LD泵浦掺Yb晶体锁模激光的实现解读.docx

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LD泵浦掺Yb晶体锁模激光的实现解读

本科毕业论文

论文题目：

LD泵浦掺Yb晶体锁模激光的实现

学生姓名：

张峰

学号：

200900910101

专业：

物理学

指导教师：

刘杰

学院：

物理与电子科学学院

2013年5月20日

毕业论文（设计）内容介绍

论文（设计）

题目

LD泵浦掺Yb晶体锁模激光的实现

选题时间

2013.1

完成时间

2013.5

论文（设计）

字数

12074

关键词

半导体激光器；Yb晶体；锁模技术；超短脉冲

论文（设计）题目的来源、理论和实践意义：

半导体激光（Semiconductorlaser）在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。

后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管（Laserdiode）等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器（激光笔），是目前生产量最大的激光器。

近年来，超短脉冲技术取得了长足进步，人们能够比较容易地获得脉宽窄、峰值功率高、波长可调的超短光脉冲（脉宽量级为10-12～10-15秒），大大促进了它在生物、化学、军事等许多领域的广泛应用。

要获得超短脉冲，一般通过锁模技术来实现。

锁模技术的发展主要经历了主动锁模、被动锁模、主被动锁模、碰撞锁模、自锁模等阶段。

目前人们研究的焦点主要集中在自锁模技术和SESAM锁模技术上。

进入上世纪90年代，随着高亮度的InGaAs激光二极管泵浦源稳定性的升高及其成本的降低以及人们对激光器的高效、高功率、微型化、集成化的追求，适应这一波段的掺

晶体受到人们的重视。

尤其掺

晶体在惯性约束核聚变以及军事、通信的极大应用潜力，将掺

晶体的研究推向高潮，人们已经研制出掺Yb晶体的皮秒和飞秒锁模激光器。

论文（设计）的主要内容：

掺Yb晶体具有良好的光谱特性，使得它可以作为良好的激光介质，而实现超短脉冲激光，我们首先介绍了掺Yb晶体的光学特性以及能级特点，以及他作为一种激光介质的优势。

其次我们着重分析锁模这一激光技术，作为实现超短脉冲激光最常用的技术的基本原理，以及实现锁模的常用方法和最新研究方法。

最后简单介绍了掺Yb锁模激光的实现的两种方法，即自锁模技术和SESAM被动锁模技术。

附：

论文（设计）

本人签名：

2013年5月20日

目录

中文摘要1

英文摘要1

1.引言2

2.掺Yb激光晶体的性质和特点3

3.锁模的原理及方法5

3.1锁模的基本原理5

3.2实现锁模的方法7

3.3自锁模机理8

3.4SESAM锁模9

4.LD泵浦掺Yb晶体的自锁模和SESAM锁模激光器10

4.1LD泵浦Yb：

LSO晶体的自锁模激光器10

4.2LD泵浦Yb：

LSO/SESAM锁模激光器11

5.结论12

参考文献13

LD泵浦掺Yb晶体锁模激光的实现

张峰

山东师范大学物理与电子科学学院09级物理学一班

摘要：

随着激光二极管（LD）技术不断突破和新型激光晶体材料的出现，全固化激光器得到飞速发展，超快激光广泛应用于化学、激光光谱学、生物学和超精细微加工方面，而锁模技术是我们得到超快激光最常用的的技术，本文系统阐述了锁模技术的基本原理，并且简单介绍了锁模技术的最新研究的两个方面包括自锁模和SESAM被动锁模。

