湖南大學開題報告

1、湖南大學碩士專業(yè)學位研究生畢業(yè)（學位）論文選題報告姓 名王小虎學號S1307W3016已修學分25所屬學院物理與微電子科學學院專業(yè)學位領(lǐng)域電子與通信工程指導教師趙楚軍選題時間2014年11月20日研究方向固體激光器論文題目1.6m同帶泵浦石墨烯被動調(diào)Q固體激光器1、 課題來源與選題依據(jù)1.6m激光器除了在自由空間通訊、遙感等領(lǐng)域的應用,也是產(chǎn)生35m中紅外激光的重要光源基礎(chǔ)。35m的中紅外波段是重要的大氣窗口,也是軍用紅外探測器的主要工作區(qū)域,該波段激光對大霧、煙塵等具有較強的穿透力,在海平面上傳輸受到的氣體分子吸收和懸浮物散射的影響很小。紅外制導導彈探測器(如Insb, HgcdTe等)的響

2、應范圍在3 5m波段,因而針對紅外導引頭的光電對抗迫切需要該波段的激光器件。在軍事上,中紅外激光器主要用于光電對抗以及生化戰(zhàn)劑的探測,用中紅外波段的多束激光,一可以干擾紅外熱尋的導彈,摧毀在不同距離和高度的目標。Er:YAG固體激光器，成為我們精確產(chǎn)生1.645 m波段高功率窄線寬激光輸出的主要方法和手段, 然后以此作為后階段OPO的泵浦源，實現(xiàn)雙波長的35 m中紅外激光高效率、高功率輸出。工作波長在1.6m附近人眼安全波段的激光器在激光遙感，激光雷達，自由空間激光通訊等許多領(lǐng)域有著廣泛的應用價值和前景。其主要原因有以下幾點:(l)在這些應用領(lǐng)域中,所采用的激光波長必須處于人眼安全波段,而1.

3、6m附近處于這個波段。(2)這些應用領(lǐng)域要求激光束在大氣中傳播時具有較高的透過率,而1.6m附近正好是大氣的近紅外窗口。(3)光電傳感器對波長在1.6m附近的光有較高的響應靈明度1。實現(xiàn)1.6m附近波段激光輸出主要有兩類方式：一類是采用非線性光學的方式將其他波長的激光轉(zhuǎn)換為1.6m附近波長的激光。例如,利用光學參量振蕩器（OPO）將摻Nd激光器輸出的1.06m波長激光轉(zhuǎn)換為1.6m。光參量振蕩器是由泵浦激光器、非線性晶體和光學諧振腔構(gòu)成，利用頻率下轉(zhuǎn)換技術(shù)，將激光器發(fā)射的短波長激光轉(zhuǎn)換為長波長波段的激光； 利用非線性晶體的折射率對激光入射角度、晶體溫度的變化特性，通過改變晶體角度和調(diào)節(jié)晶體溫度

4、來實現(xiàn)連續(xù)的波長調(diào)諧。光參量振蕩器主要具有以下特點：（1）調(diào)諧范圍大；（2）光參量振蕩器是經(jīng)過非線性晶體的頻率轉(zhuǎn)換作用進行出光，因此只需一塊或幾塊晶體就能實現(xiàn)高調(diào)諧范圍的波長輸出，這一點不同于染料激光器或氣體激光器；其泵浦源是Nd:YAG 固體激光器或其他摻雜稀土元素的固體激光器，體積小且結(jié)構(gòu)簡單，因此可以做到整體結(jié)構(gòu)緊湊、全固化狀態(tài)；（3）可實現(xiàn)大功率、窄線寬輸出：目前有的OPO輸出可達幾百毫焦、功率幾十瓦，最窄線寬 0.02cm-1。另一類常見的方式則是以摻Er的固體材料作為激光增益介質(zhì),實現(xiàn)1.6m波長的激光輸出,包括體塊型，微片型和光纖激光器。光纖激光器由于具有較大的“表面積一體積比”

5、,對熱負荷的承載能力明顯優(yōu)于體塊型固體激光器；而且光纖的纖芯尺寸小,能夠?qū)鈭瞿Ｊ狡鸬胶芎玫南拗谱饔?因此光纖激光器的光束質(zhì)量一般也會優(yōu)于體塊型固體激光器。此外,光纖激光器還具有波長可協(xié)調(diào)范圍大等優(yōu)點。但是由于纖芯尺寸小而且纖芯材料能夠承載的功率密度有限,所以并不適合高能脈沖運轉(zhuǎn);為了獲得高功率、高能量的脈沖激光,必須使用體塊材料。Er:YAG晶體對1532nm波長附近的光有很好的吸收；因此可以采用共振抽運(或稱同帶抽運)的方式,利用能級斯塔克分裂形成的能帶,在2個能帶之間構(gòu)建基于子能級的準三能級或者準四能級系統(tǒng),用于實現(xiàn)激光器運轉(zhuǎn)必須的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要求。用1.5m的抽運光實現(xiàn)1.6m的激光發(fā)射

