基于SESAM的Yb∶KYW飛秒激光器的研究

劉鳳芹，張百濤，孫曉莉，孫尚倩，高成勇，韓廣兵，徐建強

(山東大學 a.物理學院 物理國家級實驗教學示范中心；b.晶體材料國家重點實驗室，山東 濟南250100)

飛秒脈沖擁有優秀的時域和頻域特性，具有超短脈沖、寬光譜、高重復頻率、高峰值功率等特性，為微觀世界以及超快過程提供了全新的研究手段，對物理學、生物學、化學、醫學等多個學科的發展都產生了深遠影響[1-3]. 利用半導體二極管激光器泵浦，半導體可飽和吸收材料作為鎖模器件的被動鎖模技術，是目前獲得超短脈沖的重要方法. 1995年，U. Keller等首次利用反射式的半導體可飽和吸收鏡(Semiconductor saturable mirror,SESAM)實現了連續被動鎖模脈沖輸出[4]，利用SESAM鎖模的超快激光器研究已被開展起來[5-8]. SESAM被動鎖模激光器具有結構簡單緊湊、穩定度高、光束質量好等特性，在光纖通訊、材料加工、醫療、精密光譜學以及非線性頻率轉換等多個方面均有廣泛的應用價值和發展前景.

在SESAM被動鎖模中，在保證連續鎖模能夠穩定高質量運轉的同時，還要盡可能地壓縮脈沖寬度，提高輸出功率. SESAM的損耗、飽和通量、調制深度等參量影響激光脈沖的輸出特性，因此如何選擇合適的SESAM來提高輸出脈沖性能是鎖模激光器研究的關鍵問題. 本文利用調制深度為0.8%,2.4%和3.0%的SESAM，使用Yb∶KYW[Yb3+∶KY(WO4)2]晶體實現了被動鎖模脈沖輸出. 當SESAM調制深度變大時，獲得的鎖模脈寬變小. 通過合理的腔設計和色散補償，最終實現了365 fs的超快激光輸出.

1 實驗裝置

實驗裝置由泵浦源、激光工作物質、諧振腔和可飽和吸收元件SESAM等組成. 為了獲得高增益和高能量密度啟動及穩定鎖模，鎖模激光器一般使用多鏡折疊腔的結構. 采用5個腔鏡的W型諧振腔，如圖1所示. 輸入鏡M3為平鏡，前表面鍍976 nm増透膜，后表面鍍976 nm高透膜和1 020～1 100 nm高反膜(r>99.8%)，折疊鏡M2和M4的曲率半徑分別是500 mm和100 mm，M2和M4均對1 020～1 100 nm高反，輸出鏡OC是平面鏡，面向腔內的一面對1 020～1 100 nm的透過率為3%，另一面對1 020～1 100 nm高透. GTI1和GTI2為色散補償元件. 泵浦源為光纖耦合的半導體激光器，輸出中心波長為976 nm，光纖芯徑為105 μm，數值孔徑為0.22，經1∶1準直聚焦系統照射到激光晶體上，光斑半徑為52 μm. 激光晶體為Yb∶KYW，Yb∶KYW晶體具有高吸收系數和寬發射譜線，在1 035 nm波長處具有大的受激發射截面，且生長工藝成熟，可靠性好，是適合LD泵浦的飛秒激光晶體[9-10]. 使用的Yb∶KYW晶體Yb摻雜濃度為10%，結構尺寸為3 mm×3 mm×4 mm,切向為Np方向. 將Yb∶KYW用銦箔包裹后放入銅制的水冷熱沉中，用恒溫循環器循環冷卻，溫度控制在17 ℃，及時給Yb∶KYW晶體散熱. SESAM飽和吸收體工作中心波長為1 064 nm，調制深度分別為0.8%，2.4%，3.0%，飽和通量分別為90，70，50 μJ/cm2，非飽和損耗分別為0.7%，1.6%，2.0%.

