（光学工程专业论文）sesam被动锁模侧泵nd：yag激光器.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 被动锁模技术常用于实现具有超短脉宽、高重复频率和高峰值功率的超快激光器， 在光通信、非线性频率变换、o c t 、激光光谱学等领域有着重要的应用。1 9 9 2 年半导体 可饱和吸收镜( s e s a m ) 的问世，在被动锁模固体激光器领域掀起了一场革命。s e s a m 被动锁模固体激光器结构紧凑、价格低廉，能够有效的实现自启动和自锁模，得到连续 稳定的超短脉冲，受得了广泛关注。 本论文研究了s e s a m 被动锁模理论，采用大功率半导体二极管( l d ) 倾t j 面泵浦模块 成功研制了s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激光器，实现了均功率4 7 w 连续锁模的皮秒级 脉冲输出，这是目前国内同类激光器报道的最高功率。论文具体工作如下： l 、概述了国内外s e s a m 被动锁模固体激光器技术的发展，着重介绍了s e s a m 被 动锁模侧泵n d ：y a g 激光器的进展情况。 2 、阐述了s e s a m 被动锁模理论，对s e s a m 的锁模机理、宏观特性、结构进行了 描述，讨论了s e s a m 锁模固体激光器的影响因素、现象及原因。 3 、针对大功率侧泵模块的缺陷进行了理论和实验研究，精确测量了热透镜等效焦 距，提出了相应解决方案。 4 、根据稳定锁模的条件要求，研究了多种谐振腔，利用a b c d 矩阵理论设计出合 适的腔体结构并进行了实验研究。 5 、实现了s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激光器，测试了所研制激光器的性能，观察了 s e s a m 损伤现象，针对激光器存在的问题提出了改进方案。 关键词：固体激光器、被动锁模、s e s a m 、侧泵、n d ：y a g 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t p a s s i v e l ym o d e l o c k e dt e c h n o l o g y , u t i l i z e di ng e n e r a t i n gl a s e rp u l s e sw i t hu l t r a s h o r t d u r a t i o n ，h i g hr e p e t i t i o nr a t ea n dh i 曲p e a ki n t e n s i t y , h a sm o r ea p p l i c a t i o n si nh i g h - c a p a c i t y t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，n o n l i n e a rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，l a s e rs p e c t r o s c o p y , a n do p t i c a l c o h e r e n c et o m o g r a p h y ( o c t ) e t c b yt h ey e a ro f19 9 2 ，t h ei n v e n t i o no fs e m i c o n d u c t o r s a t u r a b l ea b s o r b e rm i r r o r ( s e s a m ) b r o u g h tar e v o l u t i o ni nt h ep a s s i v e l ym o d e - l o c k e ds o l i d s t a t el a s e r p a s s i v e l ym o d e - l o c k e dl a s e r 、砘t hs e s a mh a v ed e v e l o p e dr a p i d l yf o ri t s i n e x p e n s i v e ，c o m p a c t ，s e l fm o d e - l o c k i n g ，s e l fs t a r t i n g ，a n ds oo n b a s e do nt h et h e o r yo fs e s a m m o d e - l o c k i n g ap a s s i v e l ym o d e - l o c k e dn d ：y a gl a s e rw i t h s e s a mw a sc o n s t r u c t e d ，w h i c hr e a l i z e dc o n t i n u o u sm o d e l o c k i n go fm a x i m u ma v