【摘要】：雙光梳測量技術(shù)以其高靈敏度、高分辨率和高采樣速率等突出技術(shù)優(yōu)勢在雙光梳精密光譜和距離測量、痕量氣體檢測、三維形貌成像以及高速異步光學(xué)采樣等應(yīng)用領(lǐng)域體現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。這些要求嚴(yán)苛的實(shí)際應(yīng)用需要高重頻、寬光譜、高相干的雙光梳系統(tǒng)。然而,目前雙光梳精密測量技術(shù)在實(shí)際操作過程中仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。其一,多數(shù)雙光梳系統(tǒng)需要兩臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的、具有一定重頻差的光學(xué)頻率梳,不可避免引入了復(fù)雜的反饋控制電路而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)體積龐大、造價(jià)高昂且維護(hù)困難,難以在戶外復(fù)雜環(huán)境下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。其二,光纖雙光梳系統(tǒng)的重復(fù)頻率仍然較低,普遍為數(shù)十至數(shù)百M(fèi)Hz量級(jí),限制了測量的速度和靈敏度,因此發(fā)展緊湊型高重頻雙光梳系統(tǒng)是很有必要的。新型雙重頻鎖模激光器可以從同一個(gè)腔內(nèi)發(fā)射兩重復(fù)頻率略有差異的相干鎖模脈沖序列替代兩臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的光學(xué)頻率梳,極大提升了雙光梳的緊湊性。此外,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)鎖模摻鐿固態(tài)振蕩器具備自啟動(dòng)、高重復(fù)頻率、緊湊結(jié)構(gòu)、低噪聲水平等優(yōu)勢一直以來都是發(fā)展高功率高重復(fù)頻率新型固體光學(xué)頻率梳的首選研究對(duì)象,研制高重復(fù)頻率摻鐿雙重頻SESAM鎖模激光器系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)小型化高重頻雙光梳系統(tǒng)的重要途徑。本論文圍繞“高重復(fù)頻率摻鐿雙重頻鎖模激光器系統(tǒng)”這一主題展開實(shí)驗(yàn)研究。研究中分別使用非水基流延成型Yb:YAG、Yb:Lu AG透明陶瓷和固態(tài)單晶生長法制備的Yb:YAG多晶平面波導(dǎo)為增益介質(zhì),基于SESAM鎖模技術(shù)和雙通道端面泵浦技術(shù),逐步完成了高功率連續(xù)和調(diào)諧振蕩器,單重頻鎖模振蕩器和1GHz雙重頻鎖模脈沖振蕩器的研制。本學(xué)位論文的主要研究內(nèi)容概括如下:1.研制出系列高功率摻鐿連續(xù)激光振蕩器。在連續(xù)激光器研制中,先后采用了非水基流延成型Yb:YAG、Yb:Lu AG透明陶瓷和固態(tài)單晶化Yb:YAG多晶平面波導(dǎo)作為增益介質(zhì),其中:采用非水基流延成型Yb:YAG陶瓷作為增益介質(zhì),基于V型腔實(shí)現(xiàn)了最高輸出功率7.59 W,斜效率84.4%的高效率Yb:YAG陶瓷激光器;采用固態(tài)單晶生長法制備的Yb:YAG平面波導(dǎo)作為增益介質(zhì),基于V型腔實(shí)現(xiàn)了最高功率3.4W,斜效率60%的連續(xù)激光輸出,這是基于固態(tài)單晶化法制備的摻鐿平面波導(dǎo)激光器的最優(yōu)結(jié)果。2.使用了不同色散棱鏡作為腔內(nèi)色散元件,研制成系列波長調(diào)諧摻鐿激光振蕩器。研究中所用的增益介質(zhì)與上述連續(xù)激光器中的相同,并使用了不同的色散棱鏡研究了它們?cè)赩型腔中的波長調(diào)諧性能。其中使用SF57棱鏡研制出1012nm~1074 nm寬帶連續(xù)調(diào)諧的Yb:YAG陶瓷振蕩器;和1021 nm~1055 nm波段連續(xù)調(diào)諧Yb:YAG平面波導(dǎo)激光器。3.研制出系列穩(wěn)定運(yùn)行的高重復(fù)頻率摻鐿單重頻鎖模激光器系統(tǒng),這為后面研發(fā)高重頻摻鐿雙重頻鎖模激光器提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。研究中依次采用非水基流延成型Yb:YAG、Yb:Lu AG透明陶瓷和固態(tài)單晶化Yb:YAG多晶平面波導(dǎo)作為增益介質(zhì),基于相同的SESAM先后實(shí)現(xiàn)了Yb:YAG鎖模激光器、Yb:Lu AG鎖模激光器和固態(tài)單晶化Yb:YAG平面波導(dǎo)鎖模激光器。在國際上首次實(shí)現(xiàn)固態(tài)單晶化Yb:YAG平面波導(dǎo)的鎖模激光運(yùn)行。這些鎖模激光器都具有光譜寬度較窄、自啟動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)。4.研制出一種高重復(fù)頻率摻鐿雙重頻鎖模激光器系統(tǒng),在前面連續(xù)和單重頻鎖模研究成果的基礎(chǔ)上,選用無水基流延成型法制備的Yb:YAG透明陶瓷作為增益介質(zhì),聯(lián)合使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模技術(shù)和雙通道抽運(yùn)技術(shù),在緊湊Z型腔中實(shí)現(xiàn)了1-GHz重復(fù)頻率的雙重頻鎖模激光器的研制,這是采用新型非水基流延成型Yb:YAG陶瓷實(shí)現(xiàn)鎖模的最高脈沖重復(fù)頻率。雙梳脈沖光束在腔內(nèi)存在的微小夾角導(dǎo)致兩脈沖序列在腔內(nèi)運(yùn)行周期和路徑均不同,由此產(chǎn)生了23 k Hz的重頻差,通過改變兩脈沖傳輸方向夾角對(duì)重頻差進(jìn)行調(diào)諧。重復(fù)頻率和重頻差的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1 k Hz和190 Hz。雙重頻脈沖序列的光譜半高全寬分別為0.65 nm和0.73 nm,兩者光譜中心波長基本一致,光譜重疊程度高。該激光器具有體積小巧、自啟動(dòng)鎖模、位相相干和穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn),為發(fā)展小型化實(shí)時(shí)雙光梳精密光譜和絕對(duì)距離測量應(yīng)用提供了一種備選方案。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN248
【圖文】：

