锁模激光器的设计

第第 1 1 章章 概述概述.2 第第 2 2 章章 SESAMSESAM 锁模激光器的基本原理锁模激光器的基本原理.3 2.1 被动锁模激光器工作原理.3 2.2 半导体饱和吸收镜锁模相关理论.4 2.3 SESAM 锁模脉冲的演变过程.5 2.4 ND:YV04 晶体 .6 第三章第三章 大功率皮秒激光器及谐振腔设计大功率皮秒激光器及谐振腔设计.8 3.1 热透镜效应理论分析.8 3.2 模式匹配.8 3.3 含热透镜的谐振腔设计.8 总总 结结 .11 参考文献参考文献.11 光电子课程设计 1 第 1 章 概述 激光是 20 世纪以来的重大科技发明之一，自 1960 年梅曼成功研制世界上第 一台激光器一红宝石激光器以来，激光技术正以科学史上罕见的高速度向前发展 着。特别是进入二十世纪八十年代末期，由于大功率激光二极管和阵列型激光二 极管成为极理想的泵浦源，从而导致了效率高、体积小、寿命长、性能稳定和光 束质量好等优点的激光二极管泵浦固体激光器的出现，带动了整个固体激光器件 的发展。由于 DPSSL 具有半导体激光器和固体激光器的双重优点，而且同时弥补 了两者的缺点，所以 DPSSL 在科学研究、材料加工、医疗卫生、军事国防、同位 素分离、激光核聚变、信息传输等方面有广泛的应用前景，现在已经成为激光技 术领域的重要发展方向之一。 由于超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，高脉冲重复频率，宽的光谱 和高的峰值功率，在各个领域得到了广泛的应用，所以超短脉冲的产生成为了当 今重要的一个研究课题。飞秒激光自诞生之日起一直是光学领域最前沿的研究方 向之一，由于其卓越的特性使其应用在基础科学研究、医疗、军事、工业等众多 领域。例如：微纳加工、太赫兹产生、超连续谱产生、惯性约束核聚变等。更值 得一提的是两项诺贝尔奖：AHZewail 利用飞秒激光脉冲在飞秒量级的时间分 辨率下研究化学反应过程的分子的动力学，获得了 1999 年的诺贝尔化学奖； THansch 和 JHou 将飞秒激光产生的超连续谱应用到超精密光谱学测量研究， 尤其对“光梳”技术的完善工作获得了 2005 年的诺贝尔物理学奖。在众多超短 脉冲产生技术中，半导体可饱和吸收镜锁模技术由于其独有的优越性成为了近年 来的研究热点。 本文主要是以 Nd:YV04 晶体为增益介质，SESAM 作为锁模器件，研究了基于 SESAM 锁模的大功率皮秒激光器，并取得了一些成果。文中针对大功率激光器的 特点，对 LD 端面泵浦激光晶体的热效应进行了分析，计算了其热透镜焦距，分 析了模式匹配，设计了 W 型折叠热稳腔，并通过谐振腔稳区的计算，有效的优化 了热稳腔。 光电子课程设计 2 第 2 章 SESAM 锁模激光器的基本原理 2.1 被动锁模激光器工作原理 产生超短脉冲的一种有效方法是被动锁模。此方法是把可饱和吸收体放在激 光谐振腔内实现的。可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，对腔内激光的吸收是 随光场强度而变化的，当光场较弱时吸收体对光吸收很强，因此光透过率很低； 随着激光强度的增大，吸收体对光的吸收减少，当达到一特定值时，光几乎可以 无损耗的通过，此时透过率几乎 100%，从而强度越大的激光损耗越小，从而得到 很强的锁模脉冲。它类似于被动 Q 开关，但又有区别，被动锁模要求可饱和吸收 体的上能级寿命特别短。 图 1.1 一般可饱和吸收体的吸收特性 由于吸收体的吸收系数随着光强的增加而下降，所以高增益激光器所产生的 高强度激光能使吸收体饱和。如图 1.1 所示，可以看出激光通过吸收体的透过率 T 随光强 I 的变化情况。强信号的透过率比弱信号的大，只有很小部分被吸收体 所吸收。强弱信号大致以吸收体的饱和光强 Is 来划分。大于 Is 的光信号为强 信号，否则为弱信号。在没有发生锁模以前，假设腔内光子的分布是均匀的，但 由于噪声的存在，还是有些起伏。