固體激光器中正交偏振模式間增益競爭的分析

梁興波 王超 王文濤 劉磊 唐曉軍

摘要：從姆半激沅理論中能夠清楚的了解到，固體激沅器當中所包含的兩個模式其是不是可以統一進行振蕩主要是看兩個模式間所形成的耦合度情況，可以稱作是增益競爭所形成的互飽、系數同自飽、系數間的比值。在實驗過程中，通過使用兩組相應規格的波片構設雙頻固體激光器，由此完成了頻差從30兆赫到1.3吉赫可以連續調節的雙頻式激光輸出。在此前提下，對兩個正交偏振模式其在不同頻差環境下所輸出的噪音功率密度進行測量，并計算得出，兩個表征模式間的增益競爭程度下的耦合系數。從理論上來看，結合蘭姆半理論能夠推理出耦合系系表達方式，由此可以證明，實驗當中的耦合系數是隨頻差增大而變小，同時還對改變耦合系數的影響因素進行了分析，這樣可以為雙頻固體激光器的優化提供參考。

關鍵詞：固體激光器；正交偏振模式；增益競爭；影響因素

雙頻激光在激光雷達方面的應用空間非常大，現時期情況下所形成的雙頻激光方法主要包含空間分離合束法、聲光移頻頻合、雙折射晶體法等，在此當中雙折射晶體法因為穩定性較好，并且頻差調整空間較大，同時率效也較高，這些優質獲得人們的大力關注及廣泛應用。雙折射法通過腔內雙折射部件進行正交偏振式的頻率分裂，然在激光振蕩期間，正交偏振模式會向光軸方向產生兩種駐波場，所以在增益介質當中，反轉粒子其數密度會同時在空間產生燒孔，因為兩種模式所形成的燒孔有重疊之處，所以兩種模式間存在一定的競爭現象。

1.雙頻激光器研究及實驗

雙頻激光器所用的是LD端而的抽運固體激光器晶體，在此當中在固體激光器晶體左端一面鍍808nm式高透膜和1064nm式高反膜來當作抽運光輸入端的腔鏡結構，右端一面的不鍍膜其晶體厚度為1毫米。輸出耦合鏡是曲率半徑為100毫米的凹面鏡所構成，其在1064nm式激光器中的透過率達到了5%，腔長為50毫米。腔內耦合腔會讓激光器出現單縱模振蕩，二級管泵浦固體激光器使單縱模中的兩個正交偏振模形成頻率分裂，在此情況下的頻差則是 ，在此當中 代表的是兩波片中崗位軸間的夾角，C代表的是真空下的光速，旋轉第二組二級管泵浦固體激光器可以使夾角發生變化，由此便可以求出頻差調節后的雙頻激光輸出值。腔內插入規格直徑是0.5毫米的小孔光闌，以用來對高階橫模振蕩進行控制。固體激光器所輸出的功率在40兆瓦的時候，通過調整兩波片中崗位軸間的夾角，能夠得出不同頻差下雙頻激光的輸出值，所輸出的激光經過法布里珀羅干涉儀器掃描以后，會顯示在波器上，在此過程中， 代表的是法布里珀羅干涉儀掃描的時間，每個掃描時間所對應的是不同的頻差[1]。兩波片間的角度如發生改變會使兩波片中崗位軸間的夾角在0到45度間不斷轉變，從理論上來說，當兩波片中崗位軸間的夾角在45度的時候，可求得最大頻差為 ，然而在實踐操作過程中，如果當兩波片中崗位軸間的夾角接近于45度的時候，固體激光器會出現跳模的情況。

2.耦合系數

結合蘭姆半理論可以發現，不同的激沅模式間各自產生的影響可以用耦合系數C來代表，即可定義成。C值如果不斷增大就說明兩個模式之間所形成的耦合競爭就會越明顯，同時也會越難形成統一振蕩，相反，如果C值不斷普通小，就會較易形成雙模的同時振蕩，由此形成雙頻輸出的現象。在此當中的和所代表的是自飽和系數與互飽和系數。假如激光器腔長變小，則因為最大頻差的關系，會使縱模頻率的間距變大，雙頻頻差這時的比例也會有所變大，也就是兩模頻率相對中心頻率偏移量而不斷增大，最后就會造成洛化茲函數與各 函數不斷減小，同時也會讓耦合系數不斷變小，所以在此情況下更易獲得雙模統一時間下的振蕩輸出。在本實驗當中所構設的雙頻激法器當中，因為雙頻頻差比激光物質增益線寬小，可以看作是自飽和系數與互飽和系數相等固體激光器晶體在腔的其中一端并且與共振條件相近的情況下會使 ，因此 ，最后所得出的必定是抽運功率情況下的耦合系數，即為 。在實驗過程中因為所使用的激沅器能夠滿足 ，在此當中 代表的是抽運速率[2]。所以，耦合系數便可表示成 在公式當中 代表的是同相噪聲頻率，其主要是由固體激光器的弛豫蕩所形成的， 則表示的是反相噪聲頻率，其則主要是由兩偏振模式間增益競爭所造成的光強起伏變動所產生的。對不同頻差下的其中一個偏振方向偏振態激光其歸一化噪聲功率的譜密度進行測量，其中左峰值形成的是反相噪聲，而右側峰值則是同相噪聲，同時結合耦合系數公式計算得出不同頻差下所形成的耦合系數。經過實驗測量所獲得的耦合系數同頻差間存在一定的關系，從此關系當中能夠發現其耦合系數值都小于0.8，并且伴隨頻差的不斷增大耦合系數值會有所變動，值會相對變小，所以由此可以證明，頻差在250兆赫的到1吉赫的區間內，都可獲得平穩的雙頻激光輸出值，同時頻差也會變大，兩模式間相互間所存在的競爭非常小，這時更加容易產生同時間的振蕩[3]。根據抽運功率下的耦合系數公式可以對在不同晶體長度下的耦合系數值及模式間的頻差，當頻差在0到50吉赫內的時候，從關系曲線中能夠看出，耦合系數隨頻差的不斷增大而使周期發生變化，并且幅值也在不斷降低，變化周期和晶體的長度形成反比現象。在晨大頻差在4.5吉赫以內的時候，耦合系數據會出現輕微的變小，并且還能夠發現，晶體長度增大，耦合系數會有更明顯的下降，如此情況下，更易達成大頻差雙模同一時間發生振蕩[4]。

3.結語

總體來說，利用兩個四分之一的波片來當作腔內的雙折射元件，而構設的固體雙頻激光器，得出頻差連續并且可調控的雙頻激光輸出值，依據耦合系數公式，進行計算可以證明增大激光器腔長和增大介質長度及頻差都會使耦合系數值不斷變小，這種方法為提升雙頻固體激光器其安全穩定性奠定了理論基礎。

參考文獻

[1]肖光宗，龍興武，張斌，etal.Y型腔正交偏振激光器的模競爭和光強調諧特性[J].中國激光，2011，38（3）.

[2]李磊，趙長明，張鵬，etal.激光二極管抽運頻差可調諧雙頻固體激光器的研究[J].物理學報，2007，56（5）.

[3]龔夢帆，肖光宗，傅楊穎，etal.一體化Y 型腔正交偏振氦氖激光器的基本特性研究[J].激光與光電子學進展，2015，52（12）.

[4]張鵬，李磊，楊蘇輝，etal.激光二極管泵浦可調頻差雙頻固體激光器[C]// 二〇〇六年全國光電技術學術交流會.2006.

（作者單位：華北光電技術研究所）