种子注入的短脉冲激光器特性研究
光纤激光器中超短脉冲传输特性研究的开题报告
光纤激光器中超短脉冲传输特性研究的开题报告一、题目：光纤激光器中超短脉冲传输特性研究二、研究背景：随着信息通信技术的不断发展，对高速数据传输的需求越来越大。
而光纤通信作为一种高速传输方式，被广泛应用于各个领域。
在光纤通信中，激光器作为一种重要的光源，在传输过程中起着至关重要的作用。
超短脉冲激光器由于它的超短脉冲（在皮秒或飞秒级别）以及高峰值功率，被广泛应用于高速数据传输、遥感、医学等领域。
因此，研究光纤激光器中超短脉冲传输特性具有重要的理论和应用价值。
三、研究内容：1. 研究超短脉冲激光器的工作原理以及超短脉冲激光器在光纤中传输的理论基础。
2. 分析超短脉冲在光纤中传输的物理过程，探究光纤中超短脉冲产生的色散效应、非线性效应等对传输质量的影响。
3. 通过建立光纤激光器的数学模型，结合MATLAB等计算工具，对超短脉冲在光纤中的传输特性进行模拟分析。
4. 针对光纤激光器中超短脉冲传输过程中遇到的问题与挑战，探究可行的解决方案和优化方法。
5. 根据实验结果和模拟分析，总结光纤激光器中超短脉冲传输的特点和规律。
四、研究意义：1. 对光纤激光器中超短脉冲的传输特性进行研究，有助于深入了解光纤通信系统的工作原理和优化方法。
2. 研究光纤激光器中超短脉冲传输的物理过程以及非线性效应等对传输质量的影响有助于提高光纤通信系统的传输质量。
3. 能够为超短脉冲激光器在高速数据传输、遥感、医学等领域的应用奠定理论基础。
五、研究方法：本研究主要采用理论分析和数值模拟相结合的方法。
通过理论分析的方法，探讨超短脉冲激光器在光纤中传输的物理过程和影响因素，并通过数值分析的方法，验证理论分析的结果。
同时，通过实验的方法，对模拟分析的结果进行验证和修正。
六、论文结构：本文分为以下几个部分：第一部分为绪论，介绍了光纤激光器中超短脉冲传输特性的研究背景、研究内容和研究意义。
第二部分为文献综述，对光纤激光器、超短脉冲激光器、光纤传输和光纤通信系统等相关领域的研究进展进行了综述。
超短脉冲激光器的实验及理论研究
超短脉冲激光器的实验及理论研究【摘要】：本文主要针对超短脉冲激光器系统,分别从实验上和理论上对超短脉冲的产生及演变做了较为详细的研究。
根据ABCD矩阵规律,对激光器的稳定工作区域及克尔透镜锁模强度进行数值计算,并完成对激光器最佳像散补偿角的确定和有利于锁模产生的最佳腔参数的选择。
实验上,我们采用Cr~(4+):YAG晶体作为激光增益介质,对连续可调谐及克尔透镜锁模Cr~(4+):YAG激光器的工作特性做了较为细致深入的研究,并给出了一些有价值的结果。
另外在理论方面,采用修正的高阶复系数Ginzburg-Landau方程作为超短脉冲激光器系统的理论研究模型,对激光器中超短脉冲的演变及稳定性进行数值模拟,并给出了稳定解以及它们存在的参数限制条件。
最后,针对五次复系数Ginzburg-Landau方程几种特殊孤波解,简要地研究了三阶色散对这些孤波传输的影响以及它们的相邻相互作用及其抑制。
本文主要内容及结果如下:1)利用ABCD矩阵法对Cr~(4+):YAG激光器的谐振腔进行了数值计算,从而得到谐振腔的最佳像散补偿角和最佳模式匹配参数;并从理论上讨论了谐振腔参数的选择对激光器稳定区域的影响。
实验上,当泵浦功率为8w时,得到了高达580mw的连续光输出;采用棱镜作为调谐元件,实现了连续可调谐范围达160nm的连续可调谐运转,这样的结果在国内尚属首例。
2)利用克尔介质的非线性ABCD传输矩阵公式,分析克尔透镜锁模灵敏度δ在KLM激光器中的重要作用及其与谐振腔参数之间的关系,并结合我们实验中所用的四镜像散补偿腔,得到了有利于锁模产生的参数范围。
采用棱镜对进行色散补偿,同时采用半导体可饱和吸收镜作为克尔透镜锁模的启动元件,实现了Cr~(4+):YAG激光器的锁模运转,并得到了谱线展宽约为37nm,中心波长位于1520nm的锁模脉冲。
这样的克尔透镜锁模Cr~(4+):YAG激光器在国内还是首例。
