單脈沖時(shí)間精確可控的單縱模Nd:YAG激光器*

戴殊韜 江濤 吳麗霞 吳鴻春 林文雄?

1)(中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所,中國科學(xué)院光電材料化學(xué)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002)

2)(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,超高速空氣動力研究所,綿陽 621000)

1 引 言

單縱模脈沖激光器在非線性頻率變換、激光雷達(dá)、激光光譜學(xué)等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用[1?5].種子注入技術(shù)是實(shí)現(xiàn)單縱模輸出最便捷最可靠的方法,種子注入的基本思路是將一束頻率特性優(yōu)良的窄線寬低功率激光注入到高增益的從動激光器腔內(nèi),以控制從動激光器輸出激光的頻率特性,最終得到單縱模的輸出.

種子注入技術(shù)有兩種常用的方法.一種是建立時(shí)間最小的方法[6,7],由于在種子注入的情況下,單縱模激光脈沖的建立時(shí)間小于多縱模激光脈沖,因此根據(jù)上一發(fā)激光脈沖的建立時(shí)間對激光器腔長進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,使得激光脈沖建立時(shí)間保持最小,這樣輸出的激光就是單縱模的.從上述技術(shù)原理可以看出,對腔長的反饋控制是在每一個(gè)脈沖產(chǎn)生之后才進(jìn)行的,這種方法要求激光的輸出要有很好的繼承性,即激光器不能工作在諸如較大振動、劇烈溫升或者強(qiáng)烈氣流擾動的環(huán)境.還有另一種是掃描-探測方法[8,9],該方法是在每一個(gè)激光器調(diào)Q前對諧振腔腔長進(jìn)行快速掃描,同時(shí)觀察種子光經(jīng)過從動腔之后的干涉信號,檢測到干涉峰時(shí)即表明從動腔縱模頻率與種子光頻率匹配.采用這種方法控制的種子注入激光器基本能保持100%的單縱模概率,并且具有很強(qiáng)的抗干擾能力.但是傳統(tǒng)的諧振探測技術(shù)也存在缺點(diǎn),主要在于每一周期內(nèi)檢測到諧振峰值的時(shí)間是不固定的,給后續(xù)系統(tǒng)的時(shí)間同步帶來困難.

為了解決這個(gè)問題,Walther等[10]在種子注入的鈦寶石激光器上提出了一種叫掃描-保持-觸發(fā)的方法實(shí)現(xiàn)單縱模輸出,該方法與掃描-觸發(fā)類似,只是在檢測到干涉峰值時(shí)沒有馬上打開Q開關(guān),而是根據(jù)干涉信號的幅度對掃描電壓進(jìn)行反饋控制,使干涉信號保持在峰值,然后反饋控制過程持續(xù)到一個(gè)預(yù)設(shè)的時(shí)間點(diǎn)后打開Q開關(guān),由于打開Q開關(guān)的時(shí)間可以精確設(shè)定,因此激光脈沖輸出的時(shí)間可以精確控制.不過由于掃描腔長是通過加載在壓電陶瓷上的電壓來實(shí)現(xiàn)的,壓電陶瓷的非線性響應(yīng)和振鈴效應(yīng),使得反饋精度降低,反饋時(shí)間加長,影響頻率穩(wěn)定.周軍[11]將該方法用在Nd:YAG激光器上,但是由于壓電陶瓷的非線性效應(yīng),輸出的頻率不夠穩(wěn)定,不時(shí)出現(xiàn)多縱模的成分.Hovis等[12]用磷酸鈦氧銣(RTP)晶體代替壓電陶瓷作為腔內(nèi)電光相位調(diào)制器,采用掃描-觸發(fā)的縱模鎖定方法,但是縱模輸出不夠穩(wěn)定,不時(shí)會有雙縱模出現(xiàn).張俊旋等[13,14]也用電光晶體作為Nd:YAG激光器腔內(nèi)相位調(diào)制器,采用掃描-延時(shí)-觸發(fā)的方法得到單縱模脈沖輸出.該鎖定方法由時(shí)序控制系統(tǒng)在每個(gè)脈沖結(jié)束后對掃描電壓起始時(shí)刻相對泵浦脈沖起始時(shí)刻的延時(shí)量進(jìn)行反饋控制,使得每次Q開關(guān)打開時(shí)處于泵浦脈沖后沿相同時(shí)刻,因此不適合單脈沖輸出的情況.

