半导体激光直接泵浦钛宝石激光器技术

At present, CW green solid laser is used to pump Ti:sapphire laser, which is complex structure, low conversion efficiency, high price, large size. With the development of the semiconductor laser, diode-laser(LD) directly pumped Ti:sapphire laser become possible. Because the size of LD is very small, it can be integrated into Ti:sapphire oscillator. By doing this, we can not only makes the oscillator more compact, but also decreases the unfavorable effects of temperature, shocking, and so on. As a result, the stabilization of the oscillator would be greatly improved. In this research, the basic theory of blue diode-laser (LD) directly pumped Ti:sapphire laser will be studied, the absorption process, conversion efficiency, modelocking mechanism will be analyzed, mode matching between pump and output laser will be investigated,cavity parameters of the oscillator will be designed; muti-beam pumping configuration will be researched. The blue LD pumped Ti:sapphire oscillator will be built up and modelocking operation will be implemented. In addition, the power of modelocked laser will be improved by optimizing parameters. Therefore,the femtosecond laser can be practical. At last, ultrashort pulse laser generation technology will be achieved, which bears the virtue of miniaturization, high energy conversion efficiency and low price.

现有的钛宝石激光振荡器采用连续绿光固体激光器泵浦，其结构复杂、能量转化效率低、价格昂贵、体积大。随着半导体激光器（LD）技术的快速发展，LD直接泵浦钛宝石激光器已成为可能。因LD体积小有利于整合到激光振荡器中，不仅可使激光振荡器结构紧凑、体积减小，而且光学元件的高度集成可减轻温度、震动等不利因素的影响，可使激光振荡器的稳定性提高。本项目将研究蓝光LD直接泵浦钛宝石的基础理论，分析钛宝石对蓝光LD的吸收、转化效率和锁模运转等重要过程；探讨泵浦光和激光振荡器输出激光的模式匹配问题；合理设计蓝光LD泵浦钛宝石激光振荡器的腔型参数；探索多束激光同时泵浦钛宝石锁模技术。在此基础上，构建蓝光LD泵浦的钛宝石激光振荡器，实现连续和锁模运转；通过参数优化提高锁模激光输出功率，达到可实用化的飞秒脉冲激光器。最终探索一种易于小型化、能量转换效率高、价格大幅降低的超短脉冲激光产生技术。

随着GaN半导体激光（LD）技术的快速发展，蓝光和绿光LD直接泵浦钛宝石锁模激光成为现实，这种锁模飞秒激光器具有小型化、低成本的优点。在国家自然基金的支持下，我们系统的进行了半导体泵浦钛宝石激光器的研究。理论上分析了钛宝石对LD 蓝光的吸收、转换效率，泵浦光和振荡器输出激光的模式匹配等问题。研究了LD光束的整形方法，由于蓝光LD的发散角很大，采用4 mm焦距的短焦非球面透镜对快轴方向进行准直，再用一对焦距分别为-25 mm和150 mm的柱透镜对慢轴方向进行整形，最后使用焦距60 mm的凸透镜聚焦到钛宝石晶体上实现了泵浦。针对LD泵浦钛宝石进行激光振荡器设计，采用较短的凹面镜半径增强自相位调制效应，降低锁模阈值。实验研究了单管和双管蓝光LD直接泵浦钛宝石激光器的连续运转情况。采用3.5 W的蓝光LD对钛宝石振荡器进行泵浦，单管泵浦获得了连续运转，并采用双管泵浦提高了连续输出功率，在最简四镜腔的情况下获得了最高82 mW的连续激光。. 为实现LD泵浦的锁模输出，本课题将1.45 W的520 nm绿光LD进行光束整形，再聚焦到钛宝石激光晶体进行泵浦，并结合GTI镜(Gires-Tournois Interferometer Mirrors)对腔内色散给予补偿，在单管泵浦的情况下，首次实现了稳定的克尔透镜锁模（Kerr-lens modelocking, KLM）运转，实验中用自相关仪测量了脉宽信息，采用Sech^2型函数拟合得到216 fs脉宽，此时的输出功率为74 mW，脉冲重复频率131 MHz。输出镜5%耦合输出，腔内色散补偿由两个色散量为-150 fs^2的GTI镜提供。并且在此情况下，7 mW即可启动锁模，如此低的锁模阈值，据分析应该得益于较小的泵浦光焦斑。. 最后，为了提升锁模飞秒脉冲的指标参数，采用两个1.45 W的520 nm绿光LD进行双端泵浦，提高了输出功率，并得到了较窄的脉宽。输出脉冲激光的典型脉冲宽度91.2 fs，输出功率达到208 mW，重复频率131 MHz；获得了目前该类研究中最高的单脉冲能量1.59 nJ。通过优化腔型参数，获得的最短脉冲宽度为79.4 fs。缩短腔长后得到的最高输出功率为232 mW，重复频率338 MHz。