利用被动锁模技术实现超短脉冲激光输出实验

肖德志，刘丹华，刘 杰

（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250014）

1 引 言

1964年，科学家们研究提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制——锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间缩短到皮秒乃至飞秒量级，所以又称超短脉冲技术.超短脉冲为物理、化学、生物和光谱学等学科的微观世界和超快过程的研究提供了重要手段[1].

采用LD泵浦，利用半导体饱和吸收镜（semiconductor saturable absorber mirror，SESAM）获得被动锁模激光运转是一种有效的技术手段.由于半导体可饱和吸收镜简单、可靠、低成本、使用方便以及能够得到稳定的锁模脉冲，自20世纪90年代半导体可饱和吸收镜SESAM一经出现，便很快被应用于全固态被动锁模激光器中.目前，适用于各种波长固体激光器的SESAM几乎都可以实现，并且SESAM已经在各种固体激光器和光纤激光器上得到广泛应用，用来实现被动调Q及连续锁模，实现超短脉冲输出.

目前很多院校开设的激光技术实验内容由于受到实验条件的限制，锁模实验的腔型多为直线腔设计，可以实现的现象仅限于从调Q到调Q锁模的过程，学生无法观察从调Q锁模到连续锁模的整个变化过程，影响了实验教学效果.本实验系统从理论研究入手，合理地设计了Z型谐振腔.Z型谐振腔结构紧凑，易于调节，可以实现从调Q锁模到连续锁模的全部连续变化过程，对于更加深刻地理解并掌握锁模概念有实际意义.实验结果表明本实验实现了LD直接泵浦的高效率、小型化全固态超快激光运转，这种全固态小型超快脉冲激光实验系统不仅具有超短脉冲宽度、结构紧凑、体积小、不易发生光学失调等优点，而且避免了主动锁模的高压或射频电源驱动，非常适合培养学生的实验操作能力.

2 实验原理及装置

激光晶体是全固态激光器中重要的元件之一，在很大程度上决定了激光器的输出特性，为了获得高效激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的[2].晶体的发射谱线越宽，就能使更多的纵模得到起振.由锁模理论可知，锁模脉宽是与纵模个数成反比的，增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉宽，而且起振的纵模个数越多，脉冲峰值功率便越高，锁模效果越好.在适合半导体泵浦的众多激光晶体中，Nd∶YVO4晶体拥有低的激光阈值，宽的吸收带，高的吸收系数，在1.06μm处具有大的受激发射截面，是一种适合半导体泵浦的中小功率被动锁模激光器的增益介质[3－6].所以本实验采用Nd∶YVO4晶体作为增益介质，掺杂度为0.5%，晶体尺寸为4mm×4mm×8mm，为减少腔内元件的损耗，Nd∶YVO4晶体靠近泵浦光的一面兼作输入镜，前表面镀有1 064nm高反膜和808nm增透膜，另一面镀有1 064nm增透膜.

半导体可饱和吸收体的基本结构是将反射镜和可饱和吸收体结合在一起.其底部一般使用半导体布拉格层对构成反射镜，顶部采用高反射介电膜层或者直接使用空气层作为反射界面，可饱和吸收体夹在中间，根据上下反射镜的反射率不同以及吸收体的厚度不同，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的宽度[7－8].本文实验中所用的饱和吸收体采用金属有机气相淀积方法生长，在In0.3Ga0.7As的上下两侧为500℃下生长的GaAs层，厚度都为26nm，它们和In0.3Ga0.7As层一起构成单量子阱.布拉格镜的生长温度为720℃，共有22对，如图1所示.