6、,理論上可以達到90%以上的量子效率,激光系統(tǒng)中熱效應的影響將大大降低。1985年,Killinger等人首次利用共振抽運Er:YAG激光器在77K的溫度下實現(xiàn)了1.64m的激光輸出。在室溫下利用單摻Er材料共振抽運實現(xiàn)高功率激光輸出,較具代表性的是D. Garbuzov等人所做的工作，他們利用二極管激光器抽運Er:YAG激光器,得到了110 W(0.9J)的脈沖激光輸出。2005年,D. Y. Shen等人使用包層抽運的雙包層Er,Yb共摻雜光纖激光器抽運光中心波長為1532 nm，功率為60.3 W；與此對應的輸出光束M2=3，性能優(yōu)越。在電光調(diào)Q運行的模式下,則獲得了重復頻率為1 kHz

7、,單脈沖能量約為4mJ,峰值功率約為42 kw,脈寬約為100 ns的脈沖輸出。隨后,他們又采用同樣的方案實現(xiàn)了單脈沖總能量最高為15 mJ,脈寬為67 ns,對應的峰值功率高達220 kw的更好結(jié)果。2010年，N. W. H. Chang等人采用二極管激光器泵浦的方式得到了穩(wěn)定的單頻1645 nm激光輸出。他們采用兩臺二極管激光器泵浦，同時在諧振腔內(nèi)加入起偏器，使得泵浦光能被晶體充分利用。為了獲得穩(wěn)定的單頻輸出而在諧振腔內(nèi)加入了標準具和Brewster片。為了得到高的峰值功率和窄的單個脈沖，必須采用Q調(diào)制技術(shù)，基本原理是通過某種方法使諧振腔的損耗因子按照規(guī)定的程序變化。采用調(diào)Q技術(shù)很容易獲

8、得峰值功率高于兆瓦，脈寬為幾十毫微秒的激光巨脈沖。常用的調(diào)Q方法有電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q與飽和吸收調(diào)Q等。前兩種方法中諧振腔損耗由外部驅(qū)動源控制，稱為主動調(diào)Q。后一種方法中諧振腔損耗取決于腔內(nèi)激光光強，因此稱為被動調(diào)Q。石墨烯，由于獨特的二維結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的電學和光學性質(zhì)受到了越來越多的關(guān)注，被確定為是一種有潛力的可飽和吸收體廣泛應用與調(diào)Q激光器中。傳統(tǒng)可飽和吸收體，半導體可飽和吸收鏡（SESAMs）需要復雜的生長技術(shù)，為了減少恢復時間經(jīng)常采用離子注入的方法。碳納米管雖然容易制造且生產(chǎn)成本低，但要實現(xiàn)寬波段的工作帶寬，必須采用不同直徑碳納米光的進行組合。而對于石墨烯來說，由于狄拉克電子無能隙的線性色散

9、，與波長無關(guān)的飽和吸收是與生俱來的特性。石墨烯作為可飽和吸收體的優(yōu)點：工作帶寬寬，恢復時間短，脈沖能量高，損傷閾值高，飽和能量低，飽和吸收調(diào)制深度大。2005年，C. Q. Gao,等人采用石墨烯作為可飽和吸收體，獲得了1645 nm的激光輸出，脈沖能量為7.05 J。首次報導了用多層石墨烯實現(xiàn)共振泵浦1645 nm Er:YAG 調(diào)Q。2013年，Z. X. Zhu,等人第一次實現(xiàn)了陶瓷激光器的被動調(diào)Q。沉積在石英襯底上的石墨烯作為可飽和吸收體，Er/Yb共摻雜光纖激光器為泵浦源，調(diào)Q脈沖的能量，重頻分別為： 7.08 J和74.6 kHz。主要參考文獻：1 呂百達著. 激光光學：光束描述、

10、傳輸變換與光腔技術(shù)物理（第三版）. 北京：高等 教育出版社，20032 姚建栓，徐德剛.全固態(tài)激光機非線性光學頻率變換技術(shù)M.北京:科學出版社,20073 W.克希奈爾.固體激光工程M.北京:科學出版社,2002.4 周炳琨，高以智，陳碉嶸，陳家驊著. 激光原理（第六版）. 國防工業(yè)出版社，2011.5 劉迪,重復頻率鉺YAG激光器的設計與研究D.長春理工大學,2009.6 李淳飛著. 非線性光學（第二版）. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.7 李善峰，摻Er激光玻璃的光學性質(zhì)，大連理工大學，2005.3.8 姚寶權(quán)，中紅外光參量振蕩器發(fā)展狀況分析，激光技術(shù)，June，2002，Vol26，N

