利用被動鎖模技術實現超短脈沖激光輸出實驗

肖德志，劉丹華，劉 杰

（山東師范大學物理與電子科學學院，山東濟南250014）

1 引 言

1964年，科學家們研究提出并實現了壓縮脈寬、提高功率的新機制——鎖模技術，由于它能使脈沖的持續時間縮短到皮秒乃至飛秒量級，所以又稱超短脈沖技術.超短脈沖為物理、化學、生物和光譜學等學科的微觀世界和超快過程的研究提供了重要手段[1].

采用LD泵浦，利用半導體飽和吸收鏡（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM）獲得被動鎖模激光運轉是一種有效的技術手段.由于半導體可飽和吸收鏡簡單、可靠、低成本、使用方便以及能夠得到穩定的鎖模脈沖，自20世紀90年代半導體可飽和吸收鏡SESAM一經出現，便很快被應用于全固態被動鎖模激光器中.目前，適用于各種波長固體激光器的SESAM幾乎都可以實現，并且SESAM已經在各種固體激光器和光纖激光器上得到廣泛應用，用來實現被動調Q及連續鎖模，實現超短脈沖輸出.

目前很多院校開設的激光技術實驗內容由于受到實驗條件的限制，鎖模實驗的腔型多為直線腔設計，可以實現的現象僅限于從調Q到調Q鎖模的過程，學生無法觀察從調Q鎖模到連續鎖模的整個變化過程，影響了實驗教學效果.本實驗系統從理論研究入手，合理地設計了Z型諧振腔.Z型諧振腔結構緊湊，易于調節，可以實現從調Q鎖模到連續鎖模的全部連續變化過程，對于更加深刻地理解并掌握鎖模概念有實際意義.實驗結果表明本實驗實現了LD直接泵浦的高效率、小型化全固態超快激光運轉，這種全固態小型超快脈沖激光實驗系統不僅具有超短脈沖寬度、結構緊湊、體積小、不易發生光學失調等優點，而且避免了主動鎖模的高壓或射頻電源驅動，非常適合培養學生的實驗操作能力.

2 實驗原理及裝置

激光晶體是全固態激光器中重要的元件之一，在很大程度上決定了激光器的輸出特性，為了獲得高效激光輸出，在一定運轉方式下選擇合適的激光晶體是非常重要的[2].晶體的發射譜線越寬，就能使更多的縱模得到起振.由鎖模理論可知，鎖模脈寬是與縱模個數成反比的，增益線寬愈寬，愈可能得到窄的鎖模脈寬，而且起振的縱模個數越多，脈沖峰值功率便越高，鎖模效果越好.在適合半導體泵浦的眾多激光晶體中，Nd∶YVO4晶體擁有低的激光閾值，寬的吸收帶，高的吸收系數，在1.06μm處具有大的受激發射截面，是一種適合半導體泵浦的中小功率被動鎖模激光器的增益介質[3－6].所以本實驗采用Nd∶YVO4晶體作為增益介質，摻雜度為0.5%，晶體尺寸為4mm×4mm×8mm，為減少腔內元件的損耗，Nd∶YVO4晶體靠近泵浦光的一面兼作輸入鏡，前表面鍍有1 064nm高反膜和808nm增透膜，另一面鍍有1 064nm增透膜.

半導體可飽和吸收體的基本結構是將反射鏡和可飽和吸收體結合在一起.其底部一般使用半導體布拉格層對構成反射鏡，頂部采用高反射介電膜層或者直接使用空氣層作為反射界面，可飽和吸收體夾在中間，根據上下反射鏡的反射率不同以及吸收體的厚度不同，可以調節吸收體的調制深度和反射鏡的寬度[7－8].本文實驗中所用的飽和吸收體采用金屬有機氣相淀積方法生長，在In0.3Ga0.7As的上下兩側為500℃下生長的GaAs層，厚度都為26nm，它們和In0.3Ga0.7As層一起構成單量子阱.布拉格鏡的生長溫度為720℃，共有22對，如圖1所示.