e r a g e p o w e ro f4 7 w i ti s t h eh i g h e s tr e c o r do ft h es a m ek i n dl a s e r si nc h i n a t h ep a p e ri s s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ep r o g r e s si sr e v i e w e do fm o d e l o c k e dl a s e rw i ms e s a m e s p e c i a l l yf o c u s e do n t h ed e v e l o p m e n to fp a s s i v e l ym o d e l o c k e dn d ：y a gl a s e r 2 w i t ht h eo p t i c a lc h a r a c t e r i z a t i o na n ds t r u c t u r eo fs e s a m ，t h es t a b i l i t yc r i t e r i o no f c o n t i n u o u sw a v em o d e l o c k i n gd e r i v e df r o mr a t ee q u a t i o n si sd i s c u s s e d t h ep r i n c i p l e a n dp h e n o m e n o no fp a s s i v e l ym o d e l o c k e dl a s e r 、析t l ls e s a mi sd e s c r i b e d 3 t h et h e o r ya n de x p e r i m e n to nt h et h e r m a le f f e c ti si n t r o d u c e d a f t e rm e a s u r i n gt h e t h e r m a lf o c a ll e n g t ho ft h el ds i d e p u m p e dn d ：y a gl a s e rm o d u l ea c c u r a t e l y ，t h e c o m p e n s a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e d 4 a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fc o n t i n u o u sm o d e - l o c k i n ga n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e n d ：y a gl a s e rm o d u l e ，s u i t a b l es e s a mh a sb e e nc h o s e n ，d i f f e r e n tk i n d so fl a s e r c a v i t i e sa r ed e s i g n e da n da n a l y z e dw i t ht h ea b c dm a t r i x 5 as e s a mc o n t i n u o u s p a s s i v e l y m o d e l o c k e dn d ：y a gl a s e ri sc o n s t r u c t e d s u c c e s s f u l l y t h ep o w e r , b e a mq u a l i t ya n do t h e rp e r f o r m a n c eo fl a s e ri sm e a s u r e d f i n a l l y , t h ed a m a g eo nt h es e s a ma n dt h ei m p r o v e m e n to ft h el a s e ra r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：s o l i dl a s e r , p a s s i v e l ym o d e l o c k e d ，s e s a m ，s i d e - p u m p e d ，n d ：y a g 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表3 1n d ：y a g 棒相关性能参数2 4 表3 2 热透镜等效焦距测量数据2 7 表4 1 不同放大率下实验现象4 9 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 10 7 w 功率n d ：y a g 锁模激光器2 图1 2 三棒串接n d ：y a g 锁模激光器2 