3)首次给出了描述超短脉冲激光器系统中脉冲演化,且同时包含了三阶色散、非线性色散、自陡峭以及拉曼自频移等高阶效应和快、【关键词】：超短脉冲克尔透镜锁模Cr~(4+):YAG激光器理论模型【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2005【分类号】：TN248【目录】：摘要9-11ABSTRACT11-13第一章引言13-28§1.1超短脉冲激光器的发展历史14-15§1.2自锁模激光技术的发展概述15-19§1.3超短脉冲激光器的理论研究进展19-21§1.4Cr~(4+)：YAG激光器的研究进展21-22§1.5本文主要内容22-24参考文献24-28第二章连续可调谐的Cr~(4+)：Y AG激光器28-40§2.1Cr~(4+)：YAG晶体特性28-30§2.2谐振腔结构及其稳定性分析30-35§2.3连续可调谐的Cr~(4+)：YAG激光器35-38§2.4本章小结38-39参考文献39-40第三章克尔透镜锁模Cr~(4+)：YAG激光器40-65§3.1克尔透镜锁模脉冲的形成机理40-52§3.2Cr~(4+)：YAG激光器的色散补偿特性52-57§3.3半导体可饱和吸收镜(SESAM)简介57-60§3.4实验结果60-62§3.5本章小节62-63参考文献63-65第四章超短脉冲激光器的理论研究65-85§4.1理论模型的建立背景65-67§4.2修正的复系数Ginzburg-Landau方程67-69§4.3高阶复系数Ginzburg-Landau方程69-82§4.4本章小结82-83参考文献83-85第五章三阶色散对新型孤波传输的影响85-98§5.1三种新型孤波介绍85-87§5.2三阶色散对平脉动孤波的影响87-88§5.3三阶色散对爆发孤波的影响88-90§5.4三阶色散对蠕变孤波的影响90-93§5.5三阶色散对呼吸子解传输特性的影响93-95§5.6本章小结95-96参考文献96-98第六章QCGLE特殊孤波解的相互作用研究98-108§6.1呼吸子解的相互作用及其抑制98-100§6.2平脉动孤波的相互作用及其抑制100-102§6.3爆发孤波的相互作用及其抑制102-103§6.4蠕变孤波的相互作用及其抑制103-105§6.5本章小结105-107参考文献107-108第七章结束语108-109攻读博士期间发表和待发表的论文109-110致谢110-111承诺书111-112 本论文购买请联系页眉网站。
光纤超短脉冲激光的产生和放大的研究的开题报告
光纤超短脉冲激光的产生和放大的研究的开题报告
1. 研究背景
超短脉冲激光已广泛应用于生命科学、医学检测、精密加工、纳米材料制备等领域，具有很高的应用价值。
而光纤超短脉冲激光是近年来出现的一种重要的光学源，
其具有体积小、操作简便、维护成本低等优点，受到了越来越多的关注。
因此，开展
光纤超短脉冲激光的产生和放大的研究有着重要的现实意义。
2. 研究内容
本研究旨在通过对光纤超短脉冲激光产生和放大的研究，探究其产生和放大的机理，研究其特性和应用。
具体研究内容如下：
（1）光纤超短脉冲激光的产生机理研究：从光纤材料入手，分析光纤超短脉冲
激光产生机理，研究其产生的物理过程和原理。
（2）光纤超短脉冲激光的放大机理研究：从光纤材料、放大器结构等方面入手，探究其放大的物理过程和原理，研究如何提高其功率和能量。
（3）光纤超短脉冲激光的特性研究：探究光纤超短脉冲激光的波长、带宽、重
复频率、脉宽等特性，分析其特点和优势。
（4）光纤超短脉冲激光的应用研究：从生物医学、材料加工等方面入手，探究
光纤超短脉冲激光的应用前景和潜力。
3. 研究方法
本研究将采用理论研究和实验研究相结合的方式，通过理论分析和模拟计算，深入探究光纤超短脉冲激光的产生和放大机理，建立其物理模型和数学模型；同时，通
过搭建实验平台，开展实验研究，验证模型的正确性，并探究光纤超短脉冲激光的特
性和应用。
4. 研究意义
本研究将有助于深入理解光纤超短脉冲激光的产生和放大机理，掌握其特性和优势。
同时，通过对光纤超短脉冲激光的应用研究，拓展其应用领域，推动其在生命科学、医学检测、精密加工、纳米材料制备等领域的应用。
半导体激光器件中的短脉冲与快速启停特性分析