圖1 SESAM結構簡圖

要實現穩定的連續波鎖模，通過設計諧振腔來獲得合理的腔參量，是實現穩定高質量激光輸出的關鍵.為了在SESAM上獲得足夠小的光斑半徑來提高吸收體上的光強度，最終實現連續鎖模，我們通過ABCD矩陣的計算，設計了Z型諧振腔結構，如圖2所示，泵浦源發射波長為808nm，最大輸出功率為15W，通過光纖耦合輸出，數值孔徑為0.22，光斑經1∶1的耦合透鏡組聚焦到晶體上的光斑半徑為200μm.諧振腔由兼腔鏡的晶體Nd∶YVO4、折疊鏡M2、輸出鏡M3以及反射式SESAM組成.折疊鏡M2為曲率半徑R2＝50cm的平凹鏡，其凹面鍍對1 064nm高反膜.另一平凹鏡M3作為輸出鏡，其曲率半徑R3＝10cm，其凹面鍍對1 064nm的透射率為T＝3.5%的部分透射膜.初步確定M2的位置到Nd∶YVO4晶體的距離L1＝50cm，M3與M2的距離L2＝79cm.

圖2 被動鎖模激光器實驗裝置圖

根據折疊腔理論和矩陣光學，計算諧振腔的ABCD矩陣以及腔鏡處的光斑半徑，確定合適的腔長[9].以M4為起始面折疊腔的往返矩陣為

實驗中考慮到激光晶體的熱透鏡效應有

其中fT為晶體的熱透鏡焦距.在滿足諧振腔的穩定條件的前提下，根據在某參考面上的高斯模的光斑尺寸公式

利用Matlab軟件繪出晶體輸入端面和SESAM處的光斑半徑與腔鏡M3到SESAM的距離L3的關系曲線圖，如圖3所示.

根據圖3所示理論曲線圖的結果，考慮結合實驗條件，即耦合到Nd∶YVO4晶體輸入端面（兼作輸入鏡）處的光斑半徑為200μm，同時為了更好地實現鎖模運轉，應使得半導體可飽和吸收鏡SESAM處的光斑半徑盡量小，以保證吸收鏡上有較高的激光功率密度滿足連續鎖模的條件，初步確定SESAM與M3的理論距離L3＝5.5cm，總的幾何腔長定為135.3cm.

3 實驗結果與分析

實驗中采用NEW FOCUS1611－AC－FSM上升時間為400ps的快速光電二極管接收所產生的激光脈沖，用TeKtronix公司的TDS5104示波器記錄了各階段的波形.圖4給出了平均輸出功率隨輸入功率的變化，振蕩泵浦閾值功率約為0.60W，當輸入功率為8.20W時，最大輸出功率為1.72W，光－光轉換效率為21%.

圖3 晶體輸入面和SESAM處的光斑半徑與L3的關系

圖4 被動鎖模平均輸出功率與輸入功率的關系

隨著輸入功率的增加，半導體可飽和吸收鏡上的功率密度逐漸增大，由調Q運轉進入調Q鎖模運轉，當泵浦功率為0.91W時，調Q鎖模近似達到50%調制深度，泵浦功率為3.70W時，調Q鎖模達到90%以上調制深度.隨著泵浦功率的增加調Q鎖模調制深度逐漸加深并最終達到穩定的連續鎖模運轉.圖5給出了不同泵浦功率下示波器上顯示的從調Q鎖模到連續鎖模的過程.

圖5 示波器上顯示的從調Q鎖模到連續鎖模的過程

圖5（d）是泵浦功率為8.20W時的連續鎖模波形（時間間隔分別是1μs和10ns），可以看出鎖模波形穩定，實驗測得鎖模脈沖的重復頻率為110MHz，與由f＝c／（2L）（c為光在真空中的傳播速度，L為總的腔長）計算值比較吻合.根據示波器上單個鎖模脈沖的顯示和探測器的上升時間等參量，可以初步估算出鎖模脈沖的寬度大約在幾十皮秒量級.

4 結束語

針對激光技術鎖模實驗存在的問題，基于被動鎖模技術，結合理論計算設計了結構緊湊的Z型諧振腔，采用半導體可飽和吸收鏡（SESAM）作為被動鎖模元件，利用激光二極管泵浦增益線寬較寬的Nd∶YVO4晶體，最終實現了連續鎖模的脈沖輸出.學生在實驗中更清晰地看到了從調Q鎖模到連續鎖模的變化過程，加深了對鎖模概念的理解.在輸入功率為8.20W時，獲得了輸出功率為1.72W的連續鎖模激光輸出，光－光轉換效率達21%，鎖模脈沖重復頻率為110MHz.

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