图1 _ 3 三棒级联n d ：y a g 锁模激光器2 图1 4d c p 模块结构示意图3 图1 56 0 w y b ：y a g 薄盘飞秒激光器3 图1 , 5 三镜侧泵锁模激光器一4 图2 1 可饱和吸收体被动锁模激光器示意图7 图2 2a f p s a 实现的n d ：y l f 锁模激光器8 图2 ，3 半导体可饱和吸收体的时间特性9 图2 4s e s a m 反射率与入射脉冲通量间的关系9 图2 5s e s a m 的4 种结构1 1 图2 5 早期固体激光器中的锁模脉冲1 2 图2 7 连续锁模波形1 3 图2 8 调q 锁模波形1 3 圉2 ，9 传输函数测量示意图，1 8 图2 1 0 数值模拟的多脉冲调制结果1 9 图3 1 泵浦模块2 2 图3 ，2 泵浦强度分布图( i p i x e l s = 4 0 1 t m ) 2 2 图3 3 模块的特性曲线2 3 图3 4 波前曲率传感器法测量棒的热透镜效应示意图2 5 图3 5 波前益率传感器光路原理示意图2 6 图3 6 光束传播示意图2 6 图3 7 波前曲率传感器法测量棒的热透镜效应示意图2 7 图3 8 波前曲率传感器法实测热透镜焦距和理论计算对比图2 8 图3 9 稳定腔法测量实验2 8 图3 1 0 棒内光率体取向( 左图) 和起偏后输出光束花样( 右图) 3 0 图3 1 1 热退偏损耗测量光路示意图3 l 图4 1 所用s e s a m 参数及实物图3 3 图4 2 腔结构示意图3 4 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 3s f u r 腔光斑分布( 1 p i x e l s = 2 5 i ，t m ) 3 5 图4 4s e s a m ( 左) 增益介质( 右) 表面的光斑半径c o 。、( o l 与l 。和l 。问的关系3 6 图4 5 简单的z 型腔设计示意图。3 6 图4 6 被动锁模侧泵n d ：y a g 固体激光器示意图3 8 图4 7s e s a m ( 左) 增益介质( 右) 表面的光斑半径c o 。、c o l 与l 。和l 4 间的关系3 9 图4 8s e s a m ( 左) 增益介质( 右) 表面的光斑半径。、c o l 与l 。和l ：间的关系4 0 图4 1 0s e s a m ( 左) 增益介质( 右) 表面的光斑半径。、f o l 与l ，和l 。间的关系4 l 图4 1 l0 4 w 功率时的输出波形4 2 图4 1 2 不同功率下激光器输出4 3 图4 1 32 5 w 功率时的输出波形4 3 图4 1 4 不同功率下的调q 锁模波形4 4 图4 1 5 不同时间尺度下稳定锁模波形4 4 图4 1 64 1 5 w 锁模波形( 1 0 ；- t s d i v ) 4 5 图4 17 噪声抑制的反馈控制图1 4 6 图4 1 8 噪声抑制的反馈控制图2 4 7 图4 1 9 锁模前后激光器输出谱线4 7 图4 2 0 激光器输出谱线及傅立叶变换得到的脉冲4 8 图4 2 1 实验测得光斑( 左) 及二次曲线拟合图( 右) 4 8 图4 2 2 低功率时的输出波形4 9 图4 2 3s e s a m 表面的破坏( 标示处为锁模脉冲作用后的损伤痕迹) 5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特y j , j 力p 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：墨垦苎垒丛煎叠鱼搓型苤盟垒；! 丝邀盘墨 学位论文作者签名： 嚣 日期：2 。0 1 年1 1 月珥日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：粹 日期：2 0 p 1 年f f 月砑日 日期： 口。7 年，月二7 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 超快激光器指输出脉宽在皮秒、飞秒量级的激光器【l j 。由于同时具备短脉冲、高重频、 宽谱和高峰值功率等多种优势，超快激光器在光通信、精密加工、非线性频率变换、激光 光谱学、o c t ( o p t i cc o h e r e n c et o m o g r a p h y ) 等领域有着广泛的应用。超短脉冲常通过锁模 技术实现，早在首台激光器问世6 年，d em a r i a 等人就利用染料可饱和吸收体锁模n d ：g l a s s 固体激光器得到了皮秒量级的超短脉冲【2 1 。经过几十年的发展，锁模技术已经较为成熟， 主要有：主动锁模、可饱和吸收体锁模、同步泵浦锁模、克尔效应锁模和碰撞锁模等p j 。 