论文总字数：18943字

摘 要

本文首先介绍了超短脉冲激光器的研究背景和现状，以及其在各个领域的重要应用，并且着重介绍了使用半导体可饱和吸收体进行被动锁模的发展历程，并在此基础上介绍了近些年来的新型材料。其次，论文分析了激光器的基本结构和折叠腔的腔型，详细介绍了半导体可饱和吸收镜的结构以及锁模原理，并且在此基础上，着重分析了激光参数对锁模效果的影响，由此得出激光器最佳参数。最后，将SESAM元件放入激光腔内成功实现连续锁模运转。该激光器输出的锁模激光脉冲的中心波长为1064nm，激光脉冲重复频率为81.40MHz，脉冲宽度为1ps，输出功率为361mW。从实际测量结果和理论值的对比中，本文对该锁模激光器的锁模特性进行了分析，得出了两者出现误差的原因，以及各参数的改进措施，所得结果对实现更窄脉冲宽度以及更高功率的激光锁模输出具有重要的指导意义。

论文主要研究了半导体可饱和吸收镜的锁模原理以及锁模激光器的结构，分析了影响锁模效果的因素，并且调节实现了锁模，观测锁模结果。

研究结果表明：半导体可饱和吸收镜能成功实现皮秒量级脉冲激光的输出，其调制深度对输出脉冲激光的脉冲宽度起着关键性的影响，而输出脉冲的重复频率则由腔长决定，输出镜透过率的大小和腔长都会影响输出功率的大小。

本文的特色：使用SESAM作为锁模元件，在W型折叠腔的Nd-YAG激光器中，实现皮秒量级的锁模脉冲激光输出。

关键词：Nd-YAG激光器；SESAM；被动锁模；脉冲重复频率；脉冲宽度

Abstract

This paper first introduces the research background and current situation of mode-locked lasers, as well important applications of ultra-low pulse lasers in various fields, and emphasizes the development process of passive mode-locked using semiconductor saturable absorber , and on this basis , introduces the new materials in recent years.Secondly, the paper analyzes the basic structure of the mode-locked laser, introduces in detail the structure of the semiconductor saturable absorption mirror and the mode-locked principle, and on this basis, analyzes the influence of the laser parameters on the mode-locked effect, thus obtaining the laser parameters. Finally, the mode-locked pulse laser output is successfully achieved through experiments. The central wavelength of the mode-locked laser in operation is 1064nm, the laser pulse repetition frequency is 81.40MHz, the pulse width is 1ps, and the output power is 361mW. Based on the comparison between the actual measurement results and the theoretical values, this paper analyzes the model-locking property of the mode-locked laser, and obtains the reasons for the errors between the two, as well as the improvement measures of each parameter, so as to achieve a narrower pulse and higher power.

Key Words：Nd-YAG laser；SESAM；passively mode-locked；pulse repetition frequency；pulse width

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 锁模皮秒激光器研究背景 1

1.2 SESAM锁模激光器研究进展 2

1.3 Nd-YAG锁模皮秒激光器的研究意义和内容 3

1.3.1 研究意义 3

1.3.2 研究内容 3

第2章 折叠腔Nd-YAG激光器及其锁模元件 4

2.1 锁模Nd-YAG激光器结构 4

2.1.1 泵浦源 4

2.1.2 Nd-YAG晶体 4

2.1.3 W型激光谐振腔 4

2.2 半导体可饱和吸收镜 6

2.2.1 SESAM结构 6

2.2.2 SESAM被动锁模基本原理 7

2.2.3 SESAM被动锁模演变过程 8

2.3 SESAM锁模激光特性 9

2.3.1 重复频率 9

2.3.2 脉冲宽度 10

2.3.3 输出功率 11

2.4 成功锁模条件分析 12

第3章 锁模效果实验分析 13

3.1 Nd-YAG激光器结构 13

3.2 激光器调试与观测 15

3.2.1 构建并调试同波长指示激光束 15

3.2.2 放置M1、M2、M3腔镜与SESAM 15

3.2.3 调整谐振腔及数据测量 16

3.3 锁模激光脉冲观测与分析 17

3.3.1 锁模激光脉冲观测结果 17

3.3.2 锁模特性分析 19

第4章 总结和展望 20

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1锁模皮秒激光器研究背景

在激光科技的领域内，超短脉冲激光一般为时间宽度在百ps（1ps=s）至几fs（1fs=s）之间的脉冲激光^[1]。与其他的激光相比较，超短脉冲激光具有几个比较突出的特点，比如其脉冲宽度非常窄，通常为皮秒或飞秒量级，同时具有超高的重复频率，它的峰值功率和频谱宽度也比其它激光要优越，超短脉冲所具有的这些特点，使其可以很好的应用于各种各样的领域，甚至可以产生一些前所未有的应用领域，并且在这些领域内都能取得惊艳的效果。

超短脉冲的适用领域不仅仅局限在纳米光子学、超快微加工、纳米加工和生命科学领域等地方，在精密测量、光通信、军事等领域中也得到大量应用，同时超短激光脉冲光源也可用于非线性光学、激光等离子体物理等学科的实验研究。当其应用于非线性光学领域中，可以用于光学参量振荡和太赫兹辐射的产生，以及二次谐波的产生。由于超短脉冲有高重复率的特点，因此可以应用于大容量通信系统、光子开关器件以及大规模集成微处理器的时钟。

