（光学工程专业论文）ld泵浦sesam锁模腔倒空激光器的研究.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 摘要 半导体泵浦全固化锁模激光器有着较高的科学价值和广阔的应用领域。国外 对这方面的研究已日趋成熟，国内对此研究较少。而对于l d 泵浦腔倒空s e s a m 锁模激光器国内外尚未见报道。在这样的背景下，本文对l d 泵浦全固化腔倒空 s e s a m 锁模激光器进行了理论和实验上的深入研究。 从锁模的基本原理出发，首先介绍了s e s a m 的时间特性、宏观参数、结 构类型及它们对锁模的影响。在此基础上，指出了s e s a m 锁模与染料可饱和 吸收体锁模的不同之处，并结合s e s a m 的特性、被动锁模的原理以及实验现 象，讨论了s e s a m 锁模脉冲的演变过程。 从调q 激光器的一般原理出发，分别讨论了工作物质贮能调q 和谐振腔贮 能调q 两种情况，根据本论文的需要重点讨论了谐振腔贮能调q ，即腔倒空技 术。对电光调制技术以及高压脉冲的产生进行了介绍。 对s e s a m 锁模进行了分析设计和实验研究。大致包括以下几种情况：连 续端面泵浦s e s a m 锁模，脉冲端面泵浦s e s a m 锁模，高功率侧面泵浦s e s a m 锁模，实验中采用不同的s e s a m 和不同的晶体。具体分析了每种情况的腔参 数( 包括腔长，凹面镜曲率半径，透镜焦距，折叠角等) 对稳区、光斑大小和 s e s a m 锁模的影响，据此选择合适的腔参数、晶体和s e s a m 进行实验，采用 简单的直腔，实现了l d 端面泵浦n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 激光器的s e s a m 锁模 运转，并首次实现l d 端面泵浦n d ：g d v 0 4 激光器的s e s a m 锁模运转。 使用锁模和q 开关或腔倒空技术，能够显著地增大锁模激光器的脉冲能量。 根据s e s a m 锁模的实验分析，采用连续端面泵浦s e s a m 锁模，将腔倒空技 术与s e s a m 锁模激光器结合，对此进行了一系列的研究，成功获得了能量高、 脉宽窄的单脉冲输出。 关键词全固化；半导体泵浦；被动锁模；s e s a m ；腔倒空 第1 页 北京工业大学工学硕士学位论文 i a b s t r a c t t h el d p u m p e dm o d e l o c k e da l l - s o l i d s t a t el a s e rw i t hs e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l e a b s o r b e r m i r r o r s ( s e s a m s ) h a sg r e a t s c i e n t i f i cv a l u ea n di s m o t i v a t i n gm a n y r e s e a r c he f f o r t sw o r l d w i d e i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，m a n yr e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d eo n i t ，b u tt h e r ea r ef e wr e s e a r c ha b o u ti ti no u rc o u n t r y t oo u rk n o w l e d g et h e r ei sn o r e p o r to nt h ec a v i t yd u m p i n gc o m b i n a t i o nw i t hm o d e l o c k i n gs e s a m s i nt h i sp a p e r , w ed os o m et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls t u d y o n d i o d e p u m p e dp a s s i v e l y m o d e l o c k e da n dc a v i t yd u m p i n gl a s e r sb ys e s a m w ei n t r o d u c e dt h em o d e l o c k i n gt h e o r ya n da n a l y z e dt h em e c h a n i s mo fm o d e l o c k i n gw i t hs e s a m s w eg a v et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fs e s a ms u c ha sr e c o v e r t i m e ，s t r u c t u r e ，t y p ea n dm a d e a c o m p a r e t os e s a ma n dd y e