由于吸收体有可饱和吸收的特性，弱的信号透 过率小，受到的损耗大，而强的信号透过率大，受到的损耗小，且其损耗可以通 过工作物质的放大得到补偿。所以光脉冲每经过吸收体和工作物质一次，其强弱 信号的相对值就改变一次，在腔内多次循环后，极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲的前沿不断被削陡，而尖峰部分能有效的通过，则使脉冲变窄。从频率域分 析，开始时自发辐射的荧光以及达到阙值所产生的激光涨落脉冲，经过可饱和吸 收体在噪声脉冲中的选择作用，只剩下高增益的中心波长及其边频，随后经过几 次吸收体的吸收和工作物质的放大，边频信号又激发新的边频，如此继续下去， 使得增益线宽内所有的模式参与振荡，于是便得到一系列周期为 2L/c 的脉冲序 光电子课程设计 3 列输出。 2.2 半导体饱和吸收镜锁模相关理论 半导体可饱和吸收镜(SESAM)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(epitaxy，包括分子束外延 MBE 和金属有机 化学气相沉积 MOCVD)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(Saturable Bragg Reflector，简称 SBR)或半导体可饱和吸收反射镜 (Semiconductor Saturable Absorber Mirror，简称 SESAM)。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。 2.2.1 半导体可饱和吸收镜的时间特性 一般来说半导体的吸收有两个特征弛豫时间，带内热平衡在 SESAM 锁模过程 中，响应时间很短的带内热平衡(一般处于飞秒量级，在 100-200fs 左右)可以有 效压缩脉宽、维持锁模。响应时间较长的带间跃迁则提供了锁模的自启动机制， 设计可饱和吸体的时间特性，主要是设法缩短带间弛豫时间。对于低温生长的材 料，这一时间具体是由电子/空穴陷获决定的，一般来说大约在皮秒甚至纳秒量 级。半导体内部的团簇、缺陷、表面效应等都能导致陷获的发生，这些陷获的存 在加速了布居数的衰减。可以通过改变吸收体的生长温度来改变陷获的密度，从 而改变带间跃迁弛豫时间。一般来说，生长温度越低，在半导体内引入的缺陷越 多，一般选择 300-500 摄氏度，从而可以获得更短的带间跃迁弛豫时间。 2.2.2 半导体可饱和吸收镜的宏观特性 可饱和吸收镜的调制深度、非饱和损耗、饱和通量、饱和光强、脉冲响应时 间以及饱和恢复时间几等参量决定了被动锁模激光器的特性。调制深度是指吸收 镜非线性反射率的变化范围。调制深度是和锁模输出脉冲的脉宽有直接关系的一 个量。通常来讲，调制深度越大，脉宽就越窄。它的大小和饱和吸收层的厚度 (或者是量子阱的个数)以及吸收镜的表面镀膜有直接的关系。 非饱和损耗包括底层反射镜反射率不足百分之百的部分，表面粗糙造成的散 射损耗，缺陷和杂质的吸收损耗等。原则上讲非饱和损耗应该越小越好，因为它 只会降低激光器的效率，但是有时为了追求其它指标会不可避免的引入非饱和损 光电子课程设计 4 耗。 吸收体的恢复时间能够影响激光器的运转模式，激光器要想实现连续稳定的 锁模运转，必须控制恢复时间，而且恢复时间的大小也影响最终的锁模脉冲宽度。 吸收体的饱和光强如果太小的话，腔内脉冲能量就会远大于饱和光强，就会出现 多脉冲运转的不稳定现象。反之，如果饱和光强过大的话，腔内脉冲能量不能超 过饱和光强，吸收体将不会被漂白，实现不了连续锁模运转。一般来讲腔内脉冲 能量应该几倍于饱和光强时才能实现连续锁模运转。设计半导体饱和吸收镜还应 考虑的问题就是针对不同波长的激光器，应该有不同的参数设计。主要是控制半 导体的内部结构，比如禁带宽度，量子阱结构等，以适应不同波长的激光器。 