電光開關(guān)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(guān)對輸出脈沖的影響, 初步探討了由于引入電光開關(guān)而引起輸出光波形變差的機(jī)理,對輸出能量穩(wěn)定性和平均輸出能量提高的原因進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 引入電光開關(guān)后, 諧振腔輸出能量穩(wěn) 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(jìn)行了一些嘗試。
關(guān)鍵詞: 被動鎖模激光器; 電光開關(guān); 鎖模波形

1引言
    盡管克爾透鏡鎖模飛秒激光器近年來發(fā)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(yī)療和激光檢測等方面有著重要應(yīng)用, 所以
仍然受到重視。但是, 它的運(yùn)行機(jī)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(nèi)加入電光開關(guān), 可以將光脈沖相對外觸發(fā)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(jié)構(gòu)和能量穩(wěn)定性等問題。文獻(xiàn)[ 1] 報(bào)道了在被動鎖模諧振腔內(nèi)加入電光開
關(guān)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(nèi)加入電光開關(guān)對輸出脈沖的影響。
2理論分析
    G. H . C. New [ 2] 、W. H . Glenn\ [ 3\ ] 認(rèn)為超短脈沖是由最初存在于被動鎖模激光器自發(fā)噪
聲中的漲落脈沖集合發(fā)展而成的。在泵浦開始階段, 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)低于閾值, 腔內(nèi)只有自發(fā)輻射
場。由于自發(fā)輻射的隨機(jī)性, 輻射場包括許多無規(guī)律漲落的噪聲脈沖, 噪聲脈沖的峰值強(qiáng)度滿
足高斯幾率分布。這個(gè)階段一直延續(xù)到激活介質(zhì)的增益系數(shù) 增長到閾值點(diǎn)增益系數(shù)   0。在
線性放大階段, 隨著增益超過閾值, 自發(fā)輻射被放大。此時(shí), 光脈沖還比較弱, 各噪聲脈沖經(jīng)歷
相同的增益和損耗, 尖峰強(qiáng)度的幾率分布不變。噪聲輻射在腔內(nèi)往返振蕩, 自然選模, 在時(shí)域
形成準(zhǔn)周期 T = 2L / c( L 為光學(xué)腔長) 的噪聲漲落波群。光脈沖經(jīng)過線性放大階段, 噪聲漲落
波群中的漲落脈沖數(shù)目減少, 寬度增大。當(dāng)光脈沖強(qiáng)度上升到接近染料的飽和強(qiáng)度 I s 時(shí), 光
脈沖的發(fā)展進(jìn)入非線性階段。首先達(dá)到染料飽和強(qiáng)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(yōu)先增長, 波群中光脈沖強(qiáng)度的對比度逐漸提高。染料的恢復(fù)時(shí)間足夠短, 強(qiáng)
脈沖過后染料迅速恢復(fù)到高損耗狀態(tài)。經(jīng)過充分振蕩后, 腔內(nèi)僅存一個(gè)峰值強(qiáng)度很高的單脈
沖, 相應(yīng)地輸出時(shí)間間隔為 T 的脈沖序列。如果沒有經(jīng)過足夠的往返次數(shù), 腔內(nèi)還未甄別出
一個(gè)最強(qiáng)脈沖, 或最強(qiáng)脈沖與弱脈沖的強(qiáng)度相差不大, 就會輸出帶有衛(wèi)星脈沖的不完全鎖模序
列。
    在腔內(nèi)加入電光開關(guān)后的泵浦開始階段, 腔內(nèi)處于低 Q 值狀態(tài), 工作物質(zhì)處于貯能狀態(tài);
在某一時(shí)刻打開開關(guān), 腔內(nèi)很快恢復(fù)高 Q 值狀態(tài), 建立高增益。在這種情況下, 不只是最強(qiáng)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(jié)束時(shí), 還
存在許多個(gè)強(qiáng)度較大的起伏峰值, 到非線性放大階段, 強(qiáng)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(gè)脈沖序列。
標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)也會使鎖模波形變差, 產(chǎn)生衛(wèi)星脈沖。文獻(xiàn)[ 4] 分析了產(chǎn)生這種效應(yīng)的機(jī)制,
提出了減小這種效應(yīng)的可行方法。本文討論的波形變差是在加電光開關(guān)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(chǎn)生的, 所以可以確定標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)不是引起鎖模波形
變差的主要原因。

3實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果
       實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,諧振腔的兩個(gè)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(xué)腔長為 1.6 m,激光激活介質(zhì)是 Nd: YAG 晶體,脈沖氙
燈作泵源被動鎖?？娠柡臀阵w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(nèi)加入電光開關(guān)、KD* P 晶體、偏振器
 以及高壓脈沖發(fā)生器。圖 2 為經(jīng)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(jīng)過整流后觸發(fā)高壓脈沖發(fā)生器。圖3中的脈沖包絡(luò)是氙燈
的發(fā)光波形, 包絡(luò)上突起的小尖峰與氙燈開始泵浦時(shí)的時(shí)間間隔約為 140 s, 經(jīng)過測量,與諧
振腔輸出激光時(shí)刻一致, 從而判斷這個(gè)小尖峰為光電二極管接收到的腔內(nèi)激光信號。

                                          圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

  圖2經(jīng)過衰減后的高壓脈沖波形        圖3光電二極管接收的光信號