w ep r e s e n tt h ei n i t i a l m o d e lo ft h em e c h a n i s mo f p a s s i v e l ym o d e l o c k i n gb yas e s a ma n dd i s c u s s e dt h e e v o l u t i o no f t h eu l t r af a s tp u l s e w ed e s i g n e da n de x p e r i m e n t e dw i t hs o m ec a v i t i e so fs e s a m m o d e - l o c k i n g ， i n c l u d i n gc wl d e n d p u m p e ds e s a mm o d e l o c k i n gc a v i t y , p u l s e dl d e n d p u m p e d s e s a m m o d e l o c k i n gc a v i t y , h i g hp o w e rd i o d e s i d e p u m p e ds e s a mm o d e l o c k i n g c a v i t y i nt h ee x p e r i m e n tw ee m p l o y e dd i f f e r e n ts e s a m sa n dl a s e rc r y s t a l s ，a n d d i s c u s s e dt h ee f f e c t so fw h i c ht ot h em o d e l o c k i n g w ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f c a v i t yp a r a m e t e r so ns t a b l ea r e aa n db e a ms p o ts i z e ，w h i c hi n c l u d el e n g t ho fc a v i t y , r a d i u s o f - c u r v a t u r eo fm i r r o r ，f o c a ll e n g t ho fl e n s ，f o l d e da n g l ee t c o nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，w e s e l e c t e dt h em o s to p t i m u mc a v i t y p a r a m e t e r s a n dm a d e f u r t h e rs t u d yt h r o u g he x p e r i m e n t st of i n do u tt h el a w sa n dg i v ee x p l a n a t i o n st ot h e p h e n o m e n a f o rt h ef i r s t t i m ew eo p e r a t e dt h e m o d e l o c k i n go fn d ：g d v 0 4w i t h s e s a m s t h ec o m b i n a t i o no ft h ee - s w i t c h i n go rc a v i t yd u m p i n gw i t hm o d el o c k i n gc a n i n c r e a s et h ee n e r g yo f t h e s i n g l ep u l s e w es t u d i e dt h ec a v i t yd u m p i n g o f m o d el o c k e d l a s e rw i t hs e s a m s f o rt h ef i r s tt i m ew es u c c e s s f u l l yc o m b i n e dt h ee l e c t r o o p t i c a l l y c a v i t y - d u m p i n gw i t hm o d e l o c k i n gw i t hs 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 s ，a n d o b t a i n e das i n g l ep u l s ew i t hh i g he n e r g y , s h o r tp u l s ew i d t h k e yw o r d s ：a l l s o l i d s t a t e ；d i o d ep u m p ；m o d el o c k i n g ；s e s a m ；c a v i t yd u m p i n g 第1 i 页 北京工业人学硕十学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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了谢意。 