英语原文共 5 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
窗体底端
自启动克尔透镜锁模Nd：YAG激光器
B. Henrich, R. Beigang
摘要
窗体顶端
窗体底端
本文报导的是对端面泵浦自启动克尔透镜锁模Nd：YAG激光器的设计的实验。在腔内光阑不接近脉冲的带宽限制的条件下，得到了脉冲宽度为6.7皮秒。Zai重复频率为106兆赫兹、泵浦功率为2W的条件下，得到的激光脉冲的最大平均输出功率为675毫瓦。
1 引言
Nd：YAG锁模激光器作为产生超短脉冲的重要来源已经很多年了。Nd：YAG锁模激光器可以在高能源振荡放大器系统中被用于作为额外的超短脉冲激光的泵浦光源或主振荡器。目前，利用Nd：YAG激光器实现超短脉冲的方法有很多种[l-5]。大多数闪光灯泵浦连续锁模Nd：YAG激光器谐振腔腔内的声光调制器是用来产生脉冲宽度在80皮秒与100 皮秒之间的激光脉冲的。在泵浦激光系统中，非线性锁模方法可用于实现脉冲宽度低于10 皮秒的激光脉冲。快速半导体可饱和吸收体非常适合用来启动模式锁定，特别是，Fabry-Perot反谐振饱和吸收体（A-FSPA）可以通过自定义的方式来设计自启动锁模Nd∶YAG激光器，并可以使其稳定性比调Q开关更好[6]。克尔透镜锁模（KL.M）是另一种用固体激光器产生超短脉冲的非常有效的方法（见参考文献[7]和[8]以及其中包含的参考文献）。只有少数几个必要的附加谐振器内部元件才能启动模式锁定，没有额外的设计的半导体器件需要非线性元件和Nd：YAG晶体本身或一个简单的、廉价的、额外的克尔介质才可以使用。这种方法特别适合于二极管泵浦Nd：YAG激光器，而这样就可以构成小型的、紧凑的激光锁模系统。然而，克尔透镜锁模非常依赖于激光腔的设计与校准。为了实现自启动的、稳定的锁模操作以及由克尔介质引起的非线性模式的变化，动态损耗调制必须最大化地优化谐振腔参数，KLM钛宝石激光器就非常成功的证明了这一点[9]。最近，荷兰报道了一个没有附加克尔介质和无内孔的二极管泵浦Nd：YAG激光器[2]。然而，锁模需要一个声光调制器才能运转。这部分内容是我们第一次报告的，即在自启动KLM端面泵浦Nd：YAG激光器中使用一个单独的克尔介质和有打孔效果的Nd：YAG束腰的内部。
2 实验装置
实验装置示意图如图1。四镜腔的像散补偿基本上是由两个球面反射镜M2和M3（曲率半径ROC = 100毫米）、平面输出镜M4和平面高反射率镜M1组成的（散光完全补偿腔的例子见参考文献[10]）。谐振腔腔体内有两个光束束腰，一个在高反射镜前，另一个在两个球面镜之间。Nd：YAG晶体在靠近介质镜像腔的一侧涂敷了电介质。该涂层对激光波长为1064纳米的激光光束具有高反射率，对泵浦波长为808纳米的激光光束具有高传输率。为了尽量减少谐振器损耗，抑制谐振腔标准具效应，第二表面抗反射涂层为1064 纳米。此外，两个表面之间有约的角度。泵浦光在焦距为60毫米的透镜的作用下聚焦成直径约为80微米的光束照射到Nd：YAG晶体的入口处。把一个连续波掺钛蓝宝石激光调谐到808纳米当作最大输出功率高达2 W的泵浦光源。这种泵浦激光源可以很容易地取代由高功率二极管激光器组成的全固态皮秒激光器系统。由于泵浦光的强吸收引起的几毫米的Nd：YAG晶体的热透镜效应，谐振腔内部光束束腰位于Nd：YAG晶体的前面。因此，造成了泵浦光的光束直径和晶体内的谐振模式的大小不匹配。这部分内容将在下一节中详细讨论。
图1 实验装置示意图。图中L：焦距为60毫米的聚焦透镜；M1：Nd：YAG晶体端面的HR涂层，代表谐振腔的一个端镜；M2，M3：球面反射镜（ROC= 100毫米）；M4：选择输出耦合器（楔）。
非线性克尔元件放置在谐振腔的两个球面镜之间的第二光束束腰处。它由一个10毫米厚的非线性高折射率（[11]）的、良好光学质量的SF 57玻璃基板构成。将玻璃基板以布儒斯特角插入谐振腔以减少反射损耗。原来的非线性介质的球面反射镜的位置对于稳定锁模操作是非常关键的。因此，SF 57玻璃基板和球面反射镜安装在精密平移阶段。
输出耦合器为避免附加标准具效应应有的楔角，传输率应在1.5%和12%之间。总谐振器的长度应与106兆赫的重复率相对应。
3 实验结果
