锁模激光器的设计.docx

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锁模激光器的设计

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：

A．H．Zewail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；T．Hansch和J．Hou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。

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（SaturableBraggReflector，简称SBR）或半导体可饱和吸收反射镜（SemiconductorSaturableAbsorberMirror，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。

2.3SESAM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。

2.4Nd:

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1.2Nd:

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。

图1.3Nd:

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π偏振光（平行于晶体c轴）的吸收大于对σ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。

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。

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：

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：

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，所以控制折叠腔的像散也是谐振腔设计的关键技术之一，折叠腔的像散补偿的条件为:

fs=fpω=ωt。

在大功率泵浦的条件下，为了避免造成饱和吸收体的损伤，所以在饱和吸收体上的光斑不能太小。

在大功率泵浦（35W）下热透镜焦距的大小在30到1000之间，这就要求我们设计的谐振腔热透镜焦距在此范围内都是在稳区之内的。

总结

本文主要以Nd:

YV04作为激光晶体，SESAM作为锁模器件，理论和实验研究了基于SESAM锁模的大功率皮秒激光器。

在本文第一章，对锁模技术中的被动锁模技术、半导体饱和吸收镜特性和Nd:

YV04晶体做了介绍。

第二章主要对脉神的形成和锁模的原理做了介绍，对被动锁模激光器的原理做了详细的阐述，重点介绍了半导体饱和吸收镜锁模的相关理论。

第三章首先分析了热透镜效应形成的原因，对Nd:

YV04晶体热透镜焦距做了计算，为后面的谐振腔的设计做好了准备。

对模式匹配做了讨论。

参考文献

[1]江涛,激光与光电子学进展,北京,电子工业出版社,2000年（8）40-43

[2]贾正根,半导体报,北京,电子工业出版社,2000年6月第37卷（3）45-47

[3]周炳琨等,激光原理,第5版,北京,国防工业出版社,2004年8月

[4]马养武等,光电子学,第2版,杭州,浙江大学出版社,2003年3月

[5]蓝信铝等.激光技术.第1版.科学出版社.2000:

104-108.

[6]周炳珉、高以智等.激光原理.第5版.国防工业出版社.2004:

234-236.

[7]伟力等.全固化飞秒激光器研究进展.光电子激光.1999,10（3）:

282-285.

[8]友清.第二代飞秒激光器.激光与光电子学进展.1995,7:

5-10.