躲舷函2 魄出 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：劫导师签名：越日期：巡 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 自1 9 6 0 年梅曼( t h e o d o r eh m a i m a n ) 研制成功第一台红宝石激光器以来， 激光技术的各个领域都得到了飞速发展，其中一个重要领域就是超短脉冲技术。 随着超短脉冲技术的发展，人们能够比较容易地获得脉宽窄、峰值功率高、波 长可调的超短光脉冲( 脉宽量级为l o 。2 1 0 4 5 秒) ，大大促进了它在许多领域 的广泛应用。超短脉冲由于其脉宽窄的特点，用于激光测距、雷达等领域可以 得到非常精确的测量结果；作为一种揭示微观世界超快现象的重要手段，它广 泛应用于生物学、化学、激光光谱学等学科的研究中，例如，光合作用机制的 研究、蛋白质分子中快速弛豫过程、视觉过程的机理探索、d n a 中能量转移的 研究、化学反应过程和产物的控制、时间分辨光谱技术等；作为一种能量载体， 它在加工与军事领域已获得广泛应用，如激光核聚变、超精细加工、致盲武器 等；作为一种信息载体，它在光信息领域中的光电取样技术、高速光纤通信技 术、光全息存储技术等方面起着非常关键的作用。总之，它对于研究超高速现 象及探索微观世界的规律性具有极大的意义【l 。6 】。超快激光技术的发展不但为现 代科学技术的发展提供了有效的测量和研究的段，而且还带动了许多相关学科 的发展和进步，导致了多个交叉边缘学科的产生，使得人类探索和研究未知世 界的进程在不断地加快。 要获得超短脉冲；一般通过锁模技术来实现。锁模技术的发展主要经历了 主动锁模、被动锁模、主被动锁模、碰撞锁模、克尔透镜锁模( k l m ) 等阶段。 目前人们研究的焦点主要集中在克尔透镜锁模和s e s a m 锁模技术上。 克尔透镜锁模具有锁模脉宽窄、结构简单等优点，因此9 0 年代克尔透镜锁 模一出现，就引起了许多科研工作者的兴趣。最初的研究热点是荧光线宽非常 宽的掺钛蓝宝石激光器，但是掺钛蓝宝石激光器需要氩离子激光器或y a g 倍频 激光器作为泵浦源，体积大，成本高，而且稳定性较差。于是人们开始研究用 体积小，寿命长，稳定性高的半导体激光器作为泵浦源，泵浦y a g 、c r ：l i s a f 、 y l f 等晶体，通过克尔透镜锁模来获得超短光脉冲。但是克尔透镜锁模存在一 些局限，例如：一般情况下不能自启动、对谐振腔的准直要求较苛刻、要求腔 1 北京工业大学硕士学位论文 内功率密度足够高、过度的自调制引起锁模的不稳定等。 随着从可见光到红外波段不同带隙半导体材料的研制成功以及对光学非线 性特性的精密控制的发展，半导体材料作为可饱和吸收体在固体激光器中的应用 变得广泛起来。半导体材料突出的光学非线性特性使它具有独特的双时间响应常 数。在半导体材料的能带结构中，能带内的热驰豫过程很快，可以达到1 0 0 f s 左 右的量级，称之为快时间响应常数；而能带之间的载流子复合过程则相对较慢， 响应时i n 在皮秒量级，称之为慢时间响应常数。半导体材料的吸收带可以在很 宽的范围内进行调节，使得半导体可饱和吸收镜( s e s a m ) 成为非常有潜力的 被动锁模器件。利用s e s a m 进行被动锁模，具有能自启动、稳定性好等优点， 因此成为科研人员的研究重点。当然，s e s a m 也存在一些缺点，如锁模脉宽 较宽( 一般为p s 量级) 等，但s e s a m 锁模技术不失为一种简单而有效的获得 超短脉冲的手段。 通常情况下连续锁模激光振荡器直接输出的锁模脉冲重复频率较高，单一 锁模脉冲的能量较小，峰值功率低，在实际应用中受到限制。要获得高能量、 低重复频率的锁模脉冲，需要对锁模脉冲进行再生放大，再生放大这项技术已 经很成熟，然而由于再生放大系统体积庞大、结构复杂、造价高等缺点，使得 它的应用受到定限制。因此人们开始研究一种结构简单、体积小、造价低的 系统，在这种系统里只有一个半导体激光器泵浦谐振腔，然而锁模脉冲的产生、 放大以及倒出这三个过程都能实现。将腔倒空技术与s e s a m 锁模激光器结合 起来，能获得窄得的脉宽、低的重复频率、又可以提高单脉冲的能量，还有利 于激光器的金固化，小型化。 本课题基于国家科技部基金资助项目“人卫测距d p s s l 锁模激光器”， 目的是研制出实用性较强的半导体泵浦的全固化超短脉冲激光器，用于人造卫 星测距。目前，人卫测距所用激光器采用灯泵增益介质，并通过主被动锁模获 得超短脉冲。这种激光器存在种种缺点：首先，灯泵效率低，寿命短，需要专 门的水冷装置，因而体积大，而用半导体作为泵浦源可以克服以上缺点；我们 知道，脉宽越窄所测距离越精确，利用s e s a m 锁模比用主被动锁模获得的脉 宽窄，能得到1 0 p s 甚至更窄的脉宽，因而前者优于后者；用于主动锁模的声光 器件的频率随温度改变而发生变化，故必须经常调节其频率，使之与腔长相匹 - 2 第1 苹绪论 配，调节麻烦；用于被动锁模的可饱和吸收染料，由于自身的劣化，需要频繁 更换，无形中使激光器运行价格提高，而且给使用带来不便；单脉冲的选取采 用再生放大，结构复杂，体积庞大，调节起来比较麻烦，而利用腔倒空技术可 以克服这些缺点。