进入上世纪90年代，随着高亮度的InGaAs激光二极管泵浦源稳定性的升高及其成本的降低以及人们对激光器的高效、高功率、微型化、集成化的追求，适应这一波段的掺

晶体受到人们的重视。

尤其掺

晶体在惯性约束核聚变以及军事、通信的极大应用潜力，将掺

晶体的研究推向高潮，本文最后介绍了掺Yb的自锁模和SESAM锁模激光器的实现的例子。

关键词：

半导体激光器；Yb晶体；锁模技术；超短脉冲

中图分类号：

Abstract：

Withthelaserdiode（LD）technologybreakthroughsandtheemergenceofnewlasercrystalmaterials,all-solidlaserhasbeentherapiddevelopmentofultrafastlasersarewidelyusedinchemistry,laserspectroscopy,biologyandultra-finemicro-machining,clampingtechnologywegetultrafastlasertechnologymostcommonlyused,thisarticledescribesthebasicprinciplesofclampingtechnology,andbrieflydescribestheclampingtechnologyofthelaserresearchtwoaspects,includingself-mode-lockingandSESAMpassivelymode-locking.Intothe1990s,withtheincreaseinitscostshavedecreasedandpeoplehighlyefficientlasers,high-power,integratedpursuitofhighbrightnessInGaAslaserdiodepumpsourcestability,toadapttothisbanddopedcrystalattentionhasbeenpaid.Especiallydopedcrystalsintheinertialconfinementfusionandmilitary,communicationsgreatpotentialforthedopedcrystaltoaclimax,theendofthisarticledescribestheexamplesoftheimplementationofself-mode-lockingYb-dopedandSESAMmode-lockinglaser.

Keywords:

Semiconductorlaser;Ybcrystal;Modelockingtechnology;Ultrafastpulse

1.引言

随着激光二极管（LD）技术不断突破和新型激光晶体材料的出现，全固化激光器得到飞速发展。

由于效率高、光束质量好、热效应小、成本低、结构紧凑，全固化激光器已经被广泛应用于工业加工、医疗、科学研究和军事等领域。

具有皮秒、飞秒量级的超短脉冲全固化快激光器，在激光精细加工、OCT、生物学等众多领域具有广泛的用途。

在LD泵浦的超快激光器的众多增益介质中，掺Yb晶体具有简单的能级结构，高的量子效率，宽的荧光带宽，几乎无浓度淬灭等优点，成为自上世纪90年代以来国际研究新型全固态超快激光器的重要选材料之一。

自上世纪60年代诞生的第一台激光器以来，全固化超快激光器是激光器发展的一个重要研究方向。

具有超短激光脉冲（脉宽量级为

秒）的超快激光器，广泛应用于化学、激光光谱学、生物学和超精细微加工等方面。

超短脉冲对于探索微观世界的规律性具有极其重要的意义。

超短脉冲激光的实现一般是通过锁模技术实现的，锁模技术的发展主要包括了主动锁模、被动锁模克尔透镜自锁模和碰撞锁模等。

本文对于锁模的基本原理做了详细的介绍，同时简单介绍了最近研究的焦点自锁模和SESAM（半导体可饱和吸收镜）被动锁模。

掺Yb晶体激光器的研究始于上世纪60年代，1971年Reinberg等掺Si的GaAs发光二极管泵浦Yb:

YAG晶体，获得了1029nm的激光脉冲输出[1]，但是所用的发光二级管是在低温下进行的有限的光谱激励。

在随后的20年里，由于缺少有效的激励源，掺Yb晶体的发展仅限于光谱性能方面的研究，而对激光特性的研究几乎处于停滞状态。

进入上世纪90年代，随着高亮度的InGaAs激光二极管泵浦源稳定性的升高及其成本的降低以及人们对激光器的高效、高功率、微型化、集成化的追求，适应这一波段的掺Yb晶体受到人们的重视。

