克爾透鏡鎖模