鉴于人卫测距现用激光器的以上缺点，我们对全固化s e s a m 锁模腔倒空激光器进行了研究，为最终研制出性能优良的符合高精度卫星测距 要求的l d 泵浦的全固化腔倒空超短脉冲激光器打下了基础。 1 2 半导体泵浦腔倒空锁模激光器的发展及研究现状 1 2 1 半导体泵浦s e s a m 锁模激光器 国际上：对s e s a m 被动锁模激光器的研究开始于9 0 年代初。 1 9 9 2 年，u k e l l e r 7 】等在腔内引入a f p s a ，实现了n d ：y l f 自启动的被动 锁模，脉宽3 3 p s ，但泵浦源为钛宝石激光器。这是a f p s a 或s e s a m 首次应 用于固体激光器锁模，也是首次利用s e s a m 实现固体激光器皮秒级锁模。 1 9 9 4 年，d k o p f 8 】等利用两个半导体激光器分别从晶体的两个端面泵浦 c r ：l i s a f 晶体，利用a f p s a 实现了被动锁模，脉宽9 8 f s 。 1 9 9 6 年，r f l u c k 9 1 等人在n d ：y l f 和n d ：y v 0 4 的s e s a m 被动锁模激光器 中，分别获得了5 7 p s 和4 6 p s 超短脉冲，首次实现了波长为1 _ 3 “m 的激光输出。 1 9 9 7 年，d k o p x 4 1 0 1 等利用两个半导体激光器分别从晶体的两个端面泵浦 c r ：l i s a f 晶体，利用s e s a m 实现了被动锁模，当泵浦功率为o 5 w 时，脉宽 为4 5 f s 。c h o n n i n g e r 0 1 等实现了半导体泵浦y b ：p h o s p h a t e 的s e s a m 被动锁模， 产生了6 0 f s 的超短脉冲。 1 9 9 8 年，x i a n gl i u 等利用a f p s a 实现了c r ：f o r s t e r i t e 晶体被动锁模， 脉宽1 5 p s 。同年，c h o n n i n g e r ”1 等用半导体分别泵浦y b ：p h o s p h a t e 和y b ：s i l i c a t e 玻璃，并插入s e s a m ，产生了5 8 f s 和6 1 f s 的超短脉冲。c h o r v a t h 等用半导 体直接泵浦n d ：g l a s s ，实现了s e s a m 被动锁模，得到脉宽为2 8 0 f s 的锁模脉冲。 1 9 9 9 年，t h g r a f i ”】等人用半导体激光器侧泵n d ：y v 0 4 ，利用s b r 实现被 动锁模，获得了3 3 p s 脉冲输出。a r 0 b e r t s o n u 6 等人利用两个半导体激光器从两 端面泵浦c r ：l i s a f 晶体，实现了c r ：l i s a f 的s e s a m 被动锁模，获得9 4 f s 的锁模脉冲。 1 北京 业大学硕士学位论文 2 0 0 0 年，f d r u o n 1 7 1 等在y b ：g d c o b 激光器中，利用s e s a m 获得9 0 f s 的 被动锁模输出。同时，j a u sd e ra u 1 8 等人在y b ：y a g 中成功获得了1 6 2 w ， 脉宽7 3 0 f s 的s e s a m 被动锁模激光脉冲。g j s p u h l e r 1 9 1 等利用6 个2 0 w 的半 导体激光器侧泵n d ：y a g ，利用s e s a m 获得2 1 p s 的脉宽输出，输出功率为2 7 w 。 2 0 0 1 年，y f c h e n 2 0 1 等利用5 0 w 的半导体激光器端泵n d ：y v 0 4 ，实现了 s e s a m 锁模运转，获得2 1 5 p s 的脉宽输出，输出功率为2 3 ，5 w 。f b m n n e r 等人在y b ：y a g 中获得了o 8 3 1 5 7 p s 可调谐的s e s a m 锁模脉宽输出。m a x j o s e fl e d e r e r 2 2 1 等采用不同的s e s a m 实现了n d ：y v 0 4 的被动锁模，脉宽为9 2 3 p s 。 2 0 0 2 年，a m a j o r 2 3 1 等利用半导体激光器端泵n d ：k g d ( w 0 4 ) 2 ，实现了 s e s a m 锁模运转，获得了6 3 p s 的脉冲输出，输出功率为1 w 。 2 0 0 3 年，何京良2 刖等利用半导体激光器端泵n d ：g d v 0 4 ，采用四镜腔，实 现了s b r 锁模，获得了9 2 p s 的脉冲输出，输出功率为5 4 w 。 1 。