早期利用染料作为可饱和吸收体实现的被动锁模固体激光器功率较低且不稳定，1 9 9 2 年，u k e l l e r 等人发明了半导体可饱和吸收镜( s e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l ea b s o r b e rm i r r o r ，简 称s e s a m ) 1 4 ，l d 连续泵浦的s e s a m 被动锁模固体激光器【5 l 兼具固体激光器的高增益和 锁模激光器的超短脉宽【6 】，结构简单紧凑，价格低廉，可以自启动、自锁模【7 j ，能够有效 地产生连续稳定的超短脉冲，容易实现极高的峰值功率 8 j 和脉冲重复频率，有重要的研究 意义，受到了广泛地关注。 1 2 国内外研究现状及发展 目前s e s a m 被动锁模技术在国外已较为成熟，国内则尚处于初步发展阶段，主要的研究 方向集中于采用不同的激光晶体【9 】f l o i t 1 、泵浦方式和腔体实现锁模1 3 1 f 1 4 1 。本文首先重点 介绍其中侧泵结构n d ：y a g 锁模激光器的报道。 1 2 1 国外高功率s e s a m 锁模激光器 国外报道的最高功率s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激光器是在1 9 9 9 年1 7 j ，gj s p i l h l e r 等人在图1 1 所示z 型折叠腔结构下，采用d c p 模块侧面泵浦n d ：y a g 棒，在最大抽运 功率4 1 7 w 时，用7 的输出镜耦合，获得了l o 7 w 的高功率输出，光光转换效率超过 2 5 ，锁模脉冲宽度为1 6 p s ，重复频率8 8 m h z ，脉冲能量1 2 0 n j ，峰值功率7 8 k w 。其 m 2 因子小于1 0 5 0 ，具有极好的光束质量。腔内插有布儒斯特片产生线偏光，退偏损耗 约0 3 。所使用的s e s a m 工作于2 7 倍饱和，响应时间为2 6 p s ，调制深度o 5 ，非饱 第l 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 和损耗0 4 ，饱和通量2 0 0m m 2 。 图1 1 l0 7 w 功率n d ：y a g 锁模激光器 2 0 0 0 年，该工作组又用图1 2 的三棒串接结构和图1 3 的三棒级联结构实现了更高功率的 锁模激光器【熨。 8 o e 图1 2 三棒串接n d ：y a g 锁模激光器 三棒串接结构的n d ：y a g 锁模激光器腔体如图1 2 所示，三个激光头串接，在总抽运功 率1 3 9 w 时，获得了输出均功率为2 7 w ，脉冲重复频率5 5 m h z ，脉宽1 9 p s ，峰值功率2 3 k w 的锁模脉冲。s e s a m 工作于2 3 倍饱和通量，其调制深度1 7 ，非饱和损耗1 4 ，饱和通 量6 01 t j l c m 2 ，恢复时间2 6 p s 。 图1 3 所示为n d ：y a g 锁模激光器的级联结构，在三模块总泵浦功率1 3 6 w 时，实现了 2 4 2 w 的高功率锁模脉冲输出，重复频率5 0 m h z ，锁模脉宽2 5 p s ，峰值功率1 7 k w ，具有极 好的光束质量，m 2 因子优于1 0 5 。 o c2 6 5 b 豫w 冀l 料 2 0 w d i t , d 2 魄鹣 图1 3 三棒级联n d ：y a g 锁模激光器 上述研究取得成功的一个重要原因是采用了独特的d c p ( d i r e c tc o u p l e dp u m p ) 模块作 为泵浦源，其结构【1 5 】如图1 4 所示。该模块主体为一个l c m x l c m 1 4 c m 导热性良好的铜块结 构，便于散热。n d ：y a g 激光棒置于铜块内距边缘约3 0 0 岬处一直径为1 2 m m 的d q l i 内，棒 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 直径l m m ，长度约1 5 c m ，孔内壁镀有用于反射的金膜使泵浦更充分。铜块的左侧和顶部 开有狭缝，分别用两根2 0 w 的l d 板条直接耦合泵浦，图1 4 中只显示了一根【7 1 。该模块的优 点在于棒直径正好满足基模运转需求，不但体积小巧、结构紧凑，而且有效抑制了高阶横 模产生，具有良好的散热性、均匀性和极高的光束质量及泵浦效率。 m e r e ! h t 丑t $ i r l l l c 图1 4d c p 模块结构示意图 国外报道的最高功率s e s a m 被动锁模固体激光器是u k e l l e r 研究小组的y b ：y a g 薄盘激光器，谐振腔结构如图1 5 所示： 图1 56 0 w y b ：y a g 薄盘飞秒激光器 图1 5 中d m ( d i s p e r s i v em i r r o r ) 镜用于色散补偿，2 0 0 3 年3 月在3 1 0 w 的泵浦功率下， 该激光器获得了平均功率达6 0 w 、脉宽8l0 幺的锁模脉冲，脉冲重复频率3 4 3m h z ，脉 冲能量1 7 5 时，峰值功率达1 9 m w 。近衍射极限输出，m 2 因子优于1 1 。2 0 0 4 年8 月，研究小组对激光器进行了改进，获得了平均功率8 0 w ，脉宽7 0 5 f s ，重复频率5 7 m h z 锁模脉冲。