飞秒激光器性能优化控制研究

论文摘要

飞秒激光脉冲自从问世以来,凭借其自身在脉冲宽度、频谱宽度以及激光强度等方面的独特优势成为人类探索物理世界不可或缺的有力工具。得益于钛宝石晶体优异的激光以及物理特性,飞秒钛宝石激光器无论在商业还是科研领域都得到了广泛的应用,但是另一方面,钛宝石激光器运转稳定区域的局限、对泵浦的高要求以及输出重复频率的单一性也限制了其进一步的推广使用。与此同时,有望最终产生X射线区域原子钟的紫外乃至极紫外光学频率梳技术,已经成为最前沿的研究热点之一,而这一提供更高频率标准精度的紫外乃至极紫外光梳技术需要高重复频率高能量的激光脉冲来电离原子分子。因此对飞秒钛宝石激光器的性能优化无论在实用还是科研领域都显得尤为重要。本论文致力于飞秒激光控制技术的研究,围绕着飞秒激光器的性能优化控制,从扩展激光器的稳定区域、降低激光器的泵浦阈值、获取高重复频率激光脉冲以及高重复频率激光脉冲放大四个方面展开研究,发展高稳定、多功能的飞秒激光系统。主要的研究成果包括以下几个方面:1.首次提出并实现了基于激光腔内非线性的锁模稳定区域扩展控制方案。该方案在钛宝石激光腔内加入非线性晶体,并将其置于共焦腔中,通过调节非线性晶体的位置,在不调整激光腔空间结构的情况下,有效地实现了激光器稳定区域的扩展控制。采用这一方法可以在扩展总的稳定范围的同时,减小由于激光腔空间结构的不对称性所造成的两个锁模稳定区域的间隔,提高激光器运转的稳定性。另外在有附加非线性晶体的情况下,泵浦功率越高,总的稳区范围越大,稳区间隔越小,这也克服了通常情况下泵浦功率越高,稳区间隔越大的缺陷。2.提出了改变腔内非线性控制激光器锁模泵浦阈值的方法。在该方案中,由于激光腔内整体非线性效应随着附加晶体在共焦腔中的位置改变,从而有效地实现了对锁模启动泵浦阈值的控制。实验证实采用这一方案不仅可以有效地降低飞秒钛宝石激光器的泵浦阈值,实现飞秒激光器的低阈值运转,同时在实验实现方面具有简单、易操作、稳定性高等特点。3.首次提出并实现了基于激光腔内非线性的谐波锁模控制方案。该方案采用控制钛宝石激光腔内整体非线性的方式实现了对激光器谐波锁模运转的控制,通过调节附加非线性晶体在共焦腔中的位置,在不改变激光腔空间结构以及泵浦功率的情况下,得到了可以满足不同应用需求的不同重复频率的激光脉冲。通过调节腔内非线性、泵浦功率以及腔内色散等多种调节手段控制激光器谐波锁模运转的实验研究,深入探索了激光脉冲的分裂机制,证实了激光腔内晶体的非线性效应,尤其是自相位调制效应,在脉冲分裂机制中的主导作用。4.提出并实验实现了基于有源外腔的全光控高重复频率激光脉冲被动放大的新方案。这一方案充分利用有源外腔中非线性晶体的克尔效应,在不需要任何外部辅助控制的情况下,实现了高重复频率激光脉冲的有效放大,放大倍数可以达到30 dB。该方案克服了通常采用电路反馈控制实现外腔增强方案中实验结构复杂的问题,同时避免了电路锁定系统存在较大的时间抖动和随机的时间延迟等问题。本文在激光腔内加入非线性晶体,并将其置于共焦腔内,通过调节非线性晶体的位置控制激光腔内的非线性,扩展了激光器的锁模稳定区域范围、实现了飞秒激光器的低阈值运转、获得了稳定运转的谐波锁模,并实现了对上述三个方面的可控性操作。同时本文提出并实现了基于非线性晶体克尔效应的全光控高重复频率激光脉冲被动放大技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文主要内容及创新点
• 1.2.1 论文主要内容
• 1.2.2 论文创新点
• 第二章 飞秒钛宝石激光器
• 2.1 钛宝石激光器发展简介
• 2.2 稳定运转的飞秒钛宝石激光器的研制
• 2.2.1 钛宝石激光晶体特性
• 2.2.2 自制飞秒钛宝石激光器
• 2.2.3 飞秒激光输出结果及分析
• 2.3 小结
• 第三章 飞秒钛宝石激光器性能优化控制
• 3.1 飞秒钛宝石激光器锁模稳定区域的扩展控制
• 3.1.1 钛宝石激光器锁模运转稳定区域
• 3.1.2 利用腔内附加非线性实现对锁模稳定区域的扩展控制
• 3.1.3 改变泵浦功率实现对锁模稳定区域的扩展控制
• 3.2 飞秒钛宝石激光器锁模泵浦阈值的控制
• 3.2.1 理论基础及实验方案
• 3.2.2 实验结果及分析
• 3.3 小结
• 第四章 飞秒钛宝石激光器谐波锁模的控制
• 4.1 谐波锁模简介
• 4.2 飞秒钛宝石激光器谐波锁模控制研究的实验系统
• 4.3 飞秒钛宝石激光器谐波锁模控制研究的实验结果及讨论
• 4.3.1 调节附加晶体位置控制谐波锁模
• 4.3.2 调节泵浦功率控制钛宝石激光器谐波锁模
• 4.3.3 调节腔内色散控制谐波锁模
• 4.4 小结
• 第五章 高重复频率飞秒激光放大技术研究
• 5.1 飞秒激光放大技术
• 5.2 外腔激光放大的理论基础
• 5.3 电路反馈控制外腔锁定实验研究
• 5.3.1 抖动锁腔方案
• 5.3.2 连续激光的外腔锁定
• 5.3.3 脉冲激光的外腔锁定
• 5.4 全光控激光被动放大
• 5.4.1 全光控被动放大实验系统
• 5.4.2 被动锁定的理论基础
• 5.4.3 被动放大的实验结果及分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 附录
• A.电路反馈控制外腔锁定伺服系统
• 参考文献
• 博士期间的科研成果及获得奖励
• 致谢