2 2 n d ：y v 0 4 和n d ：y a g 和n d ：g d v 0 4 锁模激光器 表1 - 1n d ：y a g n d ：y v 0 4 锁模激光器的研究进展 t a b l e1 1t h e d e v e l o p m e n t o f m o d e - l o c k i n gn d ：y a g n & y v o l a s e r s 年份增益介质锁模方式腔型输出功率脉宽参考文献 1 9 9 2n d ：y a g 臼锁模z 型折叠腔 l w85 p s 【8 1 9 9 6n d ：y v o aa f p s a 锁模 五镜折替腔 1 3 0 m w 4 6 p s【9 】 1 9 9 7n d ：y a g白锁模z 型折叠腔6 7 5 m w 6 7 p s 1 4 1 9 9 9n d ：y v o ds b r 锁模z 型折叠腔4 4 w 3 3 p s 15 2 0 0 0n d ：y a g 自锁模z 型折叠腔8 0 0 m w 4 5 p s 2 2 】 2 0 0 0n d ：y a gs e s a m 锁模三镜折叠腔2 7 w 2 1 p s 1 9 2 0 0 1n d ：y v o as b p c 锁模五镜折叠腔2 3 5 w 2 1 5 p s 2 0 】 2 0 0 1n d ：y v o ds e s a m 锁模z 型折叠腔 9 - 2 3 p s 2 2 2 0 0 2n d ：y v o s e s a m 锁模 平凹腔( 短腔) 2 1 w13 7p s 4 8 】 2 0 0 3n d ：g d v 0 4s b r 锁模四镜折叠脏5 4 w9 2p s 2 4 】 表1 1 列举了半导体泵浦的n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 自锁模或 4 。 第1 苹绪论 s e s a m 锁模激光器的研究进展。其中a f p s a 锁模和s b r 锁模均可归为 s e s a m 锁模。可以看出，n d ：y a g 和n d ：y v 0 4 自锁模或s e s a m 锁模的研究 均有飞速发展，输出功率不断提高，脉宽不断压缩。这些激光器一般均采用折 叠腔，这样可以降低透镜引起的损耗，但需要进行像散补偿。n d ：g d v o 。晶体 做为一种比较新的激光晶体，对于它的锁模方面的研究很少。2 0 0 3 年以前没有 关于n d ：g d v 0 4 晶体锁模方面的报道，2 0 0 3 年在我们报导的同时，何京良等人 采用四镜腔实现了n d ：g d v o 。晶体的s b r 锁模。 1 ，2 3 腔倒空锁模激光器 1 9 9 2 年a l a n d h a y s l 2 5 1 等采用两个脉冲宽度为6 0 0 胛, 输出能量为1 5 0 m j 的准 连续半导体激光器侧面泵浦n d ：y a g ，采用电光腔倒空、声光调制锁模器获得了 单脉冲能量为l m j ，脉冲宽度为9 5 p s ，重复频率为2 0 h z 的单脉冲。 1 9 9 3 年m r a m a s w a m y 2 6 1 等实现了t i ：a 1 2 0 3 克尔透镜锁模激光器的声光腔倒 空，获得了单脉冲能量为1 0 0 n j ，脉冲宽度为5 0 f s ，重复频率为9 5 0 k h z 。 1 9 9 4 年，m d s e l k e r l 2 7 1 等采用两个6 0 w 的准连续半导体激光器侧面泵浦 n d ：y l f ，电光腔倒空，获得了单脉冲能量为4 m j ，脉冲宽度为4 5 n s ，重复频率 为3 0 h z 的单脉冲输出。 l9 9 8 年m j r d y m o t t l 2 ”等利用两个4 w 的半导体二极管端面泵浦n d ：y a g ， 采用电光腔倒空，声光调制锁模器，获得了单脉冲能量为1 5 0 “_ ，脉冲宽度为 1 0 8 p s ，重复频率为l k h z 的单脉冲输出。 2 0 0 0 年，v a c l a vk u b e c e k 2 9 】等利用n d ：y a g 做为增益介质，c r ：y a g 作为饱 和吸收体，采用灯泵浦，电光腔倒空，获得了单脉冲能量为3 0 0 i 厶，脉冲宽度 为4 8 p s 的单脉冲输出。 2 0 0 1 年杨辉等研制了声光腔倒空克尔透镜自锁模掺钛蓝宝石激光器，采 用二极管抽运的全固态连续波5 3 2 n m 激光抽运，获得了峰值功率5 4 m w 、脉宽 小于1 8 f s 、重复频率为2 0 k h z 的稳定锁模脉冲。 2 0 0 2 年s c h u m a c h e r 5 4 1 等研制了k h z 染料激光器，获得单脉冲能量为3 0 的 5 5 8 n m 激光输出。 国内外尚未有关于s e s a m 锁模腔倒空激光器的报道。 北京工业大学硕士学位论文 1 2 4 超短脉冲技术的发展趋势 近几年来，超短脉冲技术取得了突飞猛进的发展，主要体现在以下几方面： ( 1 ) 更窄的脉宽 随着对超短脉冲的日益需求，人们不断改进锁模方式和脉宽压缩技术，改 善谐振腔结构，获得的脉宽越来越窄。 ( 2 ) 更高的输出功率和单脉冲能量 n d ：y a g 的自锁模激光输出功率为1 w t 引】，而用s e s a m 锁模的输出功率己 达到2 7 w 1 3 2 ：n d ：y v 0 4 的s e s a m 锁模输出为2 3 5 w t 3 3 】；y b ：y a g 的s e s a m 锁 模输出功率已达到1 6 2 w e 3 4 1 。 ( 3 ) 向多波长发展 实现锁模的激光增益介质已有多种，如n d ：y v 0 4 、n d ：y a g 、n d ：g d v 0 4 、 y b ：y a g 、c r ：l i s a f 、n d ：g l a s s 、y b ：p h o s p h a t e 、n d ：y l f 等，它们提供了多种波 长范围。人们不断研制新晶体，来扩展波长的范围。另外随着新的波长可调谐 的固体激光介质的研究开发以及频率转换技术的应用，各种波段的超短脉冲激 光将不断得以实现。 ( 4 ) 向全固化和小型化发展 随着半导体激光器的广泛应用，半导体激光泵浦的国体激光器得到了较大 的发展。与传统的灯泵浦相比较，半导体激光泵浦具有以下优点：效率高，对 电源功率要求低；能耗较低，需要的冷却较少；机械震动小；寿命长( 5 0 0 0 小 时1 0 0 0 0 小时) ；易于操作和维护；有更为稳定的激光辐射：重量轻，体积小。 利用半导体激光器作为泵浦源，可以做成全固化，体积小，效率高，成本低， 稳定可靠，实用性强的超短脉冲激光器。 1 3 论文工作的主要内容和目的 本文论述了超短脉冲的科研价值、应用价值及其实现方法，分别对半导体 泵浦全固化s e s a m 锁模激光器和腔倒空锁模激光器的研究状况及发展方向进 6 - 第1 章绪论 行了总结，概述了课题的来源及意义。 从锁模的基本原理出发，分析了s e s a m 锁模机理。在s e s a m 锁模的分 析中，介绍了s e s a m 的时间特性、宏观参数、结构类型及它们对锁模的影响， 指出了利用s e s a m 锁模与用染料可饱和吸收体锁模的不同之处，并结合 s e s a m 的特性，被动锁模的原理以及实验结果，讨论了s e s a m 锁模脉冲的演 变过程。 我们对s e s a m 锁模进行了分析设计和实验研究。大致包括以下三种情况： 连续端面泵浦s e s a m 锁模，脉冲端面泵浦s e s a m 锁模，高功率侧面泵浦 s e s a m 锁模。分析了每种情况的腔参数( 腔长、凹面镜曲率半径透镜焦距 等) 对稳区及光斑大小的影响，并利用分析结果选择合适的腔参数对谐振腔进 行优化，最后通过实验对各种情况进行了深入研究；分析了不同的s e s a m 和 不同的晶体对锁模输出的影响，找出了其规律性。 我们将腔倒空技术和s e s a m 锁模结台起来进行了实验研究。包括以下内 容：高压电脉冲产生，连续泵浦腔倒空s e s a m 锁模，脉冲泵浦腔倒空s e s a m 锁模。 综上所述，我们对全固化腔倒空s e s a m 锁模激光器进行了深入的理论分 析和大量的实验研究，实现了l d 连续泵浦激光器的s e s a m 锁模运转、l d 脉 冲泵浦激光器的s e s a m 锁模运转和侧面泵浦s e s a m 锁模激光器的运转，并 成功实现了腔倒空s e s a m 锁模运转，获得了能量大，脉宽窄的单脉冲输出。 7 - 第2 章相关理论及分析 第2 章相关理论及分析 本章首先介绍了锁模的基本原理和s e s a m 的时间特性、宏观参数、结构 类型以及它们对锁模的影响。在此基础上，指出了s e s a m 锁模与染料可饱和 吸收体锁模的不同之处，并结合s e s a m 的特性、被动锁模原理以及实验结果， 讨论了s e s a m 锁模脉冲的演变过程。最后结合调q 的基本原理介绍了电光调 制及腔倒空技术。理论分析为进一步的实验研究提供了有力的理论依据。还简 要介绍了实验中所用晶体( n d ：y a g 和n d ：g d v o 。) 的一些基本性质。 2 1 锁模的基本原理m 3 一台激光器的模式有：纵模、横模两大类。锁模就是纵模锁定、横模锁定 以及纵、横模同时锁定三种，但最有实用价值的是纵模锁定，所以本文主要讨 论纵模锁定。下面先简要介绍未经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。 对于腔长为l 的激光器，其纵模的频率间隔为： v q2 _ r _ 2 羞 ( 2 1 ) 每个纵模输出的电场分量可用下式表示： p ) = 局c o s ( q f + ) ( 2 _ 2 ) e ，、c o 。、吼为第q 个模式的振幅、角频率及初位相。在未锁模时，各个模式 的振幅及初位相均无确定关系，彼此之间互不相干，因而激光输出随时间的变 化是它们无规叠加的结果，是一种时间平均的统计值，故输出强度随时间无规 则起伏。 如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相 位相互联系起来，使之有一确定的关系( 妒州一= 常数) ，那么激光器输出的 将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲，这就是说，如果使各振荡模式的频率 间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的 超短脉冲，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。 下面分析激光输出与相位锁定的关系。设腔内有g = 一n ，一( n - i ) ，0 ， ( n - 1 ) ，n ，共2 l 卜1 个纵模振荡，所有振荡模均具有相等的振幅岛。