11、o 3.9 Xiaoqi Zhang, Jun Liu, Deyuan Shen, et al. Efficient Graphene Q-Switching of an In-Band Pumped Polycrystalline Er:YAG Ceramic Laser at 1617 nm J. IEEE Photonics Technology Lett, 2013, 25(13): 1294-1296.10 N. W. H. Chang, N. Simakov, D. J. Hosken, J. Munch, D. J. Ottaway and P. J. Veitch. Reson

12、antly diode-pumped continuous-wave and Q-switched Er:YAG laser at 1645 nm J. Opt. Express, 2010, 18: 13673.11 D. Y. Shen, J. K. Sahu, and W. A. Clarkson. Highly efficient Er,Yb-doped fiber laser with 188W free-running and 100W tunable output power J. Opt. Express, 2005, 13: 4916.12 N. W. H. Chang, D

13、. J. Hosken, J. Munch, D. Ottaway, and P. J. Veitch. Stable, Single Frequency Er:YAG Lasers at 1.6 m J. IEEE J. Quantum Electron. 2010, 46: 1039.13 I. S. Moskalev, V. V. Fedorov, V. P. Gapontsev, D. V. Gapontsev, N. S. Platonov, and S. B. Mirov. Highly efficient, narrow-linewidth, and singlefrequenc

14、y actively and passively Q-switched fiber-bulk hybrid Er:YAG lasers operating at 1645 nm J. Opt. Express. 2008, 16: 19427.14 L. Zhu, M. J. Wang, J. Zhou, and W. B. Chen, “ Efficient 1645 nm continuous-wave and Q-switched Er:YAG laser pumped by 1532 nm narrow-band laser diode,” Opt. Express 19 , 2681

15、0 (2011). 15 I. Kudryashov, and A. Katsnelson. 1645 nm Q-switched Er:YAG laser with in-banddiode pumping J. Proc. SPIE, 2010, 7686: 76860B.16 A. Aubourg, J. Didierjean, N. Aubry, F. Balembois, and P. Georges. Passively Q-switched diode-pumped Er:YAG solid-state laser J. Opt. Lett. 2013，38: 938 (2013

16、).17 M. Nemec, H. Jelankova, J. Sulc, K. Nejezchleb, and V. Skoda. Passively Q-switched Resonantly Pumped Er:YAG Laser J. Proc. SPIE, 2010, 7721: 772113.18 H. H. Yu, X. F. Chen, H. J. Zhang, X. G. Xu, X. B. Hu, Zh. P. Wang, J. Y. Wang, S. D. Zhuang, and M. H. Jiang, “Large Energy Pulse Generation Mo

17、dulated by Graphene Epitaxially Grown on 19 Q. Wang, H. Teng, Y. W. Zou, Zh. G. Zhang, D. H. Li, R. Wang, Ch. Q. Gao, J. J. Lin, L.W. Guo, and Zh. Y. Wei. Graphene on SiC as a Q-switcher for a 2 m laser J. Opt. Lett. 2012, 37: 395.20 S. Yamashita. A Tutorial on Nonlinear Photonic Applications of Car

18、bon Nanotube and Graphene J. J. Lightwave Technol. 2012, 30: 427.21 Q. L. Bao, H. Zhang, Y, Wang, Z. H. Ni, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang. Atomic-Layer Graphene as a Saturable Absorber for Ultrafast Pulsed Lasers J. Adv. Funct. Mater. 2009, 19: 3077.22 W. B. Cho, J. W. Kim, H. W. Lee, S. Bae

19、, B. H. Hong, S. Y. Choi, I. H. Baek, K. Kim, D. Yeom, and F. Rotermund. High-quality, large-area monolayer graphene for efficient bulk laser mode-locking near 1.25 m J. Opt. Lett. 2011, 36: 4089.23 C. Q. Gao, R. Wang, L. N. Zhu, M. G. Gao, Q. Wang, Z. G. Zhang, Z. Y. Wei, J. J. Lin, and L. W. Guo.

