【摘要】：固體脈沖激光器因為具有穩(wěn)定耐用、脈沖能量大、眾多激發(fā)波長等優(yōu)勢在激光“微加工”行業(yè)中占據(jù)著不可替代的份額。隨著商用激光器的低成本化和多樣化的發(fā)展趨勢,相關研究者們正致力于尋找一些廉價的高性能材料來取代原有昂貴的激光器件。目前,作為脈沖激光器中重要的非線性調制器件,新型可飽和吸收體的探尋已經(jīng)成為一個備受關注的研究熱點�；谔技{米管、石墨烯以及其他納米材料的新型可飽和吸收器件層出不窮。與傳統(tǒng)的半導體可飽和吸收鏡(SESAM)相比,這些材料成本低廉,制備簡單。尤其像石墨烯、過渡金屬硫化物和黑磷(BP)等納米材料更是在紫外到紅外的寬波段內具有優(yōu)越的非線性光學響應,被稱為寬帶可飽和吸收體。然而,由于多數(shù)納米材料本身的不穩(wěn)定性導致新型寬帶可飽和吸收器件的損傷閾值較低,并且不成熟的制備工藝也使得器件的插入損耗過大,阻礙了新型納米材料吸收體在高功率固體脈沖激光器中的應用。本論文不僅搭建了高出光斜效率的SESAM固體鎖模激光器,還研究了羧基氧化石墨烯(GO-COOH)、二硫化鎢(WS_2)、BP以及四氧化三鐵(Fe_3O_4)四種納米材料的非線性光學特性,并結合材料的特殊物理性質,通過制備工藝的改良,制作了適用于固態(tài)激光諧振腔的低插入損耗和高損傷閾值可飽和吸收體器件。最終,將它們分別應用到摻釹固體激光器中,實現(xiàn)了平均功率在瓦級以上的脈沖輸出。本文研究內容包括四個方面:1.基于可飽和吸收體被動鎖模原理,我們將一個國產SESAM應用到固體Nd:YVO_4激光折疊腔中,得到了穩(wěn)定鎖模激光輸出。其平均輸出功率為5.11 W、脈沖寬度為25.1 ps、重復頻率為124 MHz。并且,光光轉換效率為36.5%,斜效率高達47.1%,體現(xiàn)了國產SESAM技術上的進步。2.利用液相剝離法和垂直生長法分別制備了WS_2溶液和薄膜可飽和吸收體。溶劑的快速散熱作用有效提高了溶液吸收體的熱損傷閾值,并借助于鍍膜的石英比色皿,我們將溶液吸收體用于固體激光器中,通過對比實驗研究了不同濃度WS_2溶液對激光脈沖的調制作用,基于最優(yōu)濃度配比實現(xiàn)了平均輸出功率為720 mW的調Q激光。而垂直生長法制備的均勻WS_2薄膜的厚度較薄,并且,石英基底的光損耗也比溶液吸收體器件中比色皿和溶劑的損耗小很多,因此,將其用于諧振腔中得到高斜效率、瓦級平均輸出功率、大于1 MHz重復頻率的調Q激光輸出。3.分別研究了BP納米片和Fe_3O_4納米顆粒的可飽和吸收特性。兩種納米材料都表現(xiàn)出了優(yōu)越的非線性吸收響應,然而,鑒于這兩類材料在應用過程中所表現(xiàn)出來的易氧化變質特點,采用溶液吸收體的封裝方式來減少納米材料與空氣的接觸,延長材料的使用壽命。并對吸收體的溶劑進行優(yōu)化,選用了沸點更高、透光性更好的N-甲基吡喏烷酮(NMP)溶液,減少了可飽和吸收器件的插入損耗,并進一步提高了吸收體抗熱損傷能力。最終,將BP可飽和吸收體調Q激光器的輸出功率提升到了瓦級以上;同時,也是首次將Fe_3O_4納米材料成功應用到固體激光器中。4.提出利用LB拉膜法制備均勻有序超薄可飽和吸收薄膜的方案。該方案的優(yōu)勢還體現(xiàn)在:成膜均勻性高、厚度可控,提高了吸收體參數(shù)的可重復性;常溫常壓的制備條件避免了材料結構的破壞。結合非線性光學材料GO-COOH在水溶液中的高分散性,最終實現(xiàn)了超薄納米片在石英基底上的均勻排列,得到了一個低損耗的透過式GO-COOH可飽和吸收器件。將其用于固體Nd:GdVO_4激光器中,所得被動調Q激光的最大平均輸出功率為1.1 W,出光斜效率高達35.6%;被動調Q鎖模激光輸出的平均功率也達到1.33 W。實驗結果體現(xiàn)了LB拉膜法制備的GO-COOH可飽和吸收體在高功率固體脈沖激光器中的應用優(yōu)勢與潛力。
【圖文】：

圖 1.1 固體脈沖激光器的工業(yè)應用：（a）手機部件的加工；（b）線路板二維碼的打標；（c）激光刻蝕；（d）聚乳酸材料的加工；（e）光子晶體加工；（f）銀片加工。Figure 1.1 The industrial applications of pulsed solid state lasers: (a) processing ofcellphone components; (b) marking of two-dimensional code on the circuit board; (c) laserablation; (d) processing of polylactic acid material; (e) processing of photonic crystals; (f)processing of silver piece.隨著激光微加工行業(yè)對加工精度和特殊材料加工的嚴格要求，，固體脈沖激光器市場迎來了新的增長機會。至 2015 年，固體激光器在材料微加工領域的銷售額達到 257.7 百萬美元；在 3C 產品制造和增材制造兩個微加工領域的銷售額分別達到 69.8 百萬美元和 41.8 百萬美元，行業(yè)占比均超過 60%，并且 2015 到2016 年的增長率分別為 5%和 37%；固體激光器在激光打標加工市場的銷售額可達到 50.2 百萬美元，2016 年的年增長率為 3.9%，并且，伴隨著激光打標技

探索了幾種新型納米材料的非線性光學特光器中的應用進行了研究。接下來，首先介紹一下基于 Q 技術和被動鎖模技術。 Q 技術一種通過諧振腔 Q 值突變來獲得高峰值功率脈沖的技的是諧振腔的品質因數(shù)：00022()()2 ncEnLEPE 單位時間內損耗的能量儲存在腔內的總能量示儲存在腔內的總能量，δ表示光在腔內傳播一次的能量n 表示腔內介質折射率，c 表示光速，λ0表示真空中激光中心頻率。根據(jù)式 1.1，Q 和諧振腔損耗率δ是反比關系的是腔內損耗情況。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN248.1

【參考文獻】

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本文編號：2638633