处在介 9 北京工业大学工学硕士学位论文 质增益曲线中心的模，其角频率为。，初位相为0 ，模序数q = o ，即以中心模 作为参考各相邻模的初位相之差保持一定( 称为相位锁定) ，相位差为口，模 角频率间隔为a c o ，即= 0 3 0 + q a c o ，吼= + q a = g a ，则第q 个振荡模为 岛0 ) = e o c o s ( o ) ，+ ) = 岛c o s ( o j o + q a c o ) t + q a ( 2 3 ) 式中q 为腔内振荡纵模的序数。激光器输出总光场是2 + 1 个纵模相干的结果： e o ) = e oc o s ( c o o + q a c o ) t + q c t 螂即嗍湖阶生型：! 墅幽陋。， s i n 害卢 e ( t ) = 岛c o s ( c o o t ) a ( t ) = 岛 = a ( t ) c o s ( c o o t )( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 由上式可知，2 + 1 个振荡的模经过相位锁定以后，总的光场变为频率为的 调幅波。振幅爿0 ) 是一随时间变化的周期函数，光强，p ) 正比于a2 ( f ) ，也是时 间的函数，光强受到调制。按傅里叶分析，总光场由2 + 1 个纵模频率组成， 因此激光输出脉冲是包括2 n + 1 个纵模的光波。 经分析可知，激光器多个纵模锁模的结果，出现了下列有意义的现象： ( 】) 激光器的输出是间隔为t = 2 z c 的规则脉冲序列。可见锁模激光脉冲的 周期丁等于光在腔内来回一次所需的时间。因此，可以把锁模激光器的工作过 程形象地看作有一个脉冲在腔内往返运动，每当脉冲行迸到输出反射镜时，便 1 0 第2 苹相关理论及分析 有一个锁模脉冲输出。 ( 2 ) 每个脉冲的宽度f 。西南古即近似等于振荡线宽的倒数。因为振 荡线宽不会超过激光器净增益线宽，即工作物质的增益带宽决定了锁模脉冲宽 度的下限。可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉宽。 ( 3 ) 输出脉冲的峰值功率f 比于爵( 2 + 1 ) 2 ，而自由运转的激光器的平均功 率正比于爵( 2 n + 1 ) 。因此，由于锁模，峰值功率增大了( 2 n + 1 ) 倍。腔长越长， 荧光线宽越宽，则腔内振荡的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。 ( 4 ) 多模激光器相位锁定的结果，实现了p 。一= 常数，导致输出一个峰 值功率高，脉冲宽度窄的序列脉冲。因此多纵模激光器锁模后，各振荡模发生 功率耦合而不再独立。每个模的功率应看作是所有振荡模提供的。 实现锁模的方法有多种，按工作机理可划分为主动锁模、被动锁模、主被 动同时锁模、同步锁模、碰撞锁模和自锁模等。s e s a m 锁模属于被动锁模， 根据本实验的实际需要，下面主要介绍s e s a m 锁模： 2 2 半导体可饱和吸收镜锁模机理 ， 半导体可饱和吸收镜( s e s a m ) 锁模是随着半导体技术及材料的发展而发展 起来的一种锁模技术。由于半导体外延( e p i t a x y ，包括分子束外延m b e 和金属有 机化学气相沉积m o c v d ) 技术的发展以及半导体材料在很宽的范围内可变的吸 收带，使半导体可饱和吸收体成为非常有潜力的锁模器件。这种半导体可饱和吸 收体可以用外延法直接生长在半导体布拉格反射镜上，因此被叫做可饱和半导体 布拉格反射镜( s a t u r a b l eb r a g gr e f l e c t o r ，简称s b r ) 或半导体可饱和吸收反射镜 f 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 ) 。近年来，这种半导体 可饱和吸收体以其独特的优点，得到了非常迅速的发展和应用，大大促进了超短 脉冲技术的发展。 下文中首先介绍了s e s a m 的时间特性、宏观参数、结构类型及它们对锁 模的影响，然后进一步分析了利用s e s a m 锁模与用染料可饱和吸收体锁模的 不同之处，并结合s e s a m 的特性，被动锁模的原理以及实验结果，讨论了 北京工业大学工学硕士学位论文 s e s a m 锁模脉冲的演变过程。 2 2 1 半导体可饱和吸收体口劬 2 2 1 ，1 半导体可饱和吸收体的能带 和所有固体一样，半导体也有吸收，其吸收系数一般在1 0 4 c m 。吸收波长取 决于能带间隔，即禁带宽度。以i i i v 族化台物半导体为例，吸收带一般在可见 光和近红外波段。比如常用的砷化镓( g a a s ) 的禁带宽度& 是1 4 2 3 e v ，对应于 8 7 0 1 1 1 1 。砷化铝( a l a s ) 的禁带宽度e 。更高，为2 1 3 e v ，透明段波长可短至5 7 0 n 1 t l 。 为了适应各种吸收波长的需要，常常要用三元化合物半导体，如砷化镓铝 ( a i g a a s ) ，砷化铟镓( i n g a a s ) ，砷化铟铝( i n a l a s ) 等。