图1 SESAM结构简图

要实现稳定的连续波锁模，通过设计谐振腔来获得合理的腔参量，是实现稳定高质量激光输出的关键.为了在SESAM上获得足够小的光斑半径来提高吸收体上的光强度，最终实现连续锁模，我们通过ABCD矩阵的计算，设计了Z型谐振腔结构，如图2所示，泵浦源发射波长为808nm，最大输出功率为15W，通过光纤耦合输出，数值孔径为0.22，光斑经1∶1的耦合透镜组聚焦到晶体上的光斑半径为200μm.谐振腔由兼腔镜的晶体Nd∶YVO4、折叠镜M2、输出镜M3以及反射式SESAM组成.折叠镜M2为曲率半径R2＝50cm的平凹镜，其凹面镀对1 064nm高反膜.另一平凹镜M3作为输出镜，其曲率半径R3＝10cm，其凹面镀对1 064nm的透射率为T＝3.5%的部分透射膜.初步确定M2的位置到Nd∶YVO4晶体的距离L1＝50cm，M3与M2的距离L2＝79cm.

图2 被动锁模激光器实验装置图

根据折叠腔理论和矩阵光学，计算谐振腔的ABCD矩阵以及腔镜处的光斑半径，确定合适的腔长[9].以M4为起始面折叠腔的往返矩阵为

实验中考虑到激光晶体的热透镜效应有

其中fT为晶体的热透镜焦距.在满足谐振腔的稳定条件的前提下，根据在某参考面上的高斯模的光斑尺寸公式

利用Matlab软件绘出晶体输入端面和SESAM处的光斑半径与腔镜M3到SESAM的距离L3的关系曲线图，如图3所示.

根据图3所示理论曲线图的结果，考虑结合实验条件，即耦合到Nd∶YVO4晶体输入端面（兼作输入镜）处的光斑半径为200μm，同时为了更好地实现锁模运转，应使得半导体可饱和吸收镜SESAM处的光斑半径尽量小，以保证吸收镜上有较高的激光功率密度满足连续锁模的条件，初步确定SESAM与M3的理论距离L3＝5.5cm，总的几何腔长定为135.3cm.

3 实验结果与分析

实验中采用NEW FOCUS1611－AC－FSM上升时间为400ps的快速光电二极管接收所产生的激光脉冲，用TeKtronix公司的TDS5104示波器记录了各阶段的波形.图4给出了平均输出功率随输入功率的变化，振荡泵浦阈值功率约为0.60W，当输入功率为8.20W时，最大输出功率为1.72W，光－光转换效率为21%.

图3 晶体输入面和SESAM处的光斑半径与L3的关系

图4 被动锁模平均输出功率与输入功率的关系

随着输入功率的增加，半导体可饱和吸收镜上的功率密度逐渐增大，由调Q运转进入调Q锁模运转，当泵浦功率为0.91W时，调Q锁模近似达到50%调制深度，泵浦功率为3.70W时，调Q锁模达到90%以上调制深度.随着泵浦功率的增加调Q锁模调制深度逐渐加深并最终达到稳定的连续锁模运转.图5给出了不同泵浦功率下示波器上显示的从调Q锁模到连续锁模的过程.

图5 示波器上显示的从调Q锁模到连续锁模的过程

图5（d）是泵浦功率为8.20W时的连续锁模波形（时间间隔分别是1μs和10ns），可以看出锁模波形稳定，实验测得锁模脉冲的重复频率为110MHz，与由f＝c／（2L）（c为光在真空中的传播速度，L为总的腔长）计算值比较吻合.根据示波器上单个锁模脉冲的显示和探测器的上升时间等参量，可以初步估算出锁模脉冲的宽度大约在几十皮秒量级.

4 结束语

针对激光技术锁模实验存在的问题，基于被动锁模技术，结合理论计算设计了结构紧凑的Z型谐振腔，采用半导体可饱和吸收镜（SESAM）作为被动锁模元件，利用激光二极管泵浦增益线宽较宽的Nd∶YVO4晶体，最终实现了连续锁模的脉冲输出.学生在实验中更清晰地看到了从调Q锁模到连续锁模的变化过程，加深了对锁模概念的理解.在输入功率为8.20W时，获得了输出功率为1.72W的连续锁模激光输出，光－光转换效率达21%，锁模脉冲重复频率为110MHz.

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