2.3 SESAM 锁模脉冲的演变过程 SESAM 锁模脉神的演变过程一一调 Q、调 Q 锁模、稳定的锁模三个阶段: 1 在激光器振荡开始阶段， SESAM 主要引起腔内损耗，开始时自发辐射的荧 光以及达到阑值所产生的具有随机相位关系的激光纵模之间的干涉，导致初始激 光脉冲光强度的起伏，脉忡总量很大，激光从自由振荡建立。SESAM 对其产生轻 度调制，产生自调 Q。 2 随着腔内能量的增加，SESAM 开始对激光进行较强调制，部分光能量进入 半导体可饱和吸收体（不同类型的 SESAM 具有不同的反射率)，此时半导体内带 间跃迁发挥主要作用。对不同强度的光表现出不同的吸收特性，对强脉冲吸收得 少而对弱脉冲吸收得多，从而使从 SESAM 出来的光脉冲的强度差更大，然后与顶 层反射的光脉冲叠加实现对脉冲的调制，光脉冲经过 SESAM 吸收和激光增益介质 线性放大的联合作用，对振荡的脉冲序列进行有效的选择。对腔内激光进行强度 鉴别，开始压缩脉宽，但此时腔内的激光脉冲的能量还不足以将 SESAM 完全漂白， 且由于激光器的自发辐射，腔内产生自调 Q 锁模。 3 随着激光脉冲在腔内振荡，腔内种子脉忡逐渐加强足以将 SESAM 漂白，光 脉冲受到 SESAM 的深度调制，在此阶段起主要作用的是 SESAM 带内热驰豫过程， SESAM 的带内热平衡时间非常短，带间跃迁时间将可以忽略。经过非线性吸收的 脉冲被 SESAM 底层反射回去，与在顶层镜面处反射的脉冲进行干涉叠加，从而实 现振幅和相位的同时调制。调制后的强脉冲经过增益介质时，使介质进入非线性 放大阶段，前沿及中心部位放大的多，由于反转粒子数的损耗，使增益下降，脉 冲后沿放大的少，甚至得不到放大，其结果使前后沿变陡，脉冲变窄，小脉冲几 乎完全被抑制，从而输出一系列强度高、脉宽窄的脉冲序列。 光电子课程设计 5 2.4 Nd:YV04 晶体 Nd:YV04(饥酸铭)晶体是具有强双折射特性的正单轴晶体，属四方晶系 (4/mmm) ，错英石(ZrSi04)结构。Nd:YV04 晶体是在 YV04 基质生长过程中通过用 适当的 Nd3+离子取代 y3+离子的位置而形成的。晶体中激活离子 Nd3+的位置具有 低的点群对称性，离子的振荡强度大。YV04 基质对 Nd+3 有敏化作用，提高了激 活离子的吸收能力。自 1966 年以来 Nd:YV04 晶体就作为一种重要的激光材料得 到广泛认可。 图 1.2 Nd:YV04 晶体的能级结构 图 1.2 为 Nd:YV04 晶体的能级结构示意图。当用 808nmLD 进行泵浦时，泵浦 光把粒子从基态激发到能级上，粒子在 4F2/5 能级上的寿命非常短，可以非常快 地通过无辐射驰豫过程落到能级 4F312 上。4F3/2 能级是一个亚稳态能级，能级 寿命相对较长，容易产生粒子数聚集，从而可与下边的能级实现粒子数反转。亚 稳态 4P3 尼能级上的粒子受激跃迁到低能级即可辐射不同波长的激光，Nd:YV04 晶体主要有四条发射谱线: 4p312-411S/2、4FM-113/2、4Fm-4IlI/2、4p312- 419/2，对应的辐射波长分别为 1.839um、1.342um、1.064 户 m 和 0. 914um，其 中室温下 1.064um 谱线是发射截面最大、增益最强的一条谱线，1.34um 次之，最 弱的是 1.839ILm 和 0.914um。实际上，由于 Nd3+离子受基质晶格场的影响，主 能级会产生 Stark 分裂，精确的辐射跃迁发生在各个不同的子能级之间。 Nd:YV04 基态的能级 Stark 分裂只有 439mm。此 914nm 跃迁通常称为准三能级跃 迁。 光电子课程设计 6 图 1.3 Nd:YV04 晶体的偏振吸收光谱 图 1.3 给出了 Nd:YV04 晶体的偏振吸收谱线。从图中可以看出，晶体对 偏振光(平行于晶体 c 轴)的吸收大于对 偏振光(垂直于晶体 C 轴)的吸收，而 且晶体对两个方向的偏振光均在 593nm、754nm 和 808nm 附近有三个较强的吸收 带，其中，808nm 吸收峰最强，593nm 吸收峰次之，754nm 吸收峰最弱，808mn 吸 收峰的宽度(FWHM)为 10nm 左右。 