为了实现锁模，Nd：YAG激光器在连续运行时的最大输出功率上进行了优化。仔细调整了双球面反射镜相对于SF 57非线性元件的位置，启动模式锁定。调整好反射镜和SF 57玻璃基板的位置后，观察稳定模式锁定的操作时间。没有必要为了一个额外的光圈或外部扰动来启动模式锁定。如果仅仅只是纯粹的自启动和维持运转，机械扰动并不会使锁模停止运转。
光束轮廓在模式锁定和连续波操作之间有很大的差距，而这可以用测量法来测量确定。对于连续波操作是在 = 2.1和 = 2.0时分别在切向和矢状面上进行测量的。而对于模式锁定则是在 = 1.5和 = 1.1的两个正交平面来进行测量的。这些实验结果表明，晶体内部的锁定模式数目抑制了高次横向模的降低。这种减少晶体内的模式大小的作用作为一个软孔通向克尔透镜锁模。克尔透镜促使非线性介质强烈地依赖于谐振腔内部的能量，我们测量了在模式锁定操作中具有输出耦合功能的输出功率（如图2所示）。泵浦功率为2 W，对应的转换效率为33.8%，输出耦合率为8%时的最大输出功率为675毫瓦。正如图2中实线所表示的那样，它代表了一个适当的实验数据，该输出耦合接近最佳的输出耦合。这就恰好验证了连续波运行。在锁定模式操作中，较高的输出耦合会导致锁模不稳定，而锁模谐振腔腔内功率太小，也会导致克尔透镜锁模不稳定。从这些数据中可以得出，克尔透镜锁模的腔内功率的阈值约为8.4 W，克尔透镜锁模腔内对应的光强为6.7 。
图2 锁模激光器的输出功率作为输出耦合功能。除了输出耦合为8%时，没有观察到稳定的锁模。横坐标为输出耦合，其单位为%；纵坐标为输出功率，其单位为毫瓦。
时间脉冲的形状是用自相关强度法来测量的。假定得到的脉冲是一个脉冲的形状，用重复频率为106兆赫的激光器产生了6.7 皮秒的超短脉冲（如图3所示）。用光栅光谱仪测量得到的光谱带宽为60千兆赫。在0.4的脉冲带宽乘积接近脉冲的傅里叶极限。在外部的脉冲压缩装置的作用下，应该有可能将脉冲压缩到5.3皮秒。
图3 典型的脉冲宽度为10.3皮秒的自相关曲线（具有双曲正割调整），假定得到的脉冲是一个脉冲的形状，对应于6.7皮秒的超短脉冲。横坐标为延迟时间，其单位为皮秒；纵坐标为振幅。
4 数值模拟
为了理解克尔透镜锁模这种类型的激光器的作用机制，我们已经进行了腔内光束半径和腔内功率的理论数值分析以及对操作模式功能的分析。特别是，我们希望验证在Nd：YAG晶体中，泵浦光束与模式大小之间的重叠是作为一种软孔并具有稳定锁模运转的功能。
为了模拟在谐振腔内光束半径大小的变化范围，我们用了Magni等人的ABCD矩阵方法来分析[12]。为了精确测定空腔内的光束半径，知道空腔中的所有的距离以及在空腔中的空间光束分布的影响非常重要。在谐振腔中有两个关键的因素，即非线性介质和Nd：YAG晶体所产生的热透镜。
这种非线性关系可以用矩阵来描述：
，， （1）
其中 d：克尔介质的长度，：折射率，：在介质中部的光束半径，：P = 0，的自聚焦的临界功率的束腰。这个矩阵被用于理论计算。
Nd：YAG晶体产生的热透镜非常重要性，它的位置取决于在晶体中能量沉积的方式。用对于一个泵浦激光器系统，它的作用是将在晶体表面的平面端镜转换成一个有弧度的球面镜，从而量化热透镜的强度[13]。这是一个很好的近似，因为超过90%的泵功率是在三毫米的激光晶体表面三毫米上被吸收的。
我们用与泵浦激光束通过聚焦透镜和通过Nd：YAG晶体的光束定向共线的He-Ne激光器的光束测量了热透镜。用这种方法测试的优势是，无论激光是在连续波状态还是模式锁定状态都能够测量热透镜。由于晶体的楔以及随入射波长变化的折射率造成He-Ne激光束与Nd：YAG激光束折射到不同方向。我们需要测量Nd：YAG腔中在聚焦透镜和Nd：YAG晶体之间的不同位置的光束的光束半径。Nd：YAG晶体产生的热透镜非常重要性，它的位置取决于在晶体中能量沉积的方式。测量之后，将实验数据与计算值进行比较，其中的球形端反射镜的半径是变化的，直到计算出与实验的光束半径的数值相匹配的值。通过这种方式，我们确定了一个曲率为34.7毫米的球面端反射镜。这种功能强大的热透镜可以在晶体表面的端部反射镜表面形成光束半径约为40皮米的很小的泵浦激光光束。即使有一个像散完全补偿腔，光束在克尔介质依然具有很强的趋于椭圆趋势。然而，对于克尔矩阵（1）的运用，仅仅对非线性的发生率是垂直于表面的圆柱对称的光束是有效的。因此，我们研究了一个近似的矢状面和切平面的两个耦合腔。图4显示出的是在腔锁模运转的情况下在矢状面（实线）和连续运行的情况下（虚线）所计算出光束半径。在谐振腔有两个光束束腰。一个在楔形侧面的Nd：YAG晶体的前面（），另一个在SF 57玻璃之中（）。激光晶体和非线性元件的外面的光束半径始终比连续运行在模式锁定情况下操作更麻烦。而这也在实验中被验证：在空腔中没有光圈的位置来开启模式锁定。在对切向平面的实验中，我们也得到了相同的结论。