并利用该激光器作为泵浦源，采用倍频( s h g ) 、光参量产生p g ) 、光参量放 大( o p a ) 、和频( s f m ) 等技术，获得8 w 红光，2 3 w 绿光，1 0 1 w 蓝光输出。经过白平衡 配比，得到2 4 9 w 的白光( 8 w 红光，6 4 w 蓝光，1 0 5 w 绿光) ，为目前所达到的最高水 亚fj j 【3 i o 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 11 2 2 国内s e s a m 被动锁模固体激光器 国内从事s e s a m 被动锁模固体激光器研究主要是从2 0 0 3 年开始的，大多采用端泵 结构，其中功率较高的报道均采用n d ：y v 0 4 、n d ：g d v 0 4 、y b ：y a g 等受激截面较大的 晶体材料【i o j 【1 1 1 。2 0 0 4 年，天津大学的蔡志强用s e s a m 被动锁模端泵n d ：y v 0 4 得到5 3 w 平均功率的锁模脉冲，是目前国内报道的s e s a m 被动锁模固体激光器的最高功率1 1 6 1 1 3 】。 与n d ：w 0 4 、n d ：g d v 0 4 、y b ：y a g 等材料相比，n d ：y a g 晶体的受激截面太小，光 光效率较低，但n d ：y a g 介质具有良好的热特性、机械特性和低廉的价格，能够制成大 功率l d 连续侧泵模块，弥补效率的不足。目前国内较高功率被动锁模n d ：y a g 激光器 的报道均采用l d 连续侧泵结构：2 0 0 5 年报道了北京工业大学的张丙元用图1 6 ( a ) 所示 单透镜直腔和侧泵光功率9 0 w 的模块，得到连续稳定的锁模现象，脉冲宽度10 p s ，重 频1 0 0 m h z ，功率为2 w 【l 。7 1 ，同年，天津大学于意仲副教授报道了用图1 6 ( b ) 所示腔体进 行被动锁模侧泵n d ：y a g 激光器的实验，同样得到了2 w 的输出功率【l 引。采用端泵结构 和其他泵浦方式实现的s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激光器功率均低于2 w 1 8 1 1 2 0 】【2 i 】。 m 1 2 ) ，6 脚 k 亭廿 彰 。翻乎l 簦 ( a )( b ) 图1 6 三镜侧泵锁模激光器 国内s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激光器功率较低的一个重要原因是采用了国产 s e s a m 进行实验，许多重要的参量未知，难以实现激光器的优化设计。 1 3 论文主要工作 大功率l d 侧泵结构的s e s a m 被动锁模固体激光器兼有超短脉冲的高峰值功率、固体激 光器的高增益和侧泵模块的紧凑结构等优势，具备成为高功率皮秒脉冲激光器的潜力。本 论文研究了锁模理论，设计并实现了采用大功率l d 俱i 泵模块的s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激 光器。论文的结构和内容如下： 第一章概述s e s a m 被动锁模固体激光器在国内外的发展，主要介绍采用侧泵结构 n d ：y a g 模块的实验报道。 第二章阐述s e s a m 被动锁模理论，对锁模的基本原理、s e s a m 的结构特征和s e s a m 被动锁模实验中可能出现的现象及其产生机理进行了研究。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章分析实验所采用大功率l d 侧泵n d ：y a g 模块的结构和特点，针对其缺陷提出处 理办法和改进方案。 第四章基于s e s a m 被动锁模理论和a b c d 矩阵原理，结合侧泵n d ：y a g 模块的特点，设 计并实现了s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激光器，汇报了激光器性能。研究了激光器的稳定性 和s e s a m 的损伤情况。 第五章总结全文工作，进一步探讨高功率s e s a m 被动锁模n d ：y a g 激光器的实现方案。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章s e s a m 被动锁模固体激光器理论分析 激光器的输出取决于工作时腔内的增益和损耗情况，通常用品质因数q 来表征，其 定义为谐振腔内所存储的能量与谐振腔以角频率c o o 消耗的能量之比。由于模式竞争、谐 振腔的机械不稳定和泵浦不均匀等原因导致腔体q 值变化，绝大多数激光器均存在弛豫 振荡现象，输出为无规则的尖峰和阻尼尖峰序列。调节腔体q 值，可以使激光增益累积， 在特定时刻出现高增益，形成巨脉冲。若q 值改变时间比腔内脉冲往返时间长，则得到 的是包络随q 值起伏的脉冲序列；若调q 时间比脉冲在腔内往返时间短，使腔内各脉冲 所受增益或损耗不同，就可以对腔内脉冲序列进行选择放大，这是锁模的基本原理，下 面对该理论进行具体的介绍。 