半导体激光器件中的短脉冲与快速启停特性分析激光技术作为一种重要的光学技术，在现代科学、工业和医疗等领域中扮演着重要角色。
半导体激光器件作为其中的重要一种，具有快速启停特性以及短脉冲特性，广泛应用于激光雷达、光通信、生物医学、材料加工等领域。
短脉冲是半导体激光器件的重要特性之一。
短脉冲激光具有较高的峰值功率和较短的脉冲宽度，能够实现更高的光能量聚焦，从而在材料加工和生物医学领域中发挥重要作用。
短脉冲激光器件的关键是实现脉冲宽度的控制和调节。
常用的控制手段包括外差技术、模式锁定技术和相位调制技术等。
通过这些技术，短脉冲激光器件能够产生纳秒甚至飞秒级别的脉冲宽度，为材料加工和生物医学应用提供了更多的可能性。
快速启停特性是半导体激光器件另一个重要的特性。
快速启停是指激光器件从关断状态到工作状态的时间。
在各种应用中，快速启停对于实现高速通信、精确测量和快速刺激等起着关键作用。
快速启停特性的实现依赖于半导体激光器件内部的载流子注入和抽取过程以及激光谐振腔的特性。
通过优化载流子注入和抽取速度、调节谐振腔的反射率，可以实现快速启停特性的改善。
实现半导体激光器件中的短脉冲和快速启停特性的关键技术包括尺寸约束、材料选择、结构设计和工艺优化等。
首先，通过对半导体材料的选择和优化，可以实现更高的载流子注入速度和更高的激射效率。
其次，通过调节激光器件的结构设计，例如改变腔长、非线性结构的引入等，可以实现更短的脉冲宽度和更好的快速启停特性。
最后，通过工艺优化，例如控制腔长、优化反射率和调节阈值电流等，可以实现更高的脉冲功率和更好的启停特性。
半导体激光器件中短脉冲和快速启停特性的提升，除了关键技术的优化之外，还需要对器件内部的物理和电学过程有深入的理解。
例如，短脉冲的产生与激光谐振腔模式的选择和调节密切相关，对载流子注入和抽取速度的理解能够实现快速启停特性的改善。
因此，通过理论模拟和实验测试的相结合，可以更好地理解半导体激光器件中短脉冲和快速启停特性的机理，从而指导技术的优化和应用的开发。
超短脉冲光束的传输特性研究的开题报告
超短脉冲光束的传输特性研究的开题报告一、研究背景及意义超短脉冲光束在光学、光电子学、生物医学等领域得到广泛应用。
超短脉冲光束具有极高的峰值功率、短脉冲宽度和重复频率，因此能够产生极高强度的电磁场和非线性光学效应，对材料进行微加工、纳米加工和表面改性等应用具有关键作用。
在超短脉冲激光应用中，精确控制光束传输特性是至关重要的。
因为超短脉冲激光的光束特性与它所携带的信息紧密相关，传输过程中的颜色失配、群排异、自聚焦等非线性效应会使得光束质量变差，严重影响传输距离和应用效能。
因此，研究超短脉冲光束的传输性质，通过对具有非线性光学特性的光学物质进行优化控制，实现对光束的紧密控制和优化调节，将为超短脉冲激光的应用提供有力保障。
二、研究内容及目标1.理论计算超短脉冲光束的传输特性，包括光束传输距离、波前畸变、聚焦功率密度和色散特性等。
在此基础上，系统分析和探究超短脉冲光束在不同光学物质中的传输规律，特别是多光子吸收、自聚焦和自相位调制等非线性效应。
2.开展相关实验研究，利用超短脉冲激光实验平台，探究超短脉冲光束在不同材料中的传输规律和特性。
通过实验数据进行分析和评估，进一步验证传输特性的理论计算模型的可靠性和适用性，并为分析实际应用过程中的效果提供数据支持。
3.针对传输距离，利用光学物质对传输过程中的发光材料、非线性吸收材料等进行改性和调控，探索控制光束能量和保持光束质量的方案和技术手段，开拓优化超短脉冲光束应用的途径和方法。
三、研究方法与技术路线1.理论计算：采用经典的波动光学和非线性光学理论，建立理论计算模型，通过计算机数值模拟的手段进行可靠的理论预测。
2.实验研究：利用超短脉冲激光实验平台，进行相关实验研究，并采用高速探测器、高分辨光谱仪等对实验结果进行记录和分析。
同时，开展光学物质对线性和非线性光学特性的调控和研究。
3.数据处理与分析：结合理论计算和实验数据，对研究结果进行分析和评估，并进行综合归纳，得出适合超短脉冲光束的光学材料和优化方案。
光纤激光器中超短脉冲传输特性研究