我們曾在自濾波非穩(wěn)腔(SFUR)內(nèi)采用RTP晶體作為相位調(diào)制器[15],使用掃描-觸發(fā)的方法,得到高光束質(zhì)量窄線寬的單縱模輸出.本文對該技術(shù)做進(jìn)一步的改進(jìn),在SFUR腔內(nèi)采用掃描-保持-觸發(fā)的方法,利用RTP電光晶體調(diào)諧腔長,得到單脈沖輸出時(shí)間精確可控的單縱模輸出.該激光器將作為光參量振蕩器的泵浦源,得到可調(diào)諧的紫外窄線寬光源[16,17],用于高超聲速流場的光學(xué)診斷.

2 實(shí) 驗(yàn)

種子注入的單縱模Nd:YAG激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.種子源是一個(gè)商用的窄線寬1064 nm非平面環(huán)形腔固體激光器(Coherent,Mephisto S200SE),最高輸出功率200 mW,線寬僅1 kHz.種子源后面跟一個(gè)40 dB隔離度的法拉第隔離器(THORLABS,IO-5-1064-VHP)防止后向脈沖激光損壞種子源,一個(gè)二分之一波片將種子光的偏振方向轉(zhuǎn)到S光方向,由布儒斯特偏振片注入從動腔.

圖1 種子注入單縱模Nd:YAG激光器Fig.1.Schematic of the injection-seeded single-frequency Nd:YAG laser.

從動腔為SFUR結(jié)構(gòu)[18,19],SFUR腔為實(shí)共焦非穩(wěn)腔,共焦處放置一濾波小孔,小孔直徑(d)的選擇使得入射到它上面的平面波被反射鏡M1聚焦成相同直徑的埃里斑.據(jù)此可以得到小孔光闌直徑為

式中f1為反射鏡M1的焦距,l為激光波長,反射鏡M1的聚焦和光闌的衍射效應(yīng)相互抵消,使得焦平面處的熱斑完全消除.光闌和反射鏡M1共同起到低通空間濾波器的作用,因此能夠得到光滑無調(diào)制的TEM00?？臻g分布.腔內(nèi)放一RTP電光晶體作為相位調(diào)制器調(diào)諧腔長,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的安裝在腔鏡上的壓電陶瓷.大約1%的種子光由M1全反鏡漏出,被光電探測器接收,用于掃描-保持-觸發(fā)技術(shù)進(jìn)行腔長控制和模式鎖定,來實(shí)現(xiàn)單縱模的輸出.

掃描-保持-觸發(fā)技術(shù)工作過程如下: 在每個(gè)泵浦周期內(nèi),當(dāng)腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度達(dá)到最高時(shí),對RTP晶體進(jìn)行線性電壓掃描,同時(shí)對光電探測器探測到的干涉信號進(jìn)行峰值檢測,在檢測到干涉峰值時(shí)輸出一個(gè)信號給晶體電壓掃描電路,該觸發(fā)信號控制晶體電壓掃描電路使得晶體的電壓保持在該電壓值上,直到一個(gè)預(yù)設(shè)的時(shí)間點(diǎn)時(shí)觸發(fā)Q開關(guān),激光脈沖輸出.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2給出了掃描-保持-觸發(fā)技術(shù)實(shí)際工作時(shí)的掃描電壓信號和干涉信號,由于電路系統(tǒng)的延時(shí)導(dǎo)致了從檢測到峰值到晶體掃描電壓保持時(shí),干涉信號從峰值下降了10%左右,相當(dāng)于約7 MHz的失諧量,為了補(bǔ)償這個(gè)失諧量,可以旋轉(zhuǎn)光電探測器前的偏振片一定角度進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償[20].其后干涉信號隨掃描電壓保持在了一個(gè)水平的位置.實(shí)際工作時(shí),7 MHz的失諧量不會影響種子的成功注入.