2 1 锁模基本原理 自由运转的激光器中，纵模和横模同时振荡，模式之间无固定的相位关系，输出功 率为各模式的功率之和。若将激光振荡限制在t e m 0 0 模，则一般的激光器腔内只存在大 量相位随机独立的纵模振荡，相邻纵模频率间隔为： a v = v q + 1 - - v q2 羞( 1 - 1 ) 式中g 为模序数，c 为光速，三为谐振腔长度。各纵模的频率间隔恒定，又同时在腔轴线 形成驻波，当各纵模间相位差恒定且偏振方向相同时就会产生拍频得到超短脉冲序列。 例如【6 】假设有2 + 1 个振幅均为e 。的纵模超过阈值，中心纵模频率为( 0 0 ，初相位 为0 ，模序数为0 ，相邻纵模间相位差口，模频率间隔a r o = 2 z a v ，则第g 个振荡模为： e q o ) = e oc o s ( 国g f + ) = e o 【( 缈o + q a c o ) t + g 口】 ( 1 - 2 ) 2 n + 1 个纵模相干的结果是： e ( f ) = e oc o s ( r o 。+ q a a o t + q c t s i n 1 ( 2 n + 1 ) ( 2 z a v f + 口) 】 咆再百义d o 。3 式( 1 3 ) 表明激光器的输出是重复频率为v 的光脉冲序列。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 因此，锁模过程即各纵模间相位差锁定的过程，可以从时域和频域两方面解释。 黼r 离。蒜黼嬲 | 二= 二! 二二二3 卜h _ 一t | i 一 图2 1 可饱和吸收体被动锁模激光器示意图 图2 1 所示为一被动锁模激光器示意图【2 2 1 ，所用锁模器件为可饱和吸收体，其工作 特性是对强光透射率较强，弱光透射率较弱。激光器开始工作后，腔内产生无序的尖峰 脉冲序列，在腔内来回振荡，由于不同脉冲强度不同，脉冲经过可饱和吸收体时的损耗 也不同，强脉冲损耗小，弱脉冲损耗大，相当于对腔内脉冲进行选择放大使强脉冲相对 弱脉冲变得更强。同时，单个脉冲的尖峰功率相对侧边较强，因此尖峰部分损耗小，侧 边损耗大，脉冲在腔内往返过程中变的更加尖锐。多次往返后，强脉冲相对弱脉冲放大 到一定程度，消耗掉腔内绝大多数反转粒子，弱脉冲在往返过程中因损耗无法起振或在 增益竞争中处于劣势逐渐消失，腔内就仅有一个超短脉冲来回往复，激光输出为稳定的 脉冲序列，脉冲周期等于光在腔内往返的时间2 l c ，l 为腔内光程，c 为光速。因此锁 模器件在时域的作用可视作一个周期调制的q 开关，对腔内最强的脉冲进行选择放大。 由于脉冲是各纵模相干形成的，选中一个脉冲即选中一组纵模相位关系，从而使各纵模 间“锁定”。 从频域上看【6 】，锁模器件的调制作用为振幅调制，周期恰等于光在腔内往返的时间， 即调制频率等于纵模间隔1 ，。频域作用结果是在每个振荡的轴向模上产生边频带，而边 频带又与相邻的轴向模交叠。假设激光增益曲线内的模( 频率为v ) 首先振荡。在调制频率 为1 ，的锁模器件作用下，载波频率v 就会形成v a v 的边频带，上下边频带与相邻的轴 向模重合，使v 和v a v 的模以完全确定的相位进行耦合，最终形成锁模脉冲序列输出。 2 2s e s a m 介绍 传统的被动锁模器件是采用染料盒作为插入式的可饱和吸收体，染料本身有毒、不 稳定、难以调配，且染料作为可饱和吸收体无法实现连续锁模的固体激光器【1 1 。9 0 年代 初，克尔透镜锁模作为一种产生超短脉冲的简单方法逐渐发展起来，其最大问题是能够 自锁模，但在一般条件下不能自启动，需外加启动机制，如敲击腔镜或插入半导体可饱 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 和吸收体等，增加了激光器的不稳定性【2 3 】。1 9 9 2 年，在贝尔实验室工作的u k e l l e r 等 人利用分子束外延( m b e ) 方法将半导体可饱和吸收体和腔镜结合在一起，制成反谐振法 布里- 泊罗型可饱和吸收镜( a f p s a ) ，利用该锁模器件成功地展示了一台n d ：y l f 皮秒连 续被动锁模激光器【4 】。 嘲： 逐的，父 一 p ： 乙 图2 2a f p s a 实现的n d ：y l f 锁模激光器 激光器结构示意图如图2 2 所示。采用钛宝石激光器做泵浦源，在泵浦功率为2 w 的 时候，获得了平均功率7 0 0m w 的连续锁模脉冲输出，脉宽3 - 3p s ，重复频率2 2 0m h z 。 a f p s a 是s e s a m 的原型，它作为反射型锁模器件，可以直接代替腔镜使用，简化 了超快脉冲激光器的结构，克服了染料有毒、不稳定的缺点，与克尔透镜锁模相比， s e s a m 具有能够自启动的优势，极大地推动了锁模激光器的发展。目前，s e s a m 在各 种介质的激光器中得到广泛应用，常用于克尔透镜锁模的自启动，窄带宽增益介质的皮 秒、飞秒锁模，类孤子锁模等。 