光纤激光器中超短脉冲传输特性研究【摘要】：本文在充分了解了自相似脉冲的研究背景、研究现状及应用的基础上,简单地介绍了在光纤放大器中传输的光脉冲基本的数学模型,即非线性薛定谔方程(NLSE)以及复系数非线性薛定谔方程—Ginzburg-Landau方程,并阐述了求解该类方程常用的数值方法一分步傅里叶变换法；研究了在含各高阶效应的光纤放大器中的自相似脉冲的传输特性,并着重探讨了增益色散和双光子吸收对自相似脉冲的影响,及其两参数之间的线性关系和两者的分布区间图；同时也研究了线性增益对自相似脉冲传输特性的影响,以及两者的分布区间图。
研究结果表明：只要系统参数选取合适,任意的初始输入脉冲都可以在包含增益饱和、增益色散、三阶色散、自频移和自陡峭等效应的光纤放大器中演化为自相似脉冲。
当参数ε和χ或δ和χ在一定参数区间内取值时,可以用倒置的抛物线对自相似脉冲的中心区域进行描绘；而且参数ε和χ或δ和χ在相应区间内近似成线性关系,并且脉冲的功率,有效脉宽,峰值振幅及脉冲能量随着参数的变化相应的大小及增长速度也会发生变化。
从而说明,在光纤放大器中,合理选择系统参数对于获得我们所需要的自相似脉冲是非常重要的。
【关键词】：自相似脉冲光纤放大器高阶非线性效应参数区间【学位授予单位】：山西大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TN722【目录】：中文摘要8-9ABSTRACT9-10第一章引言10-211.1自相似脉冲的研究背景10-111.2自相似脉冲研究现状及应用11-191.2.1研究现状11-161.2.2研究应用16-191.3主要内容介绍19-21第二章脉冲在光纤放大器中传输的基本方程21-292.1麦克斯韦方程组21-222.2非线性薛定谔方程22-252.3复系数非线性薛定谔方程—Ginzburg-Landau(CGL)方程25-262.4计算方法26-282.5本章小结28-29第三章增益色散和双光子吸收对自相似脉冲的影响29-363.1含各高阶效应的光纤放大器的理论模型29-303.2高阶CGL方程的渐近解30-323.3理论分析与数值模拟32-353.4本章小结35-36第四章线性增益和双光子吸收对自相似脉冲的影响36-424.1理论分析与数值模拟36-404.2本章小结40-42第五章结束语42-43参考文献43-49攻读学位期间取得的研究成果49-50致谢50-51个人简况及联系方式51-53 本论文购买请联系页眉网站。
精密加工中超短脉冲激光的制备及性能研究
精密加工中超短脉冲激光的制备及性能研究超短脉冲激光在精密加工中有着广泛的应用。
本文将介绍超短脉冲激光的制备及其在精密加工中的性能研究。
一、超短脉冲激光的制备超短脉冲激光的制备是通过模式锁定技术产生的。
这种技术是通过使激光介质具有强非线性效应，使得激光在椭圆和线性极化模式之间切换，从而使激光脉冲宽度变得很短。
超短脉冲激光的脉冲宽度通常在几百飞秒至几十飞秒之间。
二、超短脉冲激光在精密加工中的应用超短脉冲激光在精密加工中有很多应用，其中最重要的是微细加工和表面改性。
超短脉冲激光的微细加工能力十分强大，可以用于加工非常小的结构，比如微型零件，甚至可以通过控制激光的位置和强度来加工三维结构。
此外，超短脉冲激光还可以用于表面改性，比如材料表面的纳米结构化和改善表面的粗糙度。
三、超短脉冲激光对精密加工的影响超短脉冲激光在精密加工中有很多优点，比如能够实现高精度和微细加工，不会造成较大的热损伤和材料变形，并且能够改善表面的质量。
此外，超短脉冲激光的微细加工速度较快，能够在很短的时间内完成复杂的加工过程。
然而，超短脉冲激光也存在一些缺点。
超短脉冲激光的加工效果对环境条件非常敏感，比如湿度和温度的变化均会影响加工结果；同时，超短脉冲激光的设备价格较高，不利于推广应用。
四、超短脉冲激光的未来发展未来，随着科技的不断发展和超短脉冲激光技术的不断进步，超短脉冲激光的应用将越来越广泛。
首先，超短脉冲激光的加工效率将得到显着提高，从而能够更好地满足工业生产的需要。
此外，随着材料科学和纳米技术的不断发展，超短脉冲激光的微型加工能力也将得到进一步提高。