掺Yb锁模激光器也得到了快速的发展，本文介绍了掺Yb晶体的两种锁模激光器（自锁模和SESAM锁模）。

2.掺

激光晶体的性质和特点

近年来，高功率、高亮度的InGaAs激光二极管得到了快速的发展，

晶体适用于产生超短脉冲激光，很多研究者的研究兴趣集中在结构简单紧凑的高功率LD泵浦掺

晶体的超短脉冲上面。

以掺镱晶体作为激光介质全固化超快激光器在光纤通信、军事和医疗方面显示了巨大的潜力。

掺

晶体的快速发展，主要由于掺

晶体良好的光学特性。

相对于掺

离子，掺

离子具有如下的优点：

①InGaAs激光二极管的发光波长（980nm）在

离子的吸收谱900nm~980nm范围，掺

晶体宽吸收带宽适用于半导体激光泵浦，泵浦效率高。

②荧光光谱宽，更适合于实现可调谐激光和超快激光运转。

③量子效率较高（一般掺

效率约为76%，而掺

的量子效率高达90%以上）。

④掺

离子荧光寿命长达1ms~2ms，有利于超短脉冲的产生。

⑤掺

晶体仅有两个电子能级，原则上避免了转换效应，激发态吸收和浓度淬灭的现象，这就大大减少激光介质中的热效应。

⑥在掺

激光晶体中，

离子的间距相差很小，可以得到很高的掺杂浓度，提高单位长度的激光效率。

当然掺

也有其自身的缺点：

由于掺

晶体的吸收波段和发射波段相距很近，这对激光器所用镜片射波段相隔很近，这对激光器所用镜片要求较高的镀膜工艺，制作难度大，相应的增加了这类激光器的成本。

再者，它的准三能级结构，其光谱内的吸收谱和发射谱有一定的重叠，从而造成了激光波长的再吸收以及较高的泵浦闽值。

掺

晶体的能级结构如图2.1所示。

从图中可以看出掺

晶体只有两个电子态：

基态

和激发态

。

在晶格场作用下，能级发生分裂，激光过程最有可能发生在上能级

最低的Stark能级和下能级

的子能级之间，形成准三能级的激光运行机制。

图2.1离子的准三能级结构图

掺

激光器的研究始于上世纪60年代，1971年Reinberg等掺Si的GaAs发光二极管泵浦Yb:

YAG晶体，获得了1029nm的激光脉冲输出，但是所用的发光二级管是在低温下进行的有限的光谱激励。

在随后的20年里，由于缺少有效的激励源，掺

晶体的发展仅限于光谱性能方面的研究，而对激光特性的研究几乎处于停滞状态。

进入上世纪90年代，随着高亮度的InGaAs激光二极管泵浦源稳定性的升高及其成本的降低以及人们对激光器的高效、高功率、微型化、集成化的追求，适应这一波段的掺

晶体受到人们的重视。

尤其掺

晶体在惯性约束核聚变以及军事、通信的极大应用潜力，将掺

晶体的研究推向高潮。

晶体一个突出优点是适用于产生超短强激光脉冲，很多研究工作者的兴趣集中在结构简单紧凑的高功率LD泵浦

晶体，产生高功率的飞秒激光脉冲上面。

近年来随着晶体生长技术的发展和新型晶体的出现，锁模飞秒激光器要求激光晶体受激发射截面大、增益宽度宽，热导率高，但目前技术的发展很难获得这几种性能兼备的晶体，相应的限制飞秒激光脉冲技术的发展。

目前，国外许多著名机构，如林肯实验室（MIT）、利夫莫尔国家实验室（LLNL）、相继展开掺

激光晶体的研究，2001年，H.Liu等人，利用LD泵浦Yb:

KYW晶体，在谐振腔内不插入任何调制元件，获得71fs的自锁模脉冲输出[2]。

2004年，商业化得Yb:

YAG圆盘激光器输出功率己经达到4kW[3]。

2005年，A.A.Lagatsky等人LD泵浦Yb:

YV04，获得61fs的自锁模脉冲输出，输出功率为54mW[4]。

2008年，Andreas等人用LD泵浦Yb:

NaY（Mo04）:

晶体，获得91飞秒的激光脉冲输出[5]。

目前

在可调谐激光和超短激光脉冲输出方面得到飞速发展，最短脉帘已经认到70fs[6]。

在国内，上海光机所、山东大学、天津大学等单位也相继开展了掺

激光晶体的研究。

2004年，薛迎红（天津大学）使用端泵Yb:

YAB得到输出功率45mW、脉宽1.98ps的激光脉冲输出[7]。

2005年，于海娟（北京工业大学）利用Yb:

YAG晶体得到克尔透镜自锁模脉冲输出，输出功率为20mW、脉宽为124fS[8]。

2005年，杜鹃（上海光机所）用Na,Yb:

CaF2得到输出功率360mW脉宽lps的锁模激光输出[9]。

2008年，罗航（复旦大学）用Yb:

GdV04获得了3.lps的连续锁模脉冲输出[10]；用Yb:

NaY（W04）:

得到了l.lps的被动锁模脉冲[11]。

3.锁模的原理及方法

要获得超短脉冲，一般通过锁模技术来实现。

锁模技术的发展主要经历了主动锁模、被动锁模、主被动锁模、碰撞锁模、自锁模等阶段。

目前人们研究的焦点主要集中在自锁模技术和SESAM锁模技术上。

3.1锁模的基本原理

对于非均匀加宽激光器，如不采取特殊选模措施，总是得到多纵模输出。

并且，由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模。

下面先简要介绍未经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。

由文献[]对于腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为

（3.1）

每个纵模输出的电场分量可用下式表示

（3.2）

、

、

为第

个模式的振幅、角频率及初位相。

在未锁模时，各个模式的振幅及初位相均无确定关系，彼此之间互不相干，因而激光输出随时间的变化是它们的无规叠加的结果，是一种时间平均的统计值，故输出强度随时间无规则起伏。

如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有一确定的关系（

），那么激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲，这就是说，如果使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。