圖1 實驗裝置圖

2 激光諧振腔設計

激光諧振腔是激光器的重要組成部分，是實現穩定高質量激光器運轉的關鍵. 全固態鎖模激光器常用的諧振腔型有Z型腔、X型腔和W型腔等. 綜合考慮泵浦中激光晶體的熱透鏡效應、腔的模體積、穩定條件等，采用W型腔開展實驗研究. W型腔可以增大晶體處模場面積，降低對泵浦光的要求，而且能夠提高輸出功率和轉換效率.

對諧振腔各個腔鏡之間的距離以及激光晶體和SESAM上光斑半徑等進行優化設計，以保證激光器的穩定運轉和激光輸出質量. 利用Mathcad軟件，根據腔鏡的曲率半徑和晶體的熱焦距，利用ABCD矩陣，計算出諧振腔的穩定區，確定各個腔鏡之間的位置關系，得到腔內振蕩激光光束分布. 當976 nm半導體激光通過聚焦系統入射到激光晶體時，會產生大量的熱量，在泵浦區域和未泵浦區域的交接處產生折射率梯度和光彈效應. 此時，激光晶體對光具有一定的聚焦作用，可看作是厚透鏡，產生了熱透鏡效應. 為了避免諧振腔本身的不穩定性對飛秒脈沖性能的影響，根據經驗，選擇熱焦距f=500 mm設計諧振腔. W型諧振腔的ABCD變換矩陣為

(1)

(2)

其中，Mt和Ms分別為橫切面和弧矢面的矩陣，d1為OC到M2的距離,d2為M2到M3的距離,d3為M3到M4的距離,d4為M4到SESAM的距離，R1，R2，R3，R4和R5分別是腔鏡OC(M1)，M2，M3，M4和SESAM(平面鏡)的曲率半徑，f代表熱焦距，α1，α2，α3和α4分別是OC，M2，M3和M4與入射激光的角度(角度設置是6°)，2個色散補償元件(Gires-tournois interferometer,GTI)GTI1和GTI2分別放置在M2和OC之間、M3和M4之間，與M2或M4的距離沒有嚴格的要求，因為平面鏡只會改變光束方向，其位置并不會影響腔內光斑的變化，可以根據實驗臺空間的大小進行選擇.

在諧振腔內的光束半徑可用下式計算[11]

(3)

其中λ為入射光波的波長.

圖2是腔內光斑隨輸入鏡位置變化的分布. 可以看出，橫切面和弧矢面的光束分布基本吻合，說明諧振腔內對像散進行了較好的補償. 在激光晶體Yb∶KYW處的光斑半徑約為57 μm，和泵浦光的入射光斑半徑相匹配，實現了較好的模式匹配. 在SESAM處的光斑半徑約為61 μm，在SESAM飽和吸收鏡上的能量密度適中，既易實現鎖模，又不因能量過高而損壞SESAM.

圖2 腔內光束分布

諧振腔各腔鏡之間距離的選取原則是：

1)要保證在晶體處，振蕩光斑與泵浦光斑相匹配；

2)考慮SESAM處的光斑，一般在幾十μm，使其能夠實現飽和又不至于損壞SESAM.

3 色散計算及補償

超快激光脈沖，特別是飛秒激光脈沖，其光譜很寬，因此在通過色散介質后脈沖的展寬現象會非常明顯，不利于實現窄脈沖輸出. 因此在飛秒激光器中，不僅需要對諧振腔光斑進行精確的設計，還需要研究色散的影響，色散的計算與補償對于脈沖的脈寬壓縮至關重要[12-13].