同时，将进一步研究超短脉冲激光在不同材料上的表面改性效果，以推动其在新领域的应用。
总之，超短脉冲激光是一种高度精密的工作的方式，具有广泛的应用前景。
虽然仍存在一些挑战和问题，但我们相信，随着超短脉冲激光技术的不断发展和研究的进一步深入，其性能和应用的广度将得到不断提高。
短脉冲激光对材料的微纳加工研究
短脉冲激光对材料的微纳加工研究短脉冲激光是一种尖端的微纳加工工具，由于其高能量浓度、高处理速度、无热效应等优点，被广泛应用于微纳加工领域。
本文将介绍短脉冲激光对材料的微纳加工研究。
一、短脉冲激光简介短脉冲激光是一种时间长度在皮秒、飞秒甚至亚飞秒以下的激光。
与常规激光相比，短脉冲激光具有以下特点：1.高能量密度：短脉冲激光的能量密度远高于常规激光，能量浓度可达百万亿级别。
2.高处理速度：由于短脉冲激光的能量密度极高，处理速度也随之提高。
3.无热效应：短脉冲激光的脉冲时间极短，瞬间作用于材料表面，避免了对材料的热影响。
二、短脉冲激光在微纳加工中的应用短脉冲激光在微纳加工中被广泛应用，包括微电子学、生物医学和材料科学等领域。
下面将就短脉冲激光在微纳加工中的应用做详细介绍。
1.微电子学短脉冲激光在微电子学中的主要应用为半导体材料刻蚀和蚀刻。
半导体器件的制造过程中，需要在半导体材料表面和表面之间形成不同形状、深度和宽度的结构。
由于短脉冲激光具有高能量密度和高处理速度的特点，可以较快地去除材料表面的层并形成高质量的微细结构。
2.生物医学短脉冲激光在生物医学中的主要应用为细胞图案刻印和蛋白质微阵列制备等。
短脉冲激光可以刻印出各种形状与结构的细胞图案。
通过刻印不同形状的细胞图案，可以研究细胞的形态、分子调控以及细胞在不同生长环境下的行为。
通过利用短脉冲激光在微纳米尺寸上的加工能力，可制备出高质量的蛋白质微阵列，以实现生物传感、医学诊断等领域的应用。
3.材料科学短脉冲激光在材料科学中的主要应用为表面微纳加工、精细切割和合成颗粒等。
表面微纳加工利用短脉冲激光去除物质表面，可制备出高质量的微纳结构，也可以通过选择不同的激光参数来实现特定形状和表面结构的制备。
精细切割利用短脉冲激光的高精度和高速度，可将材料切割成特定形状的零件。
合成颗粒利用短脉冲激光高能量密度和高处理速度的特点，能在极短时间内合成具有特殊结构和性质的微纳颗粒。
超短激光脉冲的空间展宽及其啁啾特性研究
通信作者；戴晔， ：
Ｅｍａｉｌ ｙｅｄａｉ＠ ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
６２
大 学 物 理
第 ３８ 卷
中心波长依次偏移产生频率梯度形成空间啁啾，而 各频谱分量随抵达等相位面的时间出现偏移产生时 间啁啾． 两者之间是互相关联的，但是在本文中仅 讨论由于光斑展宽引起的空间啁啾变化．
２ 激光器参数和实验光路图
确调整并读数，同时脉冲相对于光栅的入射角也可
以进行调节． 闪耀光栅表面刻有周期性结构的凹
槽，能够实现特定阶次的衍射效率最大化． 如图 １
所示，取 ｘ 轴垂直于光栅刻线的方向，此即衍射光谱
的展开方向，ｙ 为光栅刻痕方向． 光栅线密度为 ６００
ｌ ／ ｍｍ，等于光栅常量 ｄ 的倒数，闪耀角 γ ＝ １４°，若令
摘要：本文讨论了具有一定频谱宽度的超短激光脉冲经过一对平行光栅后的空间展宽特性． 首先应用经典的光栅方程推 导了脉冲光经过光栅对后在空间上展宽的计算公式． 结果表明随着光栅对之间距离的增加，输出脉冲光斑的横轴长度会随之 增加，理论结果与实验结果基本一致．最后利用光纤光谱仪逐点测量了展宽后脉冲光斑的空间光谱分布特性，验证了其空间啁 啾特征的出现．
更高的峰值功率，从而推动了其在材料加工和医疗
诊断方面的应用［３，４］． 啁啾脉冲放大技术是先将脉
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
冲从时域上进行展宽从而降低峰值功率，然后进入
放大器中进行各频谱分量的增益放大，最后再将脉
冲进行压缩恢复到初始脉宽从而得到超短超强激
光．光栅对、倾斜基片、棱镜对、傅立叶合成脉冲整形
器等是常用的展宽和压缩装置［５］． 本实验用平行的
入射光与光栅平面法线夹角 α 为 ２５°，此参数下由
