【摘要】：固體脈沖激光器因?yàn)榫哂蟹�(wěn)定耐用、脈沖能量大、眾多激發(fā)波長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)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(shì),相關(guān)研究者們正致力于尋找一些廉價(jià)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(diào)制器件,新型可飽和吸收體的探尋已經(jīng)成為一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)�；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(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)相比,這些材料成本低廉,制備簡(jiǎn)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(nèi)具有優(yōu)越的非線性光學(xué)響應(yīng),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(dǎo)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(yīng)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(xué)特性,并結(jié)合材料的特殊物理性質(zhì),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(yīng)用到摻釹固體激光器中,實(shí)現(xiàn)了平均功率在瓦級(jí)以上的脈沖輸出。本文研究?jī)?nèi)容包括四個(gè)方面:1.基于可飽和吸收體被動(dòng)鎖模原理,我們將一個(gè)國(guó)產(chǎn)SESAM應(yīng)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(fù)頻率為124 MHz。并且,光光轉(zhuǎn)換效率為36.5%,斜效率高達(dá)47.1%,體現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)SESAM技術(shù)上的進(jìn)步。2.利用液相剝離法和垂直生長(zhǎng)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(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了不同濃度WS_2溶液對(duì)激光脈沖的調(diào)制作用,基于最優(yōu)濃度配比實(shí)現(xiàn)了平均輸出功率為720 mW的調(diào)Q激光。而垂直生長(zhǎng)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(jí)平均輸出功率、大于1 MHz重復(fù)頻率的調(diào)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(yīng),然而,鑒于這兩類材料在應(yīng)用過程中所表現(xiàn)出來的易氧化變質(zhì)特點(diǎn),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(zhǎng)材料的使用壽命。并對(duì)吸收體的溶劑進(jìn)行優(yōu)化,選用了沸點(diǎn)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(jìn)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(diào)Q激光器的輸出功率提升到了瓦級(jí)以上;同時(shí),也是首次將Fe_3O_4納米材料成功應(yīng)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(shì)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(fù)性;常溫常壓的制備條件避免了材料結(jié)構(gòu)的破壞。結(jié)合非線性光學(xué)材料GO-COOH在水溶液中的高分散性,最終實(shí)現(xiàn)了超薄納米片在石英基底上的均勻排列,得到了一個(gè)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(dòng)調(diào)Q激光的最大平均輸出功率為1.1 W,出光斜效率高達(dá)35.6%;被動(dòng)調(diào)Q鎖模激光輸出的平均功率也達(dá)到1.33 W。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)與潛力。
【圖文】：

圖 1.1 固體脈沖激光器的工業(yè)應(yīng)用：（a）手機(jī)部件的加工；（b）線路板二維碼的打標(biāo)；（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(duì)加工精度和特殊材料加工的嚴(yán)格要求，，固體脈沖激光器市場(chǎng)迎來了新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。至 2015 年，固體激光器在材料微加工領(lǐng)域的銷售額達(dá)到 257.7 百萬美元；在 3C 產(chǎn)品制造和增材制造兩個(gè)微加工領(lǐng)域的銷售額分別達(dá)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(zhǎng)率分別為 5%和 37%；固體激光器在激光打標(biāo)加工市場(chǎng)的銷售額可達(dá)到 50.2 百萬美元，2016 年的年增長(zhǎng)率為 3.9%，并且，伴隨著激光打標(biāo)技

探索了幾種新型納米材料的非線性光學(xué)特光器中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。接下來，首先介紹一下基于 Q 技術(shù)和被動(dòng)鎖模技術(shù)。 Q 技術(shù)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(zhì)因數(shù)：00022()()2 ncEnLEPE 單位時(shí)間內(nèi)損耗的能量?jī)?chǔ)存在腔內(nèi)的總能量示儲(chǔ)存在腔內(nèi)的總能量，δ表示光在腔內(nèi)傳播一次的能量n 表示腔內(nèi)介質(zhì)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(guān)系的是腔內(nèi)損耗情況。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN248.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2638633