图4 理论计算出的光束半径与激光腔中位置构成的函数。x = 0的位置是Nd：YAG晶体的端面。虚线曲线代表的是连续运转的光束半径，实线曲线表示的是锁定模式运转。横坐标为谐振腔的位置，其单位为毫米；纵坐标为光束的半径，其单位为毫米。
然而，在Nd：YAG晶体中的情况却是不同的。由于晶体的楔以及随入射波长变化的折射率造成He-Ne激光束与Nd：YAG激光束折射到不同方向。我们需要测量Nd：YAG腔中在聚焦透镜和Nd：YAG晶体之间的不同位置的光束的光束半径。在晶体的吸收长度（3毫米）时，泵浦光束的直径可以近视的认为是常数，总是比连续波和模式锁定时的内膜尺寸要小。因为Nd：YAG激光器的增益取决于泵浦激光和激光模式之间的重叠，所以Nd：YAG激光锁模能增加激光器的增益。Nd：YAG激光器具有非常低的的饱和增益强度，可以降低激光模式的大小，这是由于泵浦激光光束的大小比在激光模式时更小。然而，如果激光模式的尺寸变得可媲美泵浦激光光束，甚至小于泵浦激光光束的大小时，将由不同的直径来决定不同的模式的饱和增益的大小[2]。与泵浦激光光束相比，孔径的增大只对大型激光模式的尺寸有作用。在我们的实验装置中，锁模是自启动和自运转的。
为了了解Nd ：YAG激光器的自启动的作用原理，我们用数值模拟计算来确定锁模增益和连续操作之间在各种模式的直径时腔内功率上的不同，如图5所示，锁模是自启动和自运转的。
图5 理论计算连续波和锁定模式操作两个不同的镜像之间的增益差来区分不同的，作出谐振腔腔内功率的函数。横坐标为谐振腔的腔内功率，其单位为瓦；纵坐标为理论计算出来的增益。
为了了解Nd： YAG激光器的自启动的作用原理，我们用数值模拟计算来确定增益锁模和连续操作之间在不同的谐振腔结构时腔内功率上的差异。增益的差异与锁模激光模式连续波激光模式的横截面或在增益介质内的锁模操作相关[5]：
（2）
其中、、是连续波的不同横截面，模式锁定操作和泵浦光束分别用不同的参数表示。再次使用由Magni等人得出的ABCD矩阵形式的方法来分别计算、、。
原来，反射镜和之间的距离才是最关键的。我们的谐振器的稳定范围仅仅为500皮米，而且增益的最大变化是在接近稳定范围内的顶端时取得的（如图5所示）。
自启动的斜率在腔内能量的限制下接近于零（KLM驱动力[5]），这是最基本的参数。从我们的计算中，我们得到了一个斜率：
（3）
（4）
在这其中是小信号的不饱和增益，是饱和功率，是自由运转的激光器的脉冲波动的持续时间，则是上层激光能级的寿命。在我们设定的实验条件（=4，=0.05W，10皮秒，=230微妙）下，我们得到
（5）
获得的KLM动力值在我们的实验装置和自启动中应该是在可能的范围之内的。很明显，最小驱动力的正确的理论计算值取决于对分离镜的位置。通过改变分离镜的位置，可以清楚地观察到实验结果和自启动模式锁定的结果。
相比于其他的KLM锁模Nd：YAG激光器，KLM的驱动力似乎是非常高的。KLM的驱动力非常高的原因是在克尔介质中的焦点（）非常的小，SF 57玻璃基板的非线性折射指数相比于Nd：YAG激光器和在我们的实验中设计并使用的谐振腔指数要更大一些。
5 结论
我们设计并演示了一个全固态自启动克尔透镜锁模Nd：YAG激光器。在平均输出功率为67.5毫瓦、重复频率为106兆赫的条件下，得到了脉冲宽度为6.7皮秒的激光脉冲，而且转换效率高达35%。这样的脉冲已经接近傅里叶极限时间带宽为0.4的脉冲的形状。用ABCD矩阵方法通过数值模拟了克尔透镜锁模Nd：YAG晶体的热透镜效应，从而定性的解释我们的锁模激光器系统的功能。克尔透镜锁模锁定增益介质和非线性元件的分离有利于系统的对准。因此，可以稳定的观察锁模运转几个小时而不需要重新调节对准系统。用808纳米的高功率二极管激光器取代蓝宝石泵浦激光器，根据我们的模拟调节泵浦激光和激光模式就可以得到一个严谨的全固态锁模Nd：YAG激光器。
致谢
本文作者非常感谢R. Wallenstein教授一直以来的大力支持。这项工
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[147666]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
