電光開關對被動鎖模激光器輸出脈沖的影響
程晉明,李軍
( 中國工程物理研究院流體物理研究所 109 室, 四川綿陽
621900)
摘要: 介紹了在被動鎖模激光器諧振腔中引入電光開關對輸出脈沖的影響, 初步探討了由于引入電光開關而引起輸出光波形變差的機理,對輸出能量穩定性和平均輸出能量提高的原因進行了分析。實驗結果表明, 引入電光開關后, 諧振腔輸出能量穩 定性由 16.8% 提高 到 5.1% ,輸出能量平均值提高了25.8% 。在改善輸出光波形方面進行了一些嘗試。
關鍵詞: 被動鎖模激光器; 電光開關; 鎖模波形
1引言
盡管克爾透鏡鎖模飛秒激光器近年來發展迅速, 然而大量閃光燈泵浦的 N d: YAG 被動鎖
模皮秒激光器由于輸出能量高, 在激光加工、激光醫療和激光檢測等方面有著重要應用, 所以
仍然受到重視。但是, 它的運行機制決定了無法用于對同步要求較高的場合。若在被動鎖模
諧振腔內加入電光開關, 可以將光脈沖相對外觸發同步信號的抖動控制到納秒量級, 但隨之引
入了諸如脈沖次結構和能量穩定性等問題。文獻[ 1] 報道了在被動鎖模諧振腔內加入電光開
關提高了激光器的同步性能, 但沒有討論由此帶來的影響。本文主要探討在被動鎖模諧振腔
內加入電光開關對輸出脈沖的影響。
2理論分析
G. H . C. New [ 2] 、W. H . Glenn\ [ 3\ ] 認為超短脈沖是由最初存在于被動鎖模激光器自發噪
聲中的漲落脈沖集合發展而成的。在泵浦開始階段, 反轉粒子數低于閾值, 腔內只有自發輻射
場。由于自發輻射的隨機性, 輻射場包括許多無規律漲落的噪聲脈沖, 噪聲脈沖的峰值強度滿
足高斯幾率分布。這個階段一直延續到激活介質的增益系數 增長到閾值點增益系數 0。在
線性放大階段, 隨著增益超過閾值, 自發輻射被放大。此時, 光脈沖還比較弱, 各噪聲脈沖經歷
相同的增益和損耗, 尖峰強度的幾率分布不變。噪聲輻射在腔內往返振蕩, 自然選模, 在時域
形成準周期 T = 2L / c( L 為光學腔長) 的噪聲漲落波群。光脈沖經過線性放大階段, 噪聲漲落
波群中的漲落脈沖數目減少, 寬度增大。當光脈沖強度上升到接近染料的飽和強度 I s 時, 光
脈沖的發展進入非線性階段。首先達到染料飽和強度的光脈沖漂白染料, 它的損耗比其他較
弱的尖峰小因而優先增長, 波群中光脈沖強度的對比度逐漸提高。染料的恢復時間足夠短, 強
脈沖過后染料迅速恢復到高損耗狀態。經過充分振蕩后, 腔內僅存一個峰值強度很高的單脈
沖, 相應地輸出時間間隔為 T 的脈沖序列。如果沒有經過足夠的往返次數, 腔內還未甄別出
一個最強脈沖, 或最強脈沖與弱脈沖的強度相差不大, 就會輸出帶有衛星脈沖的不完全鎖模序
列。
在腔內加入電光開關后的泵浦開始階段, 腔內處于低 Q 值狀態, 工作物質處于貯能狀態;
在某一時刻打開開關, 腔內很快恢復高 Q 值狀態, 建立高增益。在這種情況下, 不只是最強的
脈沖, 相對較弱的脈沖很快也可以漂白染料, 因此, 線性放大的過程很短。這一過程結束時, 還
存在許多個強度較大的起伏峰值, 到非線性放大階段, 強度相對較小的起伏峰值也足以使染料
飽和而輸出脈沖。因此, 最后輸出的不是單個脈沖序列。
標準具效應也會使鎖模波形變差, 產生衛星脈沖。文獻[ 4] 分析了產生這種效應的機制,
提出了減小這種效應的可行方法。本文討論的波形變差是在加電光開關前、后, 染料盒的形
狀、位置和擺放角度都沒有變化的情況下產生的, 所以可以確定標準具效應不是引起鎖模波形
變差的主要原因。
3實驗裝置及結果
實驗裝置如圖1所示,諧振腔的兩個端面分別為平面全反射鏡和曲率半徑為9m ,透過率
為50% 的凹面半反射鏡諧振腔光學腔長為 1.6 m,激光激活介質是 Nd: YAG 晶體,脈沖氙
燈作泵源被動鎖模可飽和吸收體是溶于1,2 二氯乙烷的五甲川溶液,染料盒玻璃厚4 mm ,
染料溶液層厚 0.8mm,2m m的小孔用來選橫模。腔內加入電光開關、KD* P 晶體、偏振器
以及高壓脈沖發生器。圖 2 為經過 200 倍衰減后測得的高壓脈沖波形。氙燈附近由光電二極
管接收的光信號( 如圖 3 所示),經過整流后觸發高壓脈沖發生器。圖3中的脈沖包絡是氙燈
的發光波形, 包絡上突起的小尖峰與氙燈開始泵浦時的時間間隔約為 140 s, 經過測量,與諧
振腔輸出激光時刻一致, 從而判斷這個小尖峰為光電二極管接收到的腔內激光信號。
圖1實驗裝置示意圖
圖2經過衰減后的高壓脈沖波形 圖3光電二極管接收的光信號
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