基于WS2材料的2微米波段超短脉冲全固态激光器研究

The WS2 material，which has an obvious forbidden zone width，is selected for the first time as passive Q-switch/mode-lock material of 2µm band ultrashort pulse solid-state lasers in the project. The multilayer WS2 shows many properties, such as a wide absorption range, high thermal conductivity, saturation absorption performance and an extremely high external quantum efficiency of ~7000%. A passive Q-switch/mode-lock laser of 2µm, which is imperative applied in medical treatment, processing industry, and information industry, is investigated in the foundation and experiment.. In respect of the foundation, an rate equation theory of Tm/Ho:YAP crystal in passive Q-switch mode is set up, which can provide a theoretical basis for the experiment . In respect of the experiments, a 794.6-nm centre wavelength of laser diode is used to pump the crystal of Tm,Ho:YAP crystal to realize the laser output in passive Q-switch/mode-lock mode and the output performance of the laser is verified. A laser diode with the centre wavelength of 1940nm is utilized to pump Ho:YAP crystal for the first time, and the pump method will be beneficial to promote the stability of the output performance from the Ho:YAP laser and also to miniaturize the structure of the laser.

本项目首次选用具有明显禁带宽度的WS2材料作为2微米波段超短脉冲全固态激光器的调Q/锁模材料。充分利用该材料吸收波长范围宽、热导率高、饱和吸收性能显著且多层WS2材料外部量子效率可达7000%等优点，在基础和实验两个方面对医疗、加工工业和信息产业急需的2微米波段被动调Q/锁模激光器进行研究。. 在基础方面，建立Tm/Ho:YAP晶体被动调Q速率方程理论，为实验研究提供理论基础。在实验方面，采用中心输出波长为794.6nm的二极管激光器泵浦Tm,Ho:YAP晶体实现被动调Q/锁模模式激光输出，并对此激光器的输出特性进行研究；首次选用中心输出波长为1940nm的二极管激光器泵浦Ho:YAP晶体实现被动调Q/锁模模式激光输出，此类泵浦方式大大提高激光器输出性能的稳定性，同时也可使激光器的结构更加紧凑。

本项目基于具有明显禁带宽度的WS2材料作为2微米波段超短脉冲全固态激光器的调Q/锁模材料。充分利用该材料吸收波长范围宽、热导率高、饱和吸收性能显著且多层WS2材料外部量子效率可达7000%等优点，对医疗、加工工业和信息产业等领域急需的2微米波段被动调Q/锁模激光器进行研究。通过对基于WS2材料可饱和吸收体的制备及表征，制备出适合被动调Q/锁模模式运转Tm/Ho:YAP激光器的调制器件，获得了理想的WS2可饱和吸收体的光学非线性参数，其光学原始透过率、调制深度、饱和光强分别为76.2 %、4.7 %和0.43 MW/cm2。.基于WS2材料可饱和吸收体进行Tm/Ho:YAP晶体被动调Q模式激光输出性能研究。分别选用激光透过率为2%和5%的谐振腔输出镜进行实验研究，Tm/Ho:YAP晶体实现了被动调Q模式脉冲激光输出。Tm,Ho:YAP激光器获得的平均输出功率分别为381mW和696mW，相应的光光转换效率分别为4.1% 和 7.5%，相应的脉冲宽度和单脉冲能量分别为5.6μs 、9.1μs、10J和10.7J，其相应的光束质量分别为M_x^2=1.05 和 M_y^2=1.06，激光器的中心输出波长为2119.52nm。Ho:YAP激光器获得的平均输出功率分别为825mW和1023mW，相应的光光转换效率分别为6.1%和6.6%，相应的最窄脉冲序列分别为660.3ns 和632.6ns，激光器的中心输出波长为2115.82nm。.基于WS2材料可饱和吸收体进行Tm/Ho:YAP晶体被动锁模模式激光输出性能研究。在激光器谐振腔长为1542nm和注入泵浦功率为26.46W时，被动锁模Tm:YAP激光器获得了824 mW的平均输出功率，对应的光-光转换效率为3.1%。被动锁模Tm:YAP 的脉冲包络在 2.0μs 时间尺度下测量的脉冲宽度为1.702ns，该激光器在10.0 ns 时间尺度上测量脉冲序列的脉冲宽度为 509.1 ps。此外，该激光器的中心输出波长为1989.0nm。在激光器谐振腔长为685nm和注入泵浦功率为15.39W时，被动锁模Ho:YAP激光器获得了293 mW 的平均输出功率，对应的光光转换效率为 1.9%。在100 ns的时间尺度上，被动锁模Ho:YAP激光器输出最窄的输出脉冲宽度为296.2 ps，激光的中心输出波长为2118.15nm。