闪耀光栅一级闪耀波长计算公式［１２］
用于种子注入的微型二极管泵浦激光器
用于种子注入的微型二极管泵浦激光器
赵卫;王涛;杨延龙;陈国夫;朱宝亮
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2003(32)7
【摘要】设计了一种用于种子注入的微型二极管泵浦激光器 ,并从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发 ,对种子激光器的增益介质、耦合系统、谐振腔进行了优化设计实验研究表明 ,该激光器运转稳定 ,输出光束质量高 ,光束发散角小 ,输出功率可达 80mW 。
【总页数】4页(P786-789)
【关键词】二极管泵浦;种子注入;微型激光器;增益介质;耦合系统;谐振腔
【作者】赵卫;王涛;杨延龙;陈国夫;朱宝亮
【作者单位】瞬态光学技术国家重点实验室;北京理工大学光电技术系
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.1
【相关文献】
1.激光二极管侧面泵浦薄片激光器的泵浦光场分布研究 [J], 刘全喜;钟鸣;刘文兵;任刚;夏惠军;杨美霞;衣学斌;温洋
2.二极管泵浦的微型绿光激光器 [J], 巩马理
3.二极管泵浦激光器采用微型透镜 [J],
4.二极管泵浦激光器中泵浦光分布对激光器模式影响程度的计算方法 [J], 王石语;
徐明顺;刘国荣;林林;位永辉
5.二极管泵浦的微型固体激光器 [J], Heine.,S;南山
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第16卷 第6期强激光与粒子束Vol.16,No.6 2004年6月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS J un.,2004 文章编号:100124322(2004)0620712205种子注入的短脉冲激光器特性研究Ξ赵 卫1, 王 涛1, 朱少岚1, 杨延龙1, 朱宝亮2,王屹山1, 陈国夫1, 程 昭1, 刘 丽2(1.中国科学院西安光学精密机械研究所,瞬态光学技术国家重点实验室,陕西西安710068;2.北京理工大学光电技术系,北京100081) 摘 要: 从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发,设计了一种微型二极管泵浦激光器,并对种子激光器的结构和参数进行了优化。
该激光器运转稳定,输出光束质量高,光束发散角小,光2光转化效率为1714%,斜率效率可达24%,输出功率可达80mW。
将此种子激光注入到调Q激光器中,改善了调Q激光器的输出特性,使得激光脉冲的建立时间缩短了40ns,输出的横模场分布得到了明显改善。
关键词: 种子注入; 调Q激光器; 微型激光器 中图分类号:TN242 文献标识码:A 高功率、高质量光束的短脉冲激光光源在相干检测、激光雷达、光化学、光诱导以及等离子体物理等方面有许多应用。
普通高功率激光器,由于激光增益较高而产生的多模(横模、纵模)振荡,空间烧孔效应,热致透镜效应和双折射效应,都会不同程度降低输出光束质量[1]。
注入锁定技术是获得高质量、高功率激光输出的一种简单有效的方法[2～7],可以有效地控制激光的时间特性、空间特性和方向性等。
在该技术中,性能优良的种子激光是实现注入锁定的关键因素之一[8]。
由于LD泵浦薄片激光器可获得很好的基横模分布,且体积小,结构紧凑,总体转换效率高[9～11],因而我们选用了LD泵浦薄片激光器作为种子激光器,并对这种种子注入的短脉冲激光器进行了优化设计和实验研究。
1 系统构成及实验研究 实验系统主要由四部分组成,即种子激光器、耦合系统、功率振荡器和测量装置,如图1所示。
Fig.1 Experiment scheme of seed injection图1 种子激光注入实验光路图1.1 种子激光器的输出特性 实验中Nd:YVO4晶体与凹面镜放置在同一个调整架上,与激光二极管固定在同一个平台上。