下面分析激光输出与相位锁定的关系。

设腔内有q=-N，-（N-1），…，0，…，（N-1），N，共2N+1个纵模振荡，所有振荡模均具有相等的振幅E0，处在介质增益曲线中心的模，其角频率为

，初位相为0，模序数q=0，即以中心模作为参考，各相邻模的初位相之差保持一定（称为相位锁定），相位差为

，模角频率间隔为

，即

，

，则第q个振荡模为

（3.3）

式中q为腔内振荡纵模的序数。

激光器输出总光场是2N+1个纵模相干的结果：

利用三角函数关系

（3.4）

可得

（3.5）

（3.6）

由上式可知，2N+1个振荡的模经过相位锁定以后，总的光场变为频率为

的调幅波。

振幅

是一随时间变化的周期函数，光强

正比于

，也是时间的函数，光强受到调制。

按傅里叶分析，总光场由2N+1个纵模频率组成，因此激光输出脉冲是包括2N+1个纵模的光波。

经分析可知，激光器多个纵模锁模的结果，出现了下列有意义的现象：

⑴激光器的输出是间隔为

的规则脉冲序列。

可见锁模激光脉冲的周期T等于光在腔内来回一次所需的时间。

因此，可以把锁模激光器的工作过程形象地看作有一个脉冲在腔内往返运动，每当脉冲行进到输出反射镜时，便有一个锁模脉冲输出。

⑵每个脉冲的宽度

，即近似等于振荡线宽的倒数。

因为振荡线宽不会超过激光器净增益线宽，即工作物质的增益带宽决定了锁模脉冲宽度的下限。

可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉宽。

⑶输出脉冲的峰值功率正比于

，而自由运转的激光器的平均功率正比于

。

因此，由于锁模，峰值功率增大了

倍。

腔长越长，荧光线宽越宽，则腔内振荡的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。

⑷多模激光器相位锁定的结果，实现了

，导致输出一个峰值功率高，脉冲宽度窄的序列脉冲。

因此多纵模激光器锁模后，各振荡模发生功率耦合而不再独立。

每个模的功率应看作是所有振荡模提供的。

3.2实现锁模的方法

实现锁模飞方法有很多，主要由主动锁模、被动锁模、主被动锁模和自锁模等。

主动锁模是因为给调制器施加的射频信号提供了相位或频率调制而导致锁模；被动锁模是指辐射本身与被动非线性器件共同产生周期性调制，导致轴向模有固定的相位关系。

3.3自锁模机理

自锁模是不需外加主动或被动调制元件，仅依靠激活介质自身的非线性效应对振荡光束进行强度调制、相位锁定，从而产生超短脉冲的锁模技术。

目前普遍认为自锁模的物理机制与晶体的非线性效应，特别是Kerr透镜效应有关，所以自锁模也称为Kerr透镜锁模（KLM）。

图3-1自锁模机理示意图

Fig.3-1Themechanismofself-mode-locking

参见图3-1，由文献[12]当激光束通过非线性晶体时引起介质折射率的变化，这等效于光束经过一个焦距随光强变化的透镜，即克尔透镜，其焦距

，从而产生自聚焦效应。

这种自聚焦效应将使振荡光束的模式或参数随激光功率（峰值功率）变化。

如果谐振腔内存在某种硬光阑（小孔光阑）或软光阑（增益光阑），那么激光束参数的变化必然引起腔内净增益的变化。

自聚焦效应与腔内光阑的联合作用相当于一个快饱和吸收体。

从时域上看，对于一个光脉冲，脉冲中部强度高，自聚焦效应强，损耗小；脉冲前后沿强度低，对应较大的损耗。

由于净增益的不同，脉冲前后沿不断损耗，而中间部分被放大，从而使脉冲不断整形压缩，这样激光器就会运转在自锁模状态而非连续状态。

自锁模脉冲的形成大致分为以下两个阶段：

⑴初始脉冲的形成

理论分析和大量的实验表明，连续运转的激光器中的噪声脉冲通常达不到锁模的启动阈值，故一般情况下自锁模不能自启动，必须首先在腔内引入一个瞬间扰动，使腔内光强产生强烈涨落。

当它们经过非线性晶体时，在晶体内产生自聚焦效应，它与腔内光阑的结合等效于可饱和吸收体，经过自振幅调制和增益介质的线性放大，对脉冲进行选择、放大、初步压缩，形成初始脉冲。

⑵稳定锁模脉冲的形成

在这一阶段中，增益介质中的自振幅调制和增益放大仍起主要作用。

但是由于初始脉冲峰值功率较大，不可避免的产生自相位调制和很大的正群速度色散，不利于进一步压缩脉宽，而要用合适的负色散去补偿，才可能得到最窄的脉冲宽度。

3.4SESAM锁模

克尔透镜锁模（KLM）是九十年代初发展起来的一种产生超短脉冲的简单方法，但是克尔透镜锁模存在一些缺点：

在一般条件下不能自启动，因而需要一个启动机制，比如敲一下外壳或腔镜，或者移动腔镜或棱镜等；稳定性差，敲击可以启动锁模，也可以中断锁模。

不经意的振动，空气的流动也会干扰锁模；谐振腔的准直要求比较特殊，谐振腔必须调到稳区的边缘；此外，有些激光器由于泵浦源功率比较小，腔内功率达不到克尔锁模所需的光强，也需要用可饱和吸收这种被动锁模机制。

传统的被动锁模激光镜采用喷液式染料可饱和吸收器作为被动锁模器件，但是这种锁模方式既不方便，还有毒性。

这就促使人们寻找一种更为有效的被动锁模器件。

另一方面，由于半导体外延（epitaxy，包括分子束外延MBE和金属有机化学气相沉积MOCVD）技术的发展以及半导体材料在很宽的范围内可变的吸收带，半导体可饱和吸收器成为非常有潜力的锁模器件。

这种半导体可饱和吸收体可以用外延法直接生长在半导体布拉格反射镜上，因此被叫做可饱和半导体布拉格反射镜（SaturableBraggReflector，简称SBR）或半导体可饱和吸收反射镜（SemiconductorSaturableAbsorberMirror，简称SESAM）。

近年来，这种反射镜得到了非常迅速的发展和应用。

4.LD泵浦掺Yb晶体的自锁模和SESAM锁模激光器[

Yb:

LSO宽的吸收和发射谱，并且高的热导率。

对于Yb:

LSO晶体，可以通过采用高浓度的薄片来降低LD泵浦光束和腔内基础模式之间的不匹配度，获得高效率的激光性能。

高的热导率，Yb:

