Pr3+離子激光晶體自鎖模激光輸出,相關(guān)研究結(jié)果是半導(dǎo)體泵浦下可見波段最短脈沖激光輸出。綜上所述,本論文針對藍(lán)光半導(dǎo)體直接泵浦的摻Pr3+離子激光晶體和激光器件發(fā)展現(xiàn)狀,發(fā)展了晶體和光開關(guān)的“三套”準(zhǔn)則,為可見波段激光晶體和器件的發(fā)展提供了有益借鑒;獲得了單管泵浦下的可見波段連續(xù)激光最高輸出功率,實(shí)現(xiàn)了調(diào)Q和鎖模脈沖激光器件設(shè)計(jì),發(fā)展了超快鎖模激光技術(shù),獲得藍(lán)光半導(dǎo)體泵浦摻Pr3+離子激光晶體中最短脈沖激光輸出。
【圖文】：

子及電子等會發(fā)生位移，可感生出電極化強(qiáng)度為Ｐ的電場，當(dāng)入射光激光時(shí)，極化強(qiáng)度戶與電場強(qiáng)度ｆ之間的關(guān)系可表示為［５８］逡逑Ｐ邋＝邋￡－0ｘ（Ｅ）？Ｅ逡逑０邋（＝＾０Ｘ＜Ｉｉ＊Ｅ邋＋邋￡，０ｘｉ２）邋：邋ＥＥ邋＋＾＜３）邋：ＥＥＥｈ—逡逑為真空介電常數(shù)，／為極化率，其中代表了材料的線性極化率，而逡逑略的高次項(xiàng)則表示材料的二階、三階和高階非線性極化率，像二次諧振蕩或和頻、差頻等過程均屬于二階非線性過程，四波混頻、三次諧吸收等均屬于三階非線性過程。上文提到的非線性可飽和吸收性質(zhì)是過程的－？種，是指當(dāng)入射光照射在材料上時(shí)，材料價(jià)帶的電子被激發(fā)這些電子由于散射而逐漸失去能量。當(dāng)很多電子同時(shí)被強(qiáng)入射光激完全充滿電子而無法繼續(xù)吸收光子，這種情況稱為材料“飽和”或“１００邋￣￣ｊ邐ａｎ逡逑

基于本論文第三章及第四章關(guān)于可見波段調(diào)Ｑ光開關(guān)及鎖模光開關(guān)器件的逡逑篩選準(zhǔn)則，并結(jié)合上文我們提到的不同材料的非線性可飽和吸收性質(zhì)及超快動(dòng)力逡逑學(xué)過程，我們將不同材料在可見波段光開關(guān)的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析并歸納于圖１－逡逑６中，該圖左側(cè)縱坐標(biāo)是指鎖模光開關(guān)材料的篩選準(zhǔn)則（見第四章），用紅色五角逡逑星表示相應(yīng)的計(jì)算數(shù)值；而右側(cè)縱坐標(biāo)是指調(diào)Ｑ光開關(guān)材料的篩選準(zhǔn)則（見第三逡逑章），用綠色圓點(diǎn)表示相應(yīng)的計(jì)算數(shù)值，坐標(biāo)軸上兩公式在后文中會有詳細(xì)的推逡逑導(dǎo)和計(jì)算。圖中淺黃色區(qū)域的點(diǎn)表示材料適合作為可見波段調(diào)Ｑ光開光或鎖模逡逑材料。從圖中可以看出，上文報(bào)道的材料更適合作為調(diào)Ｑ光開關(guān)，，也有部分材料逡逑適合作為鎖模材料，基于低維材料能帶的可調(diào)諧性及非線性光學(xué)性質(zhì)受層數(shù)、制逡逑備方法、缺陷、尺寸等條件的影響
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O734;TN24

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本文編號：2622032