2 - 2 1s e s a m 的宏观特性 s e s a m 的优势源自于其特殊的宏观特性和结构，其锁模机理是利用了量子阱结构的 半导体可饱和吸收体层的吸收特性和时间响应，s e s a m 的宏观参量主要有：脉冲响应 时间乃，调制深度欲，非饱和损耗欲。，饱和通量巳彳，饱和光强，删，一等【2 4 1 。 脉冲响应时间f 。即饱和恢复时间，指可饱和吸收体从达到吸收饱和，形成漂白状态 到重新恢复可饱和吸收的持续时间。半导体可饱和吸收体具有两个特征驰豫时间，如图 2 3 所示，一是带内子带之间的热化时间( i n t r a b a n dt h e r m a l i z a t i o n ，约1 0 1 0 0 f s ；另一个时 间是载流子带间跃迁和复合时问，随不同的生长条件而变化，一般在p s 到u s 量级。前 者主要作用是启动锁模，常用于克尔透镜锁模激光器的启动，后者主要作用是用于产生 皮秒量级甚至更长脉宽的脉冲。热化过程的时间无法控制，而在不同的温度下生长半导 体可饱和吸收体，可以控制带间跃迁时间，以满足不同锁模激光器对带间慢响应时间的 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 要求【2 5 1 1 2 6 1 。 1 、 1 t l 啊懈 芒。 毫 厂i 。f 惜 墨 l 认 姣尹洲燃 - p m 矽 0 静f 疆曙 撕r 删i 剁妇 瓣 * 1 泌魄 翁氛 强洲 鞘时m ，缯嘎葶i 聃护 图2 3 半导体可饱和吸收体的时间特性 调制深度常用a r 表示，是指脉冲注入可饱和吸收体时反射率的最大变化量， 或吸 收体可饱和吸收所损耗的光的总量，即可被强脉冲能量漂白的能力。且有 a r 1 一e q o ，q o 1 ，g o 为腔内功率为0 时的s e s a m 饱和吸收系数。与其他参数 关系如图2 3 所示【2 5 1 。 非饱和损耗监。，是指当脉冲通量远大于饱和脉冲通量时仍然存在的损耗，其中包括 底部反射镜的吸收损耗所引起的反射率限制，样品表面粗糙，不纯所造成的散射损耗、 自由载流子的非线性吸收，复合以及来自于缺陷和杂质的其他吸收损耗。非饱和损耗会 降低激光器的效率，同时易造成s e s a m 的温度升高和破坏。 图2 4s e s a m 反射率与入射脉冲通量间的关系 第9 页 营薯是2警协协每muf|sz 国防科学技术大学研究生院学位论文 饱和通量l 爿指脉冲漂白可饱和吸收体的反射率改变量达到z x r e 时，吸收截面单 位面积内的光子能量。通常定义为：巳爿= h v n o 一，办，为光子能量，为吸收截面， 为脉冲在腔内往返一次经过吸收体的次数，对一般的驻波腔有= 2 。半导体吸收系 数口= 吼n 。，其中d 是吸收体原子密度。厶4 大小一般在1 0 0 c m 2 ，在设计半导体 可饱和吸收镜时可以调节其大小。 饱和光强，删，爿，可以表示为j 删，一= h v 2 0 * 4 f 一= 巳，一乃，即恢复时间内单位时间里 的饱和通量，其中f a 为可饱和吸收体的恢复时间。吃爿和l 可以用标准的泵浦一探针法 实验测定。 饱和深度s = e ，一，表征s e s a m 的饱和程度，b 是s e s a m 表面脉冲能量。 研究表明最佳饱和深度应控制于3 5 ，饱和深度过高时容易导致多脉冲现象，其产生机 理在第2 3 节进行讨论。在强饱和条件下，脉冲峰值功率接近s e s a m 的破坏阈值，容 易造成破坏。 2 2 2s e s a m 的结构 s e s a m 的全称是半导体可饱和吸收反射镜，其结构正是可饱和吸收体与腔镜的结 合。s e s a m 底部一般是半导体反射层，反射层之上是i n g a a s g a a s 量子阱结构的可饱 和吸收体薄层。吸收体层上有时继续镀高反膜和氧化物保护膜，半导体可饱和吸收体用 于对脉冲进行非线性吸收，而表层反射膜则可以控制进入半导体层的脉冲能量。有时并 不在可饱和吸收体层表面镀膜，由于半导体与空气界面本身也有一定的反射率，因此可 饱和吸收体底部高反层和顶部反射层总会形成一个法布里珀罗腔，也称标准具。谐振腔 内出现标准具会限制纵模的起振，进而影响锁模效果。目前已出现的s e s a m 大致有如 图2 5 所示的4 种结构，适用于不同条件，但其设计上都注重防止标准具效应的产生。 s e s a m 的反射率由反射镜和中间夹的可饱和吸收体层决定，遵从含吸收的法布里 珀罗标准具的计算公式口5 1 1 2 6 】： d( + e x p ( 一2 c d ) ) 2 4 e x p ( - 2 a ) c o s 2 ( 妒，2 ) ( 1 + e x p ( 一2 耐) ) 2 4 r o r ，e x p ( 一2 a 1 ) c o s2 ( 伊，2 ) 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 和分别是底面和顶面的反射系数的模，e x p ( 一2 纠) 是吸收因子。