光电子课程设计 7 第三章 大功率皮秒激光器及谐振腔设计 3.1 热透镜效应理论分析 随着泵浦功率的提高，LD 泵浦的激光器的晶体的热效应越来越严重，这对激 光器的输出特性有很大的影响，如谐振腔的稳定性，输出光束的质量等，所以在 高功率连续运转的激光器系统中，谐振腔的设计必须考虑激光晶体的热透镜效应。 在光泵浦的作用下，激光晶体因吸收光而发热，同时又因为冷却来散热，但是， LD 泵浦光功率密度很高，而且有很好的方向性，这就使晶体的内部温度特别的高， 而晶体的散热是从外表面散热的，这样就使激光晶体内热源分布不均，从而使温 度梯度加剧。光通过晶体时将建立起一个横向的温度梯度，因折射率依赖于温度， 故温度梯度导致折射率梯度，根据晶体的各向异性，这种温度梯度在晶体中也有 各向异性的性质，从而导致了光的聚焦和散焦。在激光晶体内部形成的热致折射 率梯度变化对光束的变换作用在一阶近似上与球面透镜等效，因此，可以将其近 似等效为球透镜处理，又因为激光晶体的长度比其腔长而言，相对很小，故可将 热透镜等效为薄透镜处理，这就是所谓的热透镜效应。 3.2 模式匹配 为了使激光晶体对泵浦光有最大程度的利用，以及提高输出激光的光斑质量、 减少泵浦光阙值功率、增大输出功率和提高斜效率等，需要考虑泵浦光与振荡光 的模式匹配问题。将泵浦光与振荡光在增益介质中的重叠程度最大化是最优化固 体激光器的效率的关键因素，模式匹配就是这种重叠程度的最大化。提高泵浦光 与振荡光的重叠程度对提高输出激光的光斑质量、减少泵浦光阑值功率、增大输 出功率和提高斜效率有很重要的作用。 3.3 含热透镜的谐振腔设计 由我们的理论分析，在谐振腔的设计中，我们最主要的是解决热透镜效应和 模式匹配的问题，所以我们想设计一个热稳腔，即在热焦距(泵浦功率)变化的情 况下，使激光晶体处的振荡光光斑半径对于激光晶体的等效热透镜焦距 f 的变化 不敏感，从而使谐振腔始终处在稳区范围之内，同时又保持良好的模式匹配以及 保证所有的腔参数在我们的要求范围之内。 光电子课程设计 8 3.3.l 谐振腔结构设计 如下图所示为谐振腔结构示意图: 图 2.1 谐振腔的结构示意图 如图 2.1，Ml、M2、M3 是半径为 Rl、R2、R 的凹面镜，M4 和 oc 为平面镜。 LO 为 SESAM 到 Ml 的距离，L1 为 Ml 和 M2 之间的距离， L21 为 M2 到激光晶体 Nd:YV04 前端的距离，L22 为激光晶体 Nd:YV04 后端到 M3 的距离，因为 M4 为平 面镜，所以我们可以定义 L3 为 M3 和输出镜 oc 之间的距离。我们接下来要做的 工作就是确定 Ml，M2,M3 这 3 个反射镜的曲率半径(Rl、R2，R3)的大小以及谐振 腔各个臂长(LO、Ll、L21、L22、L3)的长度，从而保证在我们所设计的稳区范围 内达到最佳的模式匹配和在可饱和吸收体上的最合适光斑大小。由于光束对凹面 镜 (Ml、M2、 M3)是斜入射的，这就会造成入射的子午面和弧矢面光束通过平凹 镜后会聚点不重合，从而形成像散，像散会使子午面和弧矢面内振荡光束不重合， 且光斑大小不一样。所以我们一般把折叠腔作为一个像散腔，所以折叠镜在弧矢 面和子午面的焦距不同。 由光的传输矩阵理论，以靠近 SESAM 处为参考面的弧矢面往返矩阵可以写为： 光电子课程设计 9 以靠近 SESAM 处为参考面的子午面往返矩阵可以写为： 由谐振腔的稳定性条件得： 只有在子午面和弧矢面内的往返矩阵同时满足稳定性条件时，谐振腔才处于 稳定状态。 高斯光束在参考面处弧矢面内和子午面内的等相位曲率半径 r 和光斑半径 w 分别为： 光电子课程设计 10 3.3.2 谐振腔相关腔参数的确定 为了实现激光器的高功率和高稳定性运转，应把谐振腔的稳定区设定在较高 的泵浦功率范围，同时谐振腔的稳区也要足够宽。对于我们的方案，我们采用了 W 型折叠腔的腔型，但是由于折叠反射镜工作在离轴位置从而引入了像散，这就 会使输出光束质量降低，影响腔的稳定性，所以控制折叠