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周期量级光脉冲单元技术及Yb：YAG薄片激光器的研究

作　者: 曹士英
导　师: 张志刚
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 空心光纤成丝光谱展宽单周期脉冲 SPIDER 薄片激光器
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

周期量级激光脉冲不仅是飞秒激光脉冲发展的必然趋势,也是产生阿秒脉冲、推动阿秒科学发展的必经阶段和必要手段。本论文主要围绕周期量级光脉冲获取的单元技术以及重复频率为100kHz的Yb:YAG薄片激光器两方面进行实验研究。论文的主要内容包括:一、将充气空心光纤技术与成丝技术相结合,实验分析了自由成丝状态和有空心光纤束缚成丝状态下的光谱差别,并系统研究了在自由成丝状态下,输入脉冲能量、充气气压对成丝光谱展宽的影响,以及有空心光纤束缚时,输入脉冲能量、空心光纤所处成丝位置、空心光纤芯径等实验参数对光谱展宽的影响。二、利用空心光纤作为探测器,在强飞秒激光在氩气中成丝的条件下,研究了成丝不同部位的光谱变化,进而推断出成丝范围内脉冲的时域变化。结果表明,空心光纤位于成丝的特定位置时可以获得最宽光谱展宽,对应于成丝部位的最窄脉冲,因此间接证明了成丝的长度范围内,脉冲宽度呈非均匀分布。三、对用于评价周期量级光脉冲时域信息的SPIDER装置进行了改进和完善,并成功推出了用于测量飞秒脉冲位相的硬件和软件系统,实现了可靠性、实用性的飞秒脉冲位相测量仪国产化机型。飞秒脉冲位相测量仪在硬件上,采用超薄、超宽带分束镜和超薄非线性转换晶体,有效地减小了附加色散并增大了测量带宽;在软件上,采用独立开发的新型解析算法使位相测量更加精确;在操作上,基于VC编程环境,开发出了具有美观友好的人机对话交互界面,使脉冲位相测量的操作更加可视化。四、利用薄片Yb:YAG晶体模块,实验分析了影响Yb:YAG薄片激光器腔内损耗的各种因素;采用声光调Q技术,分析了输出耦合镜透射率、偏振以及重复频率对调Q脉冲输出功率的影响,研究了影响Yb:YAG薄片激光器的调Q输出稳定性的因素,并进一步采用倍频技术获取了二倍频光脉冲输出。通过优化声光Q开关超声功率、Q开关开门宽度以及偏振性提高了脉冲输出的稳定性。在重复频率为100kHz的条件下,获得了平均功率50W的基频调Q脉冲输出,脉冲宽度205ns,脉冲不稳定性为2.0%rms以及20W的倍频光输出,脉冲宽度195ns,脉冲不稳定性为1.5%rms。为建立并实现100kHz的钛宝石激光放大器的提供了基础。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-13
第一章绪论  13-31
  1.1 单周期光脉冲研究进展  13-23
    1.1.1 光参量放大技术  14-15
    1.1.2 单模光纤展宽光谱再压缩技术  15-16
    1.1.3 固体介质展宽光谱再压缩技术  16
    1.1.4 光子晶体光纤展宽光谱再压缩技术  16-17
    1.1.5 充气空心光纤展宽光谱再压缩技术  17-21
    1.1.6 成丝展宽光谱再压缩技术  21-22
    1.1.7 成丝自压缩技术  22-23
  1.2 Yb：YAG 薄片激光器简介  23-27
    1.2.1 薄片激光器简介  23-24
    1.2.2 薄片激光器基本原理  24-26
    1.2.3 Yb：YAG 薄片激光器的特性  26-27
  1.3 选题的意义、论文的主要工作及创新  27-31
    1.3.1 选题的意义  27-29
    1.3.2 论文的主要工作  29
    1.3.3 论文的创新点  29-31
第二章飞秒激光与气体介质相互作用的理论基础  31-53
  2.1 非线性折射率  31-34
  2.2 激光在充惰性气体的空心光纤中传输  34-41
    2.2.1 激光在空心光纤中的传输  35-39
    2.2.2 惰性气体的非线性和色散  39-41
  2.3 激光在惰性气体中的成丝  41-48
    2.3.1 自聚焦效应  41-47
      2.3.3.1 稳态自聚焦理论  42-46
      2.3.3.2 动态自聚焦效应  46-47
    2.3.2 自散焦效应  47-48
  2.4 激光与介质相互作用产生成丝的长度模型  48-52
  2.5 小结  52-53
第三章空心光纤束缚强飞秒脉冲在高压气体中成丝的实验研究  53-71
  3.1 kHz 高功率短脉冲飞秒激光放大器  53-55
    3.1.1 Spitfire 50fs-1K-HP 的基本结构  53-54
    3.1.2 Spitfire 50fs-1K-HP 的输出特性  54-55
  3.2 充气空心光纤光谱展宽的实验装置  55-58
    3.2.1 内置空心光纤的密闭腔装置  55-57
    3.2.2 实验装置图  57-58
  3.3 惰性气体中成丝的实验结果及分析  58-63
    3.3.1 聚焦镜对光谱展宽的影响  58-59
    3.3.2 气体种类对光谱展宽的影响  59-61
    3.3.3 气体压强对光谱展宽的影响  61
    3.3.4 脉冲能量对光谱展宽的影响  61-63
  3.4 空心光纤束缚惰性气体中成丝的实验结果及分析  63-67
    3.4.1 有无空心光纤束缚成丝时对光谱展宽的影响  63-65
    3.4.2 不同芯径空心光纤对光谱展宽的影响  65-67
  3.5 利用空心光纤探测飞秒脉冲在氩气中成丝过程中的光谱演变  67-70
  3.6 小结  70-71
第四章单周期脉冲位相测量仪的研制  71-83
  4.1 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的基本原理  72-73
  4.2 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的基本算法  73-74
  4.3 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的基本结构  74-78
    4.3.1 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的基本结构  74-75
    4.3.2 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的器件参数  75-78
  4.4 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的参数指标  78
  4.5 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的实测结果  78-81
  4.6 小结  81-83
第五章高重复频率Yb：YAG 薄片激光器  83-100
  5.1 调Q 输出Yb：YAG 薄片激光器的实验结构图  83-86
  5.2 薄片激光器的偏振输出  86-87
  5.3 薄片激光器的调Q 输出  87-90
  5.4 调Q 输出薄片激光器的参数检验  90-92
    5.4.1 直流成份掺杂的检验  90-91
    5.4.2 重复频率对调Q 脉冲的影响  91
    5.4.3 偏振对调Q 脉冲的影响  91-92
  5.5 调Q 输出薄片激光器的稳定性  92-96
    5.5.1 AO 驱动功率对稳定性的影响  92-94
    5.5.2 AO 驱动门宽度对稳定性的影响  94
    5.5.3 偏振对稳定性的影响  94-96
  5.6 调Q 输出薄片激光器的倍频输出  96-98
  5.7 小结  98-100
第六章本论文工作的总结  100-102
参考文献  102-116
发表论文和科研情况说明  116-118
附录  118-127
  附录一 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的准直  118-119
  附录二 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的参数测量  119-120
  附录三 SPIDER-1 型脉冲位相测量仪的软件使用说明  120-127
    附3.1 数据文件输入  122
    附3.2 滤波选择  122-123
    附3.3 参数控制  123
    附3.4 数据图形显示  123-125
    附3.5 程序运行  125-126
    附3.6 数据文件输出  126-127
致谢  127

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