超短脉冲激光的产生可以通过锁模技术实现，利用该技术可以得到脉宽短到皮秒或飞秒量级的激光。其技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、主被动锁模、自锁模和半导体可饱和吸收反射镜（SESAM：semiconductor saturable absorber mirror）锁模几个阶段^[2]。被动锁模一般采用的泵浦光源为闪光灯，这种方法存在两个缺点，一个是会导致锁模激光器的工作效率低且工作寿命短，另一个缺点是会导致脉冲的输出不稳定，进而表现出可重复性差，而且作为饱和吸收材料的染料溶液会产生变质分解，这也是脉冲输出不稳定的原因之一。与被动锁模相比较来说，虽然主动锁模形成的输出脉冲可重复性比被动好，但是其激光器的结构因为需要给锁模元件提供调制信号而不紧凑且较为复杂。自锁模激光器与主动锁模激光器相比较，在结构上来说虽然简单，同时也能够输出脉宽小于10fs的窄脉冲，但是却存在在一般情况下不能实现自启动的缺点，并且自锁模激光器虽结构简单，但对谐振腔的要求并不简单，成功锁模所需要的谐振腔的准直条件和对腔内功率密度的要求都非常苛刻，自锁模过程中出现的过度自调制也会引起锁模不稳定，从而使激光器难以持续工作，因此限制了产品的使用领域。

半导体可饱和吸收镜是利用吸收体对不同光强的损耗不同来实现锁模的，当入射的光强低时其损耗大，而相反当入射光强高的时候，吸收体就会被漂白从而对其损耗小，因此通过对脉冲前后沿的削减来实现脉冲锁模。半导体可饱和吸收镜锁模的关键在于合理选择半导体可饱和吸收体，这对锁模输出脉冲的特性起着决定性的作用，由于现代的半导体材料吸收带已经在很宽的范围内实现了可调，这就使得我们可以精确控制SESAM的参数，进而得到我们所期望得到的稳定锁模输出。

1.2 SESAM锁模激光器研究进展

二十世纪60年代中期，科学家们对闪光灯泵浦的红宝石激光器和掺激光器产生的锁模超短脉冲激光展开了研究，1966年，De Maria在钕玻璃激光器中获得了世界上第一次皮秒量级的输出，从此超短脉冲激光的发展进入了新阶段。

1992年，Keller研制出了半导体可饱和吸收镜，实现了在全固态激光器中的连续锁模。由于介质具有较大的吸收和受激发射截面，以及相对较宽的增益带宽，因此常用于皮秒体制下的锁模激光器。基于SESAM的被动锁模激光器在作为激光晶体的情况下，已经在几篇论文中得到了报道，其中Fan等人获得了2.1ps持续时间、13.3nJ能量、96.5MHz重复频率（即1.28W平均输出功率）的脉冲，其在808nm时的泵浦功率为4.85W。值得一提的是，SESAM可同时作为无源锁模器件和输出耦合器使用。Lecomte等人报道了一种高重复率的锁模激光器^[3]，其采用了两种腔设计，在38.9GHz的重复频率下，获得了7.2pJ能量和6.5ps持续时间的脉冲。1999年，瑞典的G.J.Spuhler团队进行了侧面泵浦SESAM被动锁模的研究，实现了脉冲宽度16ps、光束质量M2因子小于1.05的锁模激光输出^[4]，在2000年，该团队得到了输出功率为24.2W的锁模激光。2019年，Catalina-Alice Branudus团队在激光器中使用不同参数的SESAM，给出了在类似泵浦条件下在Z型和W型腔中的激光发射特性，分别得到了脉冲宽度为15ps和12.5ps的锁模脉冲输出。

在国内，2005年，蔡志强等人同样在激光器中实现了连续锁模，其最大平均输出功率5.3W，重复频率83MHz。2008年，李涛等人实现了最大平均输出功率为8.94W的激光器连续锁模输出。2009年，国防科技大学的许晓军使用折叠腔得到了脉宽约为26.4ps、平均输出功率为9.5W的锁模输出。

在除激光器以外的其他类型激光器中，SESAM也得到了广泛的应用。2015年山东大学晶体材料研究所报道了由790nmAlGaAs二极管泵浦的无源锁模Tm-YAP激光器，其使用SESAM作为锁模器，产生了脉冲宽度为1.89ps，重复频率为97MHz的稳定锁模脉冲。同年，同样来自山东大学的李斌彦等人首次使用SESAM研究了二极管泵浦的被动锁模Yb：GAGG激光器，在中心波长1027.8nm处产生了持续时间为1.6ps的脉冲。在最近的2019年，卫军玲等人首次演示了采用GaAs基半导体可饱和吸收镜的无源连续波锁模激光器，在2.7W的泵浦功率下，得到了脉宽4.7ps，平均输出功率为257mW，重复频率在98.04MHz的锁模激光^[5]。

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