高峰值功率亚纳秒级单锁模脉冲激光特性研究

Sub-nanosecond pulsed lasers with high peak power and high stability have wide applications in the fields of the micromachining process, the nonlinear optics, laser medicine and so on. Pulse width is one of the most important parameters in short pulse lasers because it decides the dynamical process of the inter-reaction between laser and materials.By using single-loss modulation such as Q-switching, Q-switching mode-locking and continue wave mode-locking, it is difficult to obtain the sub-nanosecond pulse with high peak power and high stability.Based on the advantages of active modulation with fast switch and high stability, this item will employ the dual-loss modulation technology of both the active Q-switching ( EO, AO ) and the passive mode-locking (GaAs, SESAM, Carbon nanatube,V3+:YAG, Co:LMA, etc. ), to realize the single mode-locking run in the Q-switched envelope of the double Q-switched mode-locked laser,to study the generation mechanism of the sub-second pulse with high peak power and high stability based on doua loss modulation ,the related factors influencing the number of the mode-lockong pulse in the Q-switched envelope and the running laws. From the abovementioned studies, the law basis of the sub-second pulse laser with high stability will be predicted, presented and demonstrated.

高峰值功率、高稳定性的亚纳秒级短脉冲激光在微机械加工、非线性光学、激光医学等领域具有广阔的应用。脉冲宽度是短脉冲激光最重要的指标之一，因为它决定了光与物质相互作用的时间及动力学过程。利用单一损耗调制的调Q、调Q锁模、连续锁模技术，均难以获得高峰值功率、高稳定性的亚纳秒级短脉冲激光。依据主动调制开关速度快、稳定性强的特点，本项目拟基于主动（电光、声光）调制- - 饱和吸收体(GaAs、SESAM、碳纳米管、V3+:YAG、Co:LMA等）被动锁模的双损耗调制技术，实现双调Q锁模激光调Q包络内单一锁模激光运转，探索主被动双损耗调制产生高峰值功率、高稳定性亚纳秒级短脉冲激光的机理，探究影响双调Q锁模激光调Q包络内锁模脉冲个数的相关因素，揭示基于双损耗调制的调Q锁模激光调Q包络内单个锁模脉冲运转的基本原理，研究高稳定性亚纳秒级短脉冲激光的运转规律，为高稳定性的亚纳秒级短脉冲激光的实现提供规律性依据。

本项目从理论和实验上系统地研究了高峰值功率亚纳秒单锁模脉冲激光特性，实现了电光主动——饱和吸收体（GaAs、SESAM、Cr4+:YAG、碳纳米管等）被动双调Q锁模1.06μm激光运转及倍频0.53μm绿激光运转，通过优化谐振腔参数，压缩调Q包络的脉冲宽度，使每个调Q包络内只有一个锁模脉冲，脉冲宽度亚纳秒级，重复率为电光调制频率，获得了高峰值功率亚纳秒级单锁模脉冲1.06μm激光、倍频0.53μm绿激光输出。研究了电光主动调Q——可饱和吸收体（Cr4+:YAG、GaAs、SESAM、碳纳米管等）被动锁模的的高峰值功率亚纳秒单锁模脉冲基频1.06μm激光、KTP倍频0.53μm绿激光的运转规律和运转特性，如获得高峰值功率亚纳秒单锁模脉冲的条件及其平均输出功率、锁模脉冲宽度、锁模脉冲能量、锁模脉冲的峰值功率与泵浦功率、饱和吸收体小信号透过率、主动调制频率、激活介质受激发射截面等参量的依赖关系；理论上建立了高斯分布近似下主动电光调Q——可饱和吸收体（Cr4+:YAG、GaAs、SESAM）被动锁模的双损耗调制的调Q锁模1.06μm和内腔倍频0.53μm激光的耦合速率方程组，数值求解方程组获得了调Q包络的脉冲宽度与主动重复率、饱和吸收体小信号透过率、泵浦功率的依赖关系以及高稳定、高峰值功率、低重频、单锁模亚纳秒脉冲产生的条件，且数值求解方程组的理论值与实验结果相符； 理论和实验的研究结果显示了利用双损耗调制技术是一种获得高峰值功率、高稳定亚纳秒锁模脉冲激光的有效方法。另外，还研究了调Q及调Q锁模激光泵浦的光学参量振荡器特性等。理论和实验研究获得了一系列创新成果，发表标明该基金资助论文共43篇，全部是国际SCI索引的杂志，影响因子大于3的4篇、影响因子在2-3之间的7篇、影响因子在1-2之间的28篇、影响因子小于1的4篇。此外，培养博士生2名，硕士生1名。