LSO晶体具有宽的吸收带和宽的发射谱，大的受激发射截面，及高特别适合于作为全固化锁模激光器的增益介质。

4.1LD泵浦Yb：

LSO晶体的自锁模激光器

掺Yb晶体激光器是国内外研究热点，超快和可调谐激光器的研究己经取得显著成果。

本章采用Yb:

LSO激光晶体，采用不同激光谐振腔，分别获得高功率自锁模激光超短脉冲输出。

由文献[13]以下的图4-1是实现自锁模激光器的装置图。

图4-1自模激光器的实验原理图

自锁模技术是利用腔内介质克尔自聚焦效应，与放置于腔内光阑（硬光阑）或泵浦光束（软光阑）产生一个快可饱和吸收体，进行锁模和脉冲压缩。

在实验中，实现自锁模的首要条件就是要通过对激光器各腔镜，Yb:

LSO晶体的相对位置的调节，使激光器的满足连续运转时的损耗较高，而在锁模脉冲运转时相对损耗较低;同时需要激光器在连续运转时，腔内有足够高腔内功率密度，以增加初始脉冲产生的自聚焦效应。

谐振腔的结构参数处在连续运转状态增益区边缘时，有利于实现自锁模运转，因为这时光阑处的光斑对功率的变化率最大，即

（4.1）

式中口为的光斑半径，P为光功率，文献中称b为自锁模启动因子应该是负值而且绝对值应该尽量的大，这样可以使激光器容易启动自锁模。

一般而言，为了使激光器在自锁模状态下正常工作，要求腔内功率密度足够高，增益介质中的光强足够强。

本实验中，为得到稳定的自锁模脉冲，使用透过率比较低的输出镜，当泵浦功率达到一定值时，激光器实现了自锁模运转。

4.2LD泵浦Yb：

LSO/SESAM锁模激光器

Yb:

LSO晶体是LD泵浦激光器和高功率激光器的理想激光介质，利用SESAM作为锁模器件，可以实现皮秒锁模激光输出。

以下图4-2是实现SESAM皮秒锁模激光器的装置图。

图4-2SESAM被动锁模皮秒激光器的原理图

L为激光晶体的长度，.

为晶体的热透镜焦距，可表示为:

（4.2）

其中，Kc为热传导系数，

为平均泵浦光斑半径，

为引起热效应的泵浦功率，dn/dt为热光系数，

为吸收系数，L为激光晶体的长度。

利用矩阵乘法，求出矩阵元A,B,C,D，根据稳定性条件:

（4.3）

在设计谐振腔时，需考虑谐振腔各参数来满足其稳定性条件，同时可求出晶体处和SESAM上的光斑半径

：

（4.4）

在设计谐振腔过程中，首先要使各参数满足腔稳定条件，还要在晶体处取得泵浦光与振荡光的模式匹配，其泵浦光经祸合系统聚焦后，其泵浦光斑应略小于振荡光的基模光斑大小，从而实现模式匹配并抑制多模的产生。

谐振腔采用半导体可饱和吸收体作为锁模元件，腔镜M:

处通常为SESAM位置，设计谐振腔时还要取合适的参数，使振荡光斑在SESAM处光斑半径理想大小，在SESAM得到足够高的功率密度实现调制。

此外，如果我们在上一个装置图的谐振腔内色散补偿器，对激光脉冲进行压缩，就可能得到飞秒量级的激光脉冲输出。

5.结论

LD泵浦的超快激光近些年得到了快速的发展，并且广泛应用于工业加工、化学、科学研究和军事方面。

掺

晶体由于其特殊的光学特性和三能级特点，作为一种良好的制成超快激光的介质，特别是随着高亮度的InGaAs激光二极管泵浦源稳定性的升高及其成本的降低以及人们对激光器的高效、高功率、微型化、集成化的追求，适应这一波段的掺

晶体受到人们的重视。

要实现超快激光，我们最常用的技术是锁模技术，锁模技术经历了主动锁模、被动锁模、主被动锁模、碰撞锁模、自锁模等阶段。

目前人们研究的焦点主要集中在