通过调节凹面镜的中心位置和俯仰角来改变激光空间模式特性,由此获得基横模输出。
旋转Nd:YVO4晶体,种子激光输出将发生变化。
在某个位置,最大输出功率可达80mW,由晶体性质可以确定为π偏振光。
将LD温度设定在Ξ收稿日期:2003203225; 修订日期:2003212204基金项目:国家自然科学基金资助课题(60078004) 作者简介:赵 卫(1963—),男,研究员,主要从事超快光学技术研究;西安市80号信箱25分箱。
25℃,实际温度波动小于0.4℃。
由实际输入输出曲线计算,得到种子激光器阈值为98mW ,光2光转换效率为17.4%,斜率效率为24%[8]。
使用红外探测卡,可以直观地观察到激光的空间模式分布。
微调俯仰角,种子激光的场分布发生相应变化,由清晰的多模向基模过渡,最终得到亮度较高,光斑对称,光强分布均匀的基横模种子激光。
用CCD 相机记录种子激光的场分布,然后做图像处理,得到了其横向光斑分布和光强分布,如图2、图3所示。
Fig.2 Laser field of seed laser 图2 种子激光器光斑Fig.3 Intensity profile of seed laser图3 种子激光器光强分布 很明显,光强的空间分布基本对称,且只有一个极大值,说明场分布为基横模。
实验结果表明,对此微型种子激光器的优化设计获得了较好的空间分布(基横模)和高的斜率效率(24%),同时具有较高的输出功率(80mW ),满足种子激光器的要求。
1.2 模式匹配的分析和设计 种子注入的模式匹配主要考虑的是横模匹配。
如果基横模场不匹配将会降低基横模本征模式耦合效率,从而影响基横模的质量;对于能量的传输,高级本征模式往往具有较大的传输损耗,不匹配将造成能量的损耗;另外,由于激光是在微弱的自发辐射噪声的基础上增长起来的,而种子注入信号强度比噪声场强度大得多,所以模式匹配的好坏将会影响到腔内种子光分布及强度,对功率激光器脉冲建立的时间特性也会有很大的影响。
所以有必要对模式匹配进行分析,以便优化系统参数。
在两光束束腰的纵向和横向位置及传输方向相同的情况下,基横模耦合系数为[1]C ω=2πω10ω20∫2π0∫∞0exp (-ρ2ω210-ρ2ω220)ρd ρd φ(1)式中:ω10,ω20分别为种子激光器与功率振荡器的束腰半径,积分后可得C ω=2ω10ω20/(ω210+ω220)(2)当ω10=ω20且C ω=1时,种子激光器能量全部耦合到功率振荡器的基横模中,种子激光系统与功率振荡器横模实现匹配。
Fig.4 Sketch of mode matching system 图4 实验系统模式匹配的光路示意图 实验系统中,种子激光器和功率振荡器均采用平凹腔结构,如图1所示。
种子激光器的束腰在Nd :YVO 4薄片的端面上,功率振荡器的束腰则在平面镜上。
为了使两个基模匹配,在两个激光器之间加入一焦距为f 的薄透镜,使种子激光器基模的高斯光束经过变换后,其束腰半径位于功率振荡器的平面镜上,即ω′1=ω20,即满足模式匹配的要求,此时功率振荡器的基横模增益最大,高阶模被抑制。
模式匹配时,透镜的位置是固定的。
如图4所示,假设两个参考面上的高斯光束参数用q 1和q 2表示,而该两个平面间的变换矩阵为A B C D,根据AB CD 定律q 2=(q 1A +B )/(q 1C +D )(3)以及q 1=l 1+i Z 01=l 1+i πω201/λ, q 2=-l 2+i Z 02=-l 2+i πω202/λ(4)317第6期 赵 卫等:种子注入的短脉冲激光器特性研究经透镜变换后有1q 2=1q 1-1f (5)联立方程(3)～(5)可得f 2-Z 01Z 02=(l 1-f )(l 2-f )(l 1-f )Z 02=(l 2-f )Z01(6)解此方程组,得l 1=f ±(ω1/ω2)f 2-f 20l 2=f ±(ω2/ω1)f2-f 20(7)式中:f 0=πω01ω02/λ。
所以当ω01和ω02确定后,l 1和l 2有无穷多组解,按实际情况只需选定其中一个参数,就可以求得另外两个参数。
取f =250mm ,由方程(7)得到l 1=248.58mm ,l 2=1012.934mm 。