a)平平腔和(b)V 型腔 Yb:LuAG 連續(xù)激光振蕩器設(shè)計(jì)圖。LD：激光M1和 M2：平面腔鏡和球凹面腔鏡，OC：輸出耦合鏡果與分析t.%Yb:LuAG 陶瓷為增益介質(zhì)，按照如圖 2.4 所示的設(shè)計(jì)方腔進(jìn)行了連續(xù)激光性能研究。圖 2.5 所示為不同輸出耦合瓷分別在平平腔和三鏡腔的連續(xù)激光輸出功率和中心波長。中，T=2%、5%和 10%的耦合輸出鏡下的最大輸出功率分3 W，相應(yīng)的斜效率分別高達(dá) 44.8%、33.4%和 23.7%，中心波5(b)可知在 V 型腔中，不同輸出耦合鏡下的最高輸出功率分.95 W，相應(yīng)的斜效率分別達(dá)到 48.2%、36.6%和 23.8%，與之前的 Yb:YAG 陶瓷相比，15at.% Yb:LuAG 陶瓷雖然增有效吸收率高達(dá) 84.6%，相應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率低，在運(yùn)轉(zhuǎn)

第二章 高功率摻鐿陶瓷連續(xù)振蕩器的研制光器領(lǐng)域，不僅是從百微米級(jí)集成光學(xué)器件到千公里級(jí)遠(yuǎn)距離光纖通信傳輸光的基本要素，還是半導(dǎo)體激光器和稀土離子摻雜波導(dǎo)激光器的關(guān)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的最簡單結(jié)構(gòu)就是一維導(dǎo)波的平面波導(dǎo)，典型的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)三明治，如圖 2.7 中所示，由上下兩層低折射率的包層和中間具有較高構(gòu)成。芯層和包層的折射率分別為 和 ，兩者滿足 > ，周圍環(huán)境根據(jù)光的全反射原理，即當(dāng)光以大于臨界角的入射角從光密介質(zhì)射向光兩介質(zhì)臨界面會(huì)發(fā)生全反射，入射光全部反射回光密介質(zhì)，而不會(huì)透過此滿足全發(fā)射條件的入射光，在芯層與包層的兩個(gè)臨界面發(fā)生多次全反在芯層內(nèi)沿鋸齒狀軌跡單向傳導(dǎo)。

第二章 高功率摻鐿陶瓷連續(xù)振蕩器的研制長度分別為 6 mm 和 8 mm 的兩塊 12at% Yb:YAG 多長度的平面波導(dǎo)在同一個(gè)腔的連續(xù)激光輸出性能。波微米，波導(dǎo)數(shù)值孔徑約為 0.066，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的波導(dǎo)浦光波段和激光波段的透過率高達(dá) 84%，側(cè)面均作磨并固定在純銅水冷熱沉上，水冷溫度設(shè)為 14℃。為了一個(gè)輸出尾纖直徑為 100μm 的光纖耦合高功率 970光纖輸出的發(fā)散泵浦光由一對(duì)焦距同為 50 mm 的透處光斑直徑為 100 μm，可以實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)的模式匹配。

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本文編號(hào)：2745572