非線性晶體對皮秒SESAM被動鎖模激光器脈寬的影響

趙書云,方 聰,李一凡,秘國江

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1,由四個腔鏡、Nd∶YVO4激光晶體和SESAM半導體可飽和吸收體組成雙Z型腔。腔鏡為兩個平面鏡M2和M3,兩個曲率為400 mm的平凹鏡M1和M4,除了輸出鏡M3其它鏡片都鍍1064 nm的高反膜,輸出鏡的反射率為95 %。a切割的Nd3+∶YVO4摻雜濃度為0.5 %,尺寸為3 mm×3 mm×5 mm,晶體泵浦輸入端面為平面,鍍1064 nm高反和808 nm高透膜,晶體另一端面切一個小角度,鍍1064 nm高透膜,激光晶體用銦紙包裹后放到銅塊上,由TEC精確控溫。泵浦光纖的芯徑為200 μm,數值孔徑NA為0.22,雙耦合球面鏡焦距為25 mm,L1、L2、L3、L4和L5的長度分別為265 mm、381 mm、538 mm、510 mm和240 mm。諧振腔中激光晶體上的光斑半徑為189 μm,SESAM上的光斑半徑為40 μm。SESAM固定在一個銅熱沉上,在1030 nm到1110 nm處反射率大于99 %,在1064 nm處SESAM的飽和吸收系數為2 %,飽和通量為50 μJ/cm2,飽和恢復時間小于10 ps。倍頻晶體放在SESAM前10 mm處。倍頻晶體KTP(3 mm×3 mm×3.6 mm,3 mm×3 mm×10 mm,3 mm×3 mm×12 mm) II類臨界相位匹配角(θ=90°,Φ=23.5°),S1:AR@1064 nm/532 nm,S2:AR@1064 nm/532 nm；LBO(4 mm×4 mm×10 mm,4 mm×4 mm×11 mm,4 mm×4 mm×12 mm )I類臨界相位匹配角(θ=90°,Φ=11.4°),S1:AR@1064 nm/532 nm,S2:AR@1064 nm/532 nm。快速的光電管GT101探測鎖模輸出波形,如圖2所示,鎖模脈沖間隔為11.8 ns,重復頻率為85 MHz。示波器為TEK公司生產的TDS3054C Digital Phosphor Oscilloscope 500 MHz。

圖1 諧振腔示意圖Fig.1 Schematic of Cavity

圖2 連續鎖模輸出序列圖Fig.2 Oscilloscope trace of cw mode-locked pulses

3 實驗結果和討論

非線性晶體在超短脈沖激光器中脈寬壓縮的品質因數F[8]:

(1)

(2)

F為品質因素；lg為品質因素特征量；n為折射率；

實驗中,先把半導體泵浦的Nd∶YVO4半導體可吸收體(SESAM)被動鎖模激光器調節穩定鎖模,用APE公司生產的PulseCheck型自相關儀測量鎖模脈寬為8.7 ps。在腔內插入I類臨界相位匹配的LBO晶體,在相位失配的情況下,LBO晶體有兩個作用:一發生雙光子吸收,降低了調Q和鎖模之間的臨界腔內能量,使鎖模穩定；二發生了自相位調制,引起脈沖頻譜加寬具體的分析見A.Agnesi發表的論文[9],圖3所示不同長度的LBO晶體在相位失配的情況下,脈寬高斯擬合曲線圖,脈寬壓縮基本相同為4.8 ps,實驗和A.Agnesi的理論相符合。而對于I類臨界相位匹配的LBO晶體,脈寬進一步的壓縮受群速度色散的限制,因此如果在腔內進一步補償群速度色散,脈寬能進一步壓縮。

圖3 不同長度的LBO晶體脈寬曲線圖Fig.3 Autocorrelation signal of the pulses for mode-locked laserusing the dual ML Technique in different crystal length

腔內插入II類o+e→e相位匹配KTP晶體,對不同長度的晶體進行測量,脈寬如圖4,晶體長度3.6 mm脈寬為12.8 ps,10 mm脈寬為42.8 s,12 mm晶體脈寬為63 ps。每塊晶體都對脈寬進行了展寬。展寬原理如下[8,10]:II類相位匹配的KTP和腔內的激光晶體Nd3+∶YVO4組合成了雙折射濾波器,對線寬進行了壓窄。晶體長度越長,自由光譜區越小,線寬也就越窄,脈寬展寬越寬。實驗中10 mm的晶體和激光晶體形成的雙折射濾波片的自由光譜區330 GHz,帶寬為165 GHz。Nd3+∶YVO4晶體在1064 nm波長處的增益線寬為338 GHz。對于II類o+e→e相位匹配KTP晶體群速度色散,對展寬也有一定的影響,由于使用的KTP晶體長度遠小于群速度失配決定的晶體長度。所以群速度失配對于脈寬的展寬不起主要作用。

圖4 不同長度的KTP晶體脈寬曲線圖Fig.4 Autocorrelation signal of the pulses for mode-lockedlaser using the dual ML Technique

同樣在非線性晶體鎖模時,I類臨界相位匹配的晶體鎖模輸出的脈寬比II類o+e→e相位匹配晶體鎖模出來的脈寬窄[7,11]。具體原因也是如上所述。

4 結 論

首次進行了LD泵浦的Nd∶YVO4SESAM被動鎖模中,利用I類相位匹配LBO晶體和II類相位匹配KTP晶體進行脈寬壓縮和展寬的工作原理和實驗研究,得到了I類相位匹配LBO在相位失配時,在保證鎖模穩定條件下,可以把激光脈沖寬度從8.7 ps壓縮到4.8 ps。腔內插入不同厚度II類相位匹配KTP晶體,可以把激光脈寬展寬到12.8 ps、42.8 ps甚至63 ps。