根據固體增益介質Yb∶KYW的折射率與波長的關系[14](Sellmeier公式)

(4)

其中，n為增益介質的折射率，λ為激光的波長，a=3.5 μm，b=0.24 μm，e=0.18 μm，g=-0.03 μm2. 經過厚度為l的增益介質時，產生的相位差Δφ為

(5)

其中，ω為激光的角頻率，c為光速. 將Δφ分別對ω求一階、二階和三階導數，即可得到脈沖經色散介質后引起的群延遲時間(Group delay time，GD)、群延遲色散(Group delay dispersion，GDD)和三階色散(Third-order dispersion，TOD). GD能夠導致脈沖包絡的整體延遲，GDD和TOD對脈沖壓縮有重要的影響，但TOD僅在脈寬極窄時才會有明顯作用，因此在本實驗過程中，只考慮GDD對脈沖寬度的影響作用. 根據

(6)

計算，3 mm×3 mm×4 mm的Yb∶KYW晶體產生色散量約1 200 fs2. 引入2個色散補償元件，GTI1在1000～1040nm提供約-1200fs2的群速度色散量，GTI2在980～1 130 nm能提供約-100 fs2的群速度色散量. 由于GDD會隨入射角產生較大的變化，可以由負變化到正，并且與波長呈非線性關系. 在實際調節過程中通過改變光束入射到GTI的角度來調節色散量. 由于Yb∶KYW產生的色散量較大，在放置GTI的過程中，GTI角度盡量小，以增大補償色散量.

4 實驗結果分析

圖3 SESAM1鎖模激光輸出功率隨吸收泵浦功率的變化

圖4 SESAM1鎖模的輸出脈沖序列

(a)輸出光譜

(b) 頻譜

(c) 自相關曲線

使用調制深度為2.4%的SESAM2，飽和通量為70 μJ/cm2. 精細調節SESAM2的角度及位置，再次實現連續鎖模運轉，但是鎖模閾值升高到6.5 W，由于調制深度變大，增大了插入損耗，導致鎖模閾值升高，得到最高輸出功率為140 mW. 輸出光譜[圖6(a)]展寬到3.8 nm，中心波長基本保持不變，位于1 051.8 nm處，脈沖寬度壓縮至377 fs,如圖6(b)所示.

(a)輸出光譜

(b)自相關曲線

更換調制深度為3.0%的SESAM3，飽和通量為50 μJ/cm2. 精細調節SESAM3的角度及位置，再次實現鎖模的穩定運轉. 鎖模閾值為7 W，最高輸出功率為130 mW，輸出光譜展寬到4.1 nm，中心波長基本保持不變，位于1 051.5 nm處，輸出激光脈沖寬度壓縮至365 fs. 圖7為基于SESAM3的輸出光譜和自相關曲線.

(a)輸出光譜

(b)自相關曲線

根據鎖模脈寬理論分析，增大調制深度能夠壓縮脈沖寬度，但是在本實驗中，脈寬壓縮不是非常明顯. 這是由于Yb∶KYW的三階非線性折射率較大，克爾效應明顯，實現了克爾透鏡鎖模，SESAM的作用是輔助作用，不如在摻Nd晶體的皮秒鎖模激光器中的作用明顯，能夠直接對脈寬進行調制. 由于脈沖的時間帶寬積比較大，說明腔內具有大量的色散未進行補償. 因此對于摻Yb的晶體鎖模來說，如果實現更窄的脈寬寬度，不僅要優化可飽和吸收體的參量，還要對腔內的色散進行合理補償.

下一步可嘗試利用棱鏡對補償色散，通過調控棱鏡對的距離來控制補償色散量，更容易對色散補償量進行靈活控制，由于棱鏡對的調節難度較大且對腔內的偏振態有特殊要求，因此，需要對晶體的切向和偏振態嚴格控制.

5 結束語

實現了基于半導體可飽和吸收鏡SESAM的Yb∶KYW全固態連續鎖模飛秒激光脈沖的穩定輸出. 基于被動鎖模技術，并且結合理論計算，使用Mathcad軟件設計了W型五鏡折疊腔，引入2塊GTI進行色散補償. 使用調制深度分別為0.8%，2.4%和3.0%的SESAM，最終得到最窄脈寬為365 fs，最高輸出功率為253 mW. 該實驗可以作為近代物理實驗中的創新實驗以及本科生的科研訓練實驗，學生在實驗中可以掌握復雜諧振腔設計原理，加深對激光器鎖模機制的理解，探索飽和吸收體參量對鎖模脈寬的影響，以及色散補償對于飛秒脈沖激光器的重要性.