因为i n a s 的禁带宽度只有 0 3 5 6 e v ，所以常用它与g a 或a l 来调节三元化合物半导体的禁带宽度，因此这 种化合物常常写成i n 。g a l 。a s ，i n 。a 1 1 、a s 和a i 。g a l 。a s 等，x 表示该组分的含量。 三元化合物半导体的禁带宽度可用经验公式来计算。例如对于没有应变的 i n 。g a h a s ，其禁带宽度可以用二次曲线来拟合，写成： e 。= 1 4 2 3 1 5 3 x + 0 4 5 x 2 ( e v ) ( 2 7 ) 可见改变i n 的含量就可以把i n 。g a i x a s 禁带宽度在o 3 5 6 1 3 4 e v 之间调节。 2 2 2 2 半导体的能带与晶格常数 由于半导体可饱和吸收体一般是用外延法生长在半导体基板上的。基板的晶 格常数与要生长的半导体化合物的晶格常数原则上应该相同。晶格常数可以由 x 射线衍射法测得，精确度可达o 0 0 0 1 r i m ，组分的配比可由x 一射线荧光法测得， 精确度也可达十0 0 0 5 。表2 1 列出了几种常见的半导体基片的晶格常数及禁带宽 度。由表可见，g a a s 与a l a s 的品格常数基本上是匹配的。由于它们的折射率 不同，常用这两种晶体交叉生长而形成所谓布拉格反射镜。 如前所述，改变三元化合物半导体中某两种组分的配比可以改变其能带宽 度。但这个改变不是任意的，要受衬底晶格常数的制约。实际上可供选择的与衬 底的晶格常数相同的配比并不多。晶格常数与衬底有一定差别也可能生长在衬底 上。例如三元化合物半导体i n 。g a 。a s 可以生长在g a a s 上。由于晶格常数不一致， 会在生长层上造成一定应变( s t r a i n ) ，应变可分为压缩型和扩张型，无论那种类 1 2 第2 章相关理论及分析 型的应变都会影响禁带宽度。另外，在存在应变的情况下，i n ；g a 。a s 吸收层的 厚度有一个限制，即所谓临界厚度。超过了这个厚度，缺陷和位错就会产生，从 而增加非饱和吸收损耗，这个厚度与锢的配比有关。 表2 - 1 几种常见半导体的禁带宽度和晶格常数 t a b l e21t h el a t t i c ec o n s t a n to f a b s o r b e r s g a a sa l a si n a si n p 禁带宽度( e v ) 1 4 2 32 1 3o 3 5 61 3 4 品格常数( n m ) 0 5 6 5 3 30 5 6 6 10 6 0 5 8o5 8 6 8 2 2 2 3 半导体的能带与量子阱 当吸收体薄到一定程度并被加在高禁带宽度的材料中间，就变成了所谓量子 阱。在设计半导体可饱和吸收体时，根据吸收能量的大小，可以采用体吸收或采 用量子阱结构。对于利用克尔效应锁模的激光器，仅仅需要百分之零点几至百分 之几的吸收，所以可饱和吸收体的厚度只需要几个纳米。另一方面，在波长大于 8 6 0 n m 的吸收区，需要加入铟来降低禁带宽度，即必须采用三元化合物 i n 。g a l 。a s 。如上一节所述，这种三元化台物如果生长在g a a s a 1 a s 布拉格反射 镜衬底上，就会发生晶格不匹配的问题。为了减少晶格不匹配造成的缺陷， i n 。g a l 。a s 的厚度必须控制在临界厚度以下，自然形成量子阱。量子阱的禁带宽 度不仅取决于半导体材料本身的禁带宽度，而且和量子阱的宽度有关，例如前述 的i n o5 3 g a 0 4 7 a s 在铟的含量一定的情况下，改变量子阱的厚度可以把吸收边在 1 1 9 m 至1 6 t m 之间调节。如果单个量子阱的吸收能量不够，可以采用多量子 阱。 2 2 2 半导体可饱和吸收镜的基本结构和时间特性口7 1 图2 一l 为半导体可饱和吸收镜( s e s a m ) 的结构示意图。s e s a m 的基本结构 就是把反射镜与吸收体结合在一起。底层一般为半导体反射镜，其上生长一层半 导体可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的 界面作为反射镜，这上下两个反射镜就形成了一个法布里一珀罗腔，改变吸收体 北京工业大学工学硕士学位论文 的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。 s 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 r 图2 1 半导体可饱和吸收镜的结构示意图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h es e m i c o n d u c t o rs a t u r a b l em i r r o r 图2 - 2 典型半导体可饱和吸收体的时间特性 f i g 2 2i m p u l s er e s p o n s eo f t h es 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 r 一般来说半导体的吸收有两个特征弛豫时间( 见图2 2 ) 。带内热平衡 ( i n t r a b a n dt h e r m a l i z a t i o n ) 弛豫时问和带间跃迁( i n t e r