20、Resonantly pumped 1.645 m high repetition rate Er:YAG laser Q-switched by a graphene as a saturable absorber J. Opt. Lett. 2012, 37: 632 .24 Z. X. Zhu, Y. Wang, H. Chen, H. T. Huang, D. Y. Shen, J. Zhang, and D. Y. Tang. A graphene-based passively Q-switched polycrystalline Er:YAG ceramic laser oper

21、ating at 1645 nm. Laser Phys. Lett. 2013, 10: 055801.25 Z. T. Wang, Y. Chen, C. J. Zhao, H. Zhang, and S. C. Wen. Switchable Dual-Wavelength Synchronously Q-Switched Erbium-Doped Fiber Laser Based on Graphene Saturable Absorber J. IEEE Photon. J. 2012, 4: 869.26 G. Q. Xie, J. Ma, P. Lv, W. L. Gao, P

22、. Yuan, L. J. Qian, H. H. Yu, H. J. Zhang, J. Y. Wang, and D. Y. Tang. Graphene saturable absorber for Q-switching and mode locking at 2 m wavelength J. Opt. Mater. Express, 2012, 2: 878.27 G. P. Zheng, Y. Chen, H. H. Huang, C. J. Zhao, S. B. Lu, S. Q. Chen, H. Zhang, and S. C. Wen. Improved Transfe

23、r Quality of CVD-Grown Graphene by Ultrasonic Processing of Target Substrates: Applications for Ultra-fast Laser Photonics J. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5: 10288.28 I. H. Baek, H. W. Lee, S. Bael, B. H. Hong, Y. H. Ahn, D. Yeom, and F. Rotermund. Efficient Mode-Locking of Sub-70-fs Ti:Sapphi

24、re Laser by Graphene Saturable Absorber J. Appl. Phys. Express, 2012, 5 : 032701.29 Z. H. Ni, H. M. Wang, J. Kasim, H. M. Fan, T. Yu, Y. H. Wu, Y. P. Feng, and Z. X. Shen. Graphene Thickness Determination Using Reflection and Contrast Spectroscopy J. Nano Lett. 2007, 9: 2758.30 P. H. Tang, X. Q. Zha

25、ng, C. J. Zhao, Y. Wang, H. Zhang , D. Y. Shen, S. C. Wen, D. Y. Tang, and D. Y. Fan. Topological Insulator: Bi2Te3 Saturable Absorber for the Passive Q-Switching Operation of an in-Band Pumped 1645-nm Er:YAG Ceramic Laser J. IEEE Photon. J. 2013, 5: 1500707.31 孫曉桁. 1.6 m 摻鉺固體激光器激光特性研究D. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學

26、，2011.32 龍虎. 光纖激光器共振抽運1.6 m Er:YAG陶瓷激光器的理論與實驗研究D.上海： 復旦大學，2011.33 任重. 摻餌YAG固體激光器研究D.長春：長春理工大學，2003.34 R. D. Stultz, V. Leyva, and K. Spariosu. Short pulse, high-repetition rate, passively Q -switched Er:yttrium-aluminum-garnet laser at 1.6 microns J. Appl. Phys. Lett. 2005, 87: 241118.35 S. Li, T. K

27、oscica, Y. Zhang, D. Li and H. Cui. Optical fiber remote sensing system of methane at 1645nm using wavelength-modulation technique J. Proc. Of SPIE, 2005, 5995: 59950Y.36 M. J. Wang, L. Zhu, W. B. Chen, and D. Y. Fan. High-energy directly diode-pumped Q-switched 1617nm Er:YAG laser at room temperatu

28、re J. Opt. Lett. 2012, 37.37 D. Garbuzova_and I. Kudryashov. 110 W (0.9 J) pulsed power from resonantly diode-laser-pumped 1.6-m Er:YAG laserJ. Laser Phys. Lett, 2011, 8:111.38 Y. Zheng, C. Q. Gao, R. Wang, et al. Single frequency 1645nm Er:YAG nonplanar ring oscillator resonantly pumped by a 1470nm

29、 laser diode J. Opt. Letters, 2013, 38(15) : 784-786.39 J. F. Li, T. Hu, and S. D. Jackson. Dual wavelength Q-switched cascade laser J. Opt. Letters, 2012, 37 : 2208.40 J. F. Li, D. D. Hudson, Y. Liu, and S. D. Jackson. Efficient 2.87 m fiber laser passively switched using a semiconductor saturable

30、absorber mirror J. Opt. Letters, 2012, 37 : 3747.41 S. Tokita, M. Murakami, S. Shimizu, M. Hashida, and S. Sakabe. Liquid-cooled 24 W mid-infrared Er:ZBLAN fiber laser J. Opt. Letters, 2009, 34: 3062.2、 主要研發(fā)內(nèi)容及技術(shù)路線研發(fā)內(nèi)容：1基于Er:YAG晶體獲得1.645 m連續(xù)波輸出的固體激光；2基于新材料（石墨烯/拓撲絕緣體/Cr:ZnSe）獲得調(diào)Q/鎖模脈沖激光；3基于電光開關(guān)獲得窄線寬調(diào)Q脈沖激光；4基于標準具、新材料/電光開關(guān)獲得窄線寬調(diào)Q/鎖模脈沖激光；技術(shù)路線：1 調(diào)研關(guān)于1.645 m Er:YAG固體激光產(chǎn)生方法的文獻，通過理論分析和計算歸 納總結(jié)高功率窄線寬1