新型Ho:SSO晶体锁模超快激光特性研究

Mid-infrared ultrafast pulse laser with ultrashort duration time and ultrahigh peak power near 2μm, which lies in the atmospheric transmission window and eye-safe range, have potentially wide applications in many fields. Tm\Ho ions doped passive mode-locked laser is one of the primary way to obtain ultrafast pulse laser near 2μm. To resolve the bottleneck issues of improving the efficiency and stability brought by the up-conversion and thermal effect of quasi three-energy-level, the project will use a novel Ho:SSO laser with quasi two-energy-level to obtain the ultrafast pulse laser for the first time. The Ho:SSO crystal has broad emission spectrum, large energy splitting value, high thermal conductivity, and negative thermal refractive index coefficient, by which a high efficiency and stability ultrafast pulse laser near 2μm can been obtain . To obtain Ho:SSO ultrafast pulse laser with high efficiency and stability, the project will establish the ultrafast pulse laser operation model of Ho:SSO by investigation the spectral properties of Ho:SSO crystal, research the continuous-wave mode-locked mechanism near 2μm, optimize the matching of cavity and mode, and compress the pulse width by dispersion compensation. The research results will provide theoretical directions for the research of Ho doped continuous-wave mode-locked lasers, which can be applied to the fields of spectroscopy, medical treatment, measurement and so on.

中红外2μm波段超短脉冲激光具有极短持续时间和极高峰值功率，且处于大气传输窗口和人眼安全区，在众多技术领域有广阔的应用前景。Tm\Ho掺杂被动锁模固体激光器是获得2μm波段超短脉冲激光的主要手段之一。为解决由准三能级系统上转换损耗及热效应引起的，2μm超短脉冲激光器效率及稳定性提升瓶颈问题，本项目首次提出开展新型准二能级Ho:SSO超短脉冲激光的研究工作。Ho:SSO晶体发射谱线宽、基态能级劈裂高、热导率高且具有负折射率温度系数，有望获得2μm波段高效率、高稳定性的超短脉冲稳定输出。本项目拟通过研究Ho:SSO晶体中Ho离子的光谱特性，建立Ho:SSO晶体超短脉冲激光运转模型，研究2μm波段连续锁模机理，优化腔模匹配，采取色散补偿方法来压缩脉宽，最终实现高效、稳定的2μm波段超短脉冲激光输出。本课题研究成果对研究Ho掺杂连续锁模激光器具有理论指导作用，可应用于光谱学、医疗、检测等领域。

中红外2μm 波段超短脉冲激光具有极短的持续时间和极高峰值功率，且处于大气传输窗口和人眼安全区，在工业、军事、环境、能源、通讯等领域有很好的应用前景。极短的持续时间可降低治疗过程中激光对正常组织的损伤，特别在眼科治疗上降低了手术的风险性。极高的峰值功率可用于模拟宇宙大爆炸、太阳中心温度、核爆等极端现象。更重要的是，超短脉冲激光让人类有能力观察到原子和分子尺度的超快运动过程，为探索微观世界开辟了道路。. 本项目首先开展新型强场耦合Ho:SSO 晶体的光谱特性研究，计算其吸收、发射截面、能级寿命等参数，建立端面泵浦连续运转准二能级速率方程理论模型及连续波被动锁模超快脉冲动力学方程；实验方面开展Ho:SSO 晶体连续激光、调Q脉冲激光及超短脉冲激光输出特性研究。通过本项目的研究，获得了常温下Ho:SSO晶体各光谱参量，建立了Ho:SSO晶体的激光动力学模型，并指导了Ho:SSO晶体参数的优化工作，获得了高光学质量的Ho:SSO激光晶体。通过实验研究，获得了瓦级连续激光输出，中心波长为2112nm，较传统Ho激光器波长更长，更有利于后端光学参量振荡。同时，利用Ho:SSO晶体较宽的发射谱线特性，实现了连续调谐范围为140nm的激光输出。采用腔内泵浦方式实现了200mW的低阈值运转，采用主动、被动及双调制手段，实现了mJ，重频kHz量级的脉冲输出。采用锁模手段实现了飞秒级超短脉冲激光输出。目前已发表SCI检索论文24篇，申请发明专利7项，撰写学术专著1本，获得省部级二等奖1项。. 本项目的研究成果可以有力的支撑Ho离子单掺2微米固体激光的研究工作，同时对新型Ho:SSO晶体开展了较为深入的研究，证明了其在2微米波段激光运转的可行性，并通过理论与实验相结合的手段，获得了截止目前调谐范围最宽的单掺Ho离子激光器，大大拓展了2微米激光器的应用范围，特别是在气体吸收领域获得了较大的突破。利用锁模手段获得的超短脉冲激光在内燃机燃烧诊断方面获得了应用，后续研究内容在工信部重大科研计划“船用低速机创新工程”中获得立项，经费300万。