若要得到宽带高 反射率的法布里珀罗腔，须满足如下条件： 缈，= 仍+ 仍+ 2 k n d = ( 2 m 一1 ) x ，m = 1 , 2 ，3 仍是总的位相，仇和仍分别是底面和顶面的反射系数的位相部分，s e s a m 一般用 于0 度反射，编和仍的值往往根据是否发生半波损失取y 或0 ，k 是波数，力是中间夹 层的折射率，d 是夹层厚度即两镜间隔。为得到最大反射带宽，应选择最小的d 。 h i g h - f i n e s s e a - f p s a n i na b s o r b e r a r c o a t e d l o w f i n e s s e a f p s a s b r ； r 等3 0 d - s a m s a t 。a b s ，a n d n e g a t i v ed i s p a p r i l9 2 f e b 9 6 * j u n e j u l y9 5 a p r i l9 6 a嘞( c ) 图2 5s e s a m 的4 种结构 图2 5 所示为目前常见4 种类型s e s a m 的结构，图中( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 分别是：高精细度 型、无谐振型、低精细度型和宽带型。 精细度是衡量法白里珀罗光谱仪分辨率的量。两镜面的反射率越高，精细度就越高， 反射的带宽也越宽越平坦。高精细度反谐振法珀型半导体可饱和吸收镜( h i g h f i n e s s e a f p s a ) 结构如图2 5 ( a ) 所示，是将量子阱可饱和吸收体置于两具有高反射率的布拉格 反射镜之间形成的反射镜。它是最早发明的内腔可饱和吸收镜，在1 9 9 2 年就成功用于 n d ：y l f , n d ：y a g 的连续锁模，之后在n d ：l s b ，y b ：y a g , n d ：y v 0 4 等固体激光介质激光 器中也获得了稳定的皮秒锁模脉冲，还用于飞秒激光器的自启动和孤子锁模1 3 】。 低精细度反谐振法珀型可饱和吸收镜结构如图2 5 ( b ) ，与高精细度反谐振法珀型可 饱和吸收镜对应，在半导体可饱和吸收体之上不做任何处理，用可饱和吸收体和空气界 面之间的反射构成腔体，顶端反射率约为3 0 。顶镜反射率减小的同时，应增大底镜的 反射率并减小可饱和吸收体的厚度，以减小s e s a m 引起的非饱和插入损耗。 无谐振型s e s a m 是在吸收体上端面镀增透膜，从根本上消除了标准具效应，但脉 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 冲直接作用于可饱和吸收体，导致腔体的损耗增加，此类s e s a m 的破坏阈值也偏低。 在飞秒激光器中常常需要色散补偿，传统的做法是插入棱镜，宽带型s e s a m 也称 色散补偿型s e s a m ( d s a m ) ，将g t ( g i r e s - t o u m o i sm i r r o r ) 镜结构与s e s a m 结合，同时 具备色散补偿特性和可饱和吸收特性，可以减少飞秒脉冲激光器中插入的色散补偿元件， 使结构更紧凑简单【9 】。 此外，u k e l l e r 等人还开发出具备主动调制能力的多量子阱结构s e s a m ，采用该结 构s e s a m 锁模的激光器兼有主动锁模的可控性和被动锁模简单、紧凑的结构i l j 。不同 类型的s e s a m 有着不同的宏观参量和用途，但其用于锁模的原理和现象基本一致。 2 - 2 3s e s a m 锁模现象 早在1 9 6 6 年，d em a f i a 等人就在被动锁模n d ：g l a s s 激光器输出中发现了图2 6 所示 皮秒量级的超短脉冲。之后的二十多年里，人们一直没有实现稳定连续的被动锁模固体 激光器【，上世纪七十年代，h a h a u s 对可饱和吸收体锁模理论进行了细致的研究 【2 7 1 【2 8 】 2 9 1 ，得出的结论是由于固体激光器上能级寿命较长，用染料作为可饱和吸收体其参 量不适于稳定的被动锁模，同时还分析了要实现稳定、连续锁模的锁模脉冲时激光器参 量的阈值要求，以及稳定锁模的脉冲形态。 囊 z 图2 6 早期固体激光器中的锁模脉冲 随着半导体技术的发展，高效的l d 泵浦模块、快速响应的半导体可饱和吸收体以 及s e s a m 独特的结构，使高功率的连续稳定被动锁模固体激光器成为现实。s e s a m 的 宏观参量不局限于吸收体材料本身的性能，利用不同的设计结构可以实现一定范围的参 量改变，满足不同增益介质固体激光器的连续锁模需求。在实验中s e s a m 本身不能调 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 节，一般是通过设计合适的腔结构再对激光器的泵浦功率、腔体等进行微调。当激光器 增益与s e s a m 参量匹配时，就能够获得锁模现象。图2 7 是s e s a m 被动锁模n d ：y v 0 4 固体激光器所得的连续锁模波形【3 0 1 。 t i m e 筇s 翻知彳；瑚e ! 铮n t , ；t h v l