实验中,种子激光器与高功率振荡器的模式匹配按此数据设计。
2 种子注入的功率振荡器输出特性实验2.1 光路调节 实验中当种子光输出功率最大时,其π偏振方向就相应地确定了,此时需调节P 1,使P 1与种子光偏振方向一致,保证种子光以最大功率注入。
实验光路调节方法为:先调节法拉第隔离器,确保其各反射面的光斑与准直光斑重合;其次要旋转P 2,使P 1与P 2的偏振方向成45°角,确保准直光无法反向通过P 1,只有当准直光无法向左(见图1)通过时,才可进行种子注入光的调整;从P 1或P 2处接收准直光斑,并将其调整重合;最后将种子光注入,利用红外探测卡再次在P 1或P 2处接受种子光斑和Q 脉冲光斑,微调腔镜,使两个光斑完全重合,确保Q 脉冲无法反向通过P 1注入到种子激光器。
2.2 种子注入对时域的影响 注入的种子光一般会影响振荡光的空间模式分布、时间特性和频率特性。
实验中,将Q 开关的触发(退压)信号和激光信号同步触发数字示波器,便可记录下种子注入前后Q 开关触发信号与光信号波形的时间差异。
Q 开关触发信号为1000V 。
在Q 触发信号附近的空间,我们采用示波器探头感应接受触发的电磁波,由于仅关心触发信号的前沿,所以可不考虑其后的感应振荡。
记录的时域波形如图5所示。
Fig.5 Setup time of laser pulse at 350V图5 泵浦电压为350V 下种子注入前、后脉冲的建立时间 种子注入前激光脉冲的建立时间为210ns ,注入后为170ns ,激光脉冲建立时间缩短了40ns 。
为了排除干扰,我们进行了几十次测量,得到的结果一致。
脉冲建立时间较注入前有明显地缩短,可见注入激光对Q 脉冲产生了作用。
由于注入前初始激光在相对很弱的自发辐射噪声中建立,脉冲建立时间较长,而注入后较强的种子光成为激光建立的初始光场,因而建立时间较短。
提高泵浦能量,即增加了初始自发辐射噪声的强度,实验中,我们发现激光的脉冲建立时间也变短。
提高泵浦电压后,通过与种子注入前、后脉冲建立时间的比较,由图6可以看出,泵浦电压在450V 时,种子注入前后脉冲建立时间基本不变;而泵浦电压在350V 时,种子注入前、后脉冲建立时间明显缩短了40ns 。
可见提高功率振荡器泵浦电压后,注入种子的作用减弱。
2.3 对空间模式的影响 用CCD 图像采集系统检测功率振荡器输出的光场分布,结果如图7所示。
可以看出,种子注入光明显改善了振荡光的模式特性,振荡光强度分布的对称性、均匀性好于注入种子前,因此注入种子能明显改善高功率振荡光的空间分布。
417强激光与粒子束 第16卷Fig.6 Setup time of laser pulse at 450V图6 泵浦电压为450V 下种子注入前、后脉冲的建立时间Fig.7 Comparison of laser field图7 种子注入前后光斑对比。
(a )种子光分布,(b )注入前振荡光分布,(c )注入后振荡光分布 对比种子光与种子注入前、后光斑基横模的变化,可以看出,种子光对振荡光的模式有所改善,功率振荡器的输出场的强度分布与种子激光的强度分布很相似,可见种子注入后振荡光以种子光的场分布建立振荡,这也正是种子注入的特点。
3 分析与结论 种子激光的功率、振荡光的泵浦能量、变换透镜的位置对种子注入的作用有重要的影响。
当改变种子激光器的输出功率时,功率振荡器的输出特性也将发生变化。
将LD 电流由700mA 增加为850mA ,种子注入的作用加强,种子注入后振荡器激光的脉冲建立时间缩短了约10ns 。
由于激光二极管的工作电流最低为700mA ,仍有种子注入作用,所以我们无法实验测得最低种子注入阈值。
当功率振荡器的泵浦能量提高后,通过种子注入前后脉冲建立时间的比较可以看出,泵浦电压在350V 时,种子注入前后脉冲建立时间缩短了40ns ;泵浦电压在450V 时,种子注入前后激光脉冲建立时间基本不变。
可见提高功率振荡器泵浦电压后,注入种子的作用减弱。
Fig.8 Pulse shape before and after injection图8 种子注入前、后脉冲形状对比 变换透镜的主要作用是匹配种子光与振荡光模式。