從圖2中可以看到,在掃描-保持-觸發(fā)技術(shù)中使用RTP晶體相位調(diào)制器代替壓電陶瓷有很大的優(yōu)勢.首先,在掃描速度上就提高了很多.由于壓電陶瓷的堆疊結(jié)構(gòu),掃描速度不能很快,通常在幾百伏/幾十微秒左右,而RTP晶體的響應(yīng)時(shí)間可以忽略不計(jì),完全取決于電路的掃描速度; 其次,壓電陶瓷是一種鐵電材料,位移隨電壓的變化是非線性的,由于每次掃描到諧振峰所需時(shí)間不同,使得壓電陶瓷在保持階段產(chǎn)生與控制電壓不一致的位移,引起頻率的抖動,而RTP晶體產(chǎn)生的相移與電壓完全成正比; 最后,掃描電壓從掃描到保持時(shí)的拐角所包含的高頻成分會引起壓電陶瓷的振蕩,會導(dǎo)致諧振腔的不穩(wěn)定,影響輸出頻率的穩(wěn)定.

圖3 激光脈沖輸出能量隨泵浦能量的關(guān)系曲線Fig.3.Laser output energy with pumped energy.

圖3是輸出脈沖能量隨泵浦能量的關(guān)系,可以看出種子注入后激光脈沖能量比無種子注入時(shí)的多縱模能量下降了20%左右,這種現(xiàn)象和BUTR類似,我們稱之為能量最小方法(energy reduction,ER),也可以作為單縱模鎖定判據(jù)[21].

我們也將種子注入前后的脈沖波形同時(shí)顯示在圖4中,可以看到?jīng)]有種子注入時(shí),激光在自發(fā)輻射中建立,因此脈沖建立時(shí)間較長,為79 ns,而種子注入后,激光在種子光中建立,脈沖建立時(shí)間縮短了31 ns,為48 ns,這就是種子注入的BUTR現(xiàn)象.

圖4 種子注入前后脈沖波形及建立時(shí)間Fig.4.Temporal pulse shape of the laser in seeded and unseeded operation.

根據(jù)我們對激光器的輸出特性的要求,激光脈沖必須是單脈沖輸出時(shí)間精確可控的,圖5示出了100次單縱模脈沖波形的疊加,重復(fù)頻率設(shè)置為0.1 Hz,以模擬單脈沖工作模式.可以看出脈沖形狀基本一致,脈沖建立時(shí)間抖動<1%(RMS),能量計(jì)測得的能量抖動<1%(RMS),能量穩(wěn)定性和建立時(shí)間穩(wěn)定性都非常好.

圖5 同步觸發(fā)100次脈沖疊加圖Fig.5.Temporal spatial of 100 accumulated laser pulse with synchronous trigger.

最后我們用商用的Fizeau型波長計(jì)HighFinesse Angstrom WS7測量輸出的激光脈沖波長和線寬,結(jié)果如圖6所示,此波長計(jì)含有兩塊不同精細(xì)度的鍥形Fizeau標(biāo)準(zhǔn)具,圖中上半部測得的比較密的干涉圖樣的是低精度的Fizeau標(biāo)準(zhǔn)具,下半部分測得比較疏的干涉圖樣的是高精度的Fizeau標(biāo)準(zhǔn)具,干涉條紋清晰光滑,是典型的多光束干涉波形,顯示波長為1064.40416 nm,線寬<0.5 pm(波長計(jì)的極限分辨率).同時(shí)波長計(jì)也記錄了激光器連續(xù)1700發(fā)脈沖的波長,如圖7所示,波長抖動小于0.1 pm(峰峰值).

圖7 脈沖波長穩(wěn)定性Fig.7.Laser wavelength stability.

4 結(jié) 論

本文選擇自濾波非穩(wěn)腔的激光器諧振腔結(jié)構(gòu),采用掃描-保持-觸發(fā)的種子注入腔模鎖定技術(shù),利用RTP電光晶體相位調(diào)制器代替壓電陶瓷調(diào)諧腔長.電光晶體相位調(diào)制器完全消除了壓電陶瓷的機(jī)械不穩(wěn)定性、振鈴效應(yīng)和非線性響應(yīng)問題,提高掃描-保持-觸發(fā)時(shí)腔模鎖定的穩(wěn)定性,大大提高了單縱模激光的頻率穩(wěn)定性和建立時(shí)間穩(wěn)定性,獲得了單脈沖時(shí)間精確可控的單縱模激光器.該激光器輸出脈沖能量50 mJ,脈沖建立時(shí)間48 ns,單脈沖輸出時(shí)間抖動小于1%.線寬<0.5 pm(波長計(jì)的極限分辨率),波長抖動小于0.1 pm(峰峰值,1700發(fā)脈沖).