利用被動(dòng)鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光輸出實(shí)驗(yàn)

肖德志，劉丹華，劉 杰

（山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東濟(jì)南250014）

1 引 言

1964年，科學(xué)家們研究提出并實(shí)現(xiàn)了壓縮脈寬、提高功率的新機(jī)制——鎖模技術(shù)，由于它能使脈沖的持續(xù)時(shí)間縮短到皮秒乃至飛秒量級(jí)，所以又稱超短脈沖技術(shù).超短脈沖為物理、化學(xué)、生物和光譜學(xué)等學(xué)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(dǎo)體飽和吸收鏡（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM）獲得被動(dòng)鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)是一種有效的技術(shù)手段.由于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡簡(jiǎn)單、可靠、低成本、使用方便以及能夠得到穩(wěn)定的鎖模脈沖，自20世紀(jì)90年代半導(dǎo)體可飽和吸收鏡SESAM一經(jīng)出現(xiàn)，便很快被應(yīng)用于全固態(tài)被動(dòng)鎖模激光器中.目前，適用于各種波長(zhǎng)固體激光器的SESAM幾乎都可以實(shí)現(xiàn)，并且SESAM已經(jīng)在各種固體激光器和光纖激光器上得到廣泛應(yīng)用，用來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)調(diào)Q及連續(xù)鎖模，實(shí)現(xiàn)超短脈沖輸出.

目前很多院校開設(shè)的激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，鎖模實(shí)驗(yàn)的腔型多為直線腔設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象僅限于從調(diào)Q到調(diào)Q鎖模的過程，學(xué)生無法觀察從調(diào)Q鎖模到連續(xù)鎖模的整個(gè)變化過程，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從理論研究入手，合理地設(shè)計(jì)了Z型諧振腔.Z型諧振腔結(jié)構(gòu)緊湊，易于調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)從調(diào)Q鎖模到連續(xù)鎖模的全部連續(xù)變化過程，對(duì)于更加深刻地理解并掌握鎖模概念有實(shí)際意義.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了LD直接泵浦的高效率、小型化全固態(tài)超快激光運(yùn)轉(zhuǎn)，這種全固態(tài)小型超快脈沖激光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅具有超短脈沖寬度、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、不易發(fā)生光學(xué)失調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，而且避免了主動(dòng)鎖模的高壓或射頻電源驅(qū)動(dòng)，非常適合培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力.

2 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

激光晶體是全固態(tài)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(yùn)轉(zhuǎn)方式下選擇合適的激光晶體是非常重要的[2].晶體的發(fā)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(gè)數(shù)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(gè)數(shù)越多，脈沖峰值功率便越高，鎖模效果越好.在適合半導(dǎo)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(shù)，在1.06μm處具有大的受激發(fā)射截面，是一種適合半導(dǎo)體泵浦的中小功率被動(dòng)鎖模激光器的增益介質(zhì)[3－6].所以本實(shí)驗(yàn)采用Nd∶YVO4晶體作為增益介質(zhì)，摻雜度為0.5%，晶體尺寸為4mm×4mm×8mm，為減少腔內(nèi)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(dǎo)體可飽和吸收體的基本結(jié)構(gòu)是將反射鏡和可飽和吸收體結(jié)合在一起.其底部一般使用半導(dǎo)體布拉格層對(duì)構(gòu)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(jù)上下反射鏡的反射率不同以及吸收體的厚度不同，可以調(diào)節(jié)吸收體的調(diào)制深度和反射鏡的寬度[7－8].本文實(shí)驗(yàn)中所用的飽和吸收體采用金屬有機(jī)氣相淀積方法生長(zhǎng)，在In0.3Ga0.7As的上下兩側(cè)為500℃下生長(zhǎng)的GaAs層，厚度都為26nm，它們和In0.3Ga0.7As層一起構(gòu)成單量子阱.布拉格鏡的生長(zhǎng)溫度為720℃，共有22對(duì)，如圖1所示.

圖1 SESAM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)波鎖模，通過設(shè)計(jì)諧振腔來獲得合理的腔參量，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高質(zhì)量激光輸出的關(guān)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(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模，我們通過ABCD矩陣的計(jì)算，設(shè)計(jì)了Z型諧振腔結(jié)構(gòu)，如圖2所示，泵浦源發(fā)射波長(zhǎng)為808nm，最大輸出功率為15W，通過光纖耦合輸出，數(shù)值孔徑為0.22，光斑經(jīng)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(duì)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(duì)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(dòng)鎖模激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

根據(jù)折疊腔理論和矩陣光學(xué)，計(jì)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(zhǎng)[9].以M4為起始面折疊腔的往返矩陣為

實(shí)驗(yàn)中考慮到激光晶體的熱透鏡效應(yīng)有

其中fT為晶體的熱透鏡焦距.在滿足諧振腔的穩(wěn)定條件的前提下，根據(jù)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(guān)系曲線圖，如圖3所示.

根據(jù)圖3所示理論曲線圖的結(jié)果，考慮結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(shí)為了更好地實(shí)現(xiàn)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)使得半導(dǎo)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(xù)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(zhǎng)定為135.3cm.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中采用NEW FOCUS1611－AC－FSM上升時(shí)間為400ps的快速光電二極管接收所產(chǎn)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(dāng)輸入功率為8.20W時(shí)，最大輸出功率為1.72W，光－光轉(zhuǎn)換效率為21%.

圖3 晶體輸入面和SESAM處的光斑半徑與L3的關(guān)系

圖4 被動(dòng)鎖模平均輸出功率與輸入功率的關(guān)系

隨著輸入功率的增加，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡上的功率密度逐漸增大，由調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)入調(diào)Q鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)泵浦功率為0.91W時(shí)，調(diào)Q鎖模近似達(dá)到50%調(diào)制深度，泵浦功率為3.70W時(shí)，調(diào)Q鎖模達(dá)到90%以上調(diào)制深度.隨著泵浦功率的增加調(diào)Q鎖模調(diào)制深度逐漸加深并最終達(dá)到穩(wěn)定的連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn).圖5給出了不同泵浦功率下示波器上顯示的從調(diào)Q鎖模到連續(xù)鎖模的過程.

圖5 示波器上顯示的從調(diào)Q鎖模到連續(xù)鎖模的過程

圖5（d）是泵浦功率為8.20W時(shí)的連續(xù)鎖模波形（時(shí)間間隔分別是1μs和10ns），可以看出鎖模波形穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)得鎖模脈沖的重復(fù)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(zhǎng)）計(jì)算值比較吻合.根據(jù)示波器上單個(gè)鎖模脈沖的顯示和探測(cè)器的上升時(shí)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(jí).

4 結(jié)束語

針對(duì)激光技術(shù)鎖模實(shí)驗(yàn)存在的問題，基于被動(dòng)鎖模技術(shù)，結(jié)合理論計(jì)算設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊的Z型諧振腔，采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）作為被動(dòng)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(shí)現(xiàn)了連續(xù)鎖模的脈沖輸出.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中更清晰地看到了從調(diào)Q鎖模到連續(xù)鎖模的變化過程，加深了對(duì)鎖模概念的理解.在輸入功率為8.20W時(shí)，獲得了輸出功率為1.72W的連續(xù)鎖模激光輸出，光－光轉(zhuǎn)換效率達(dá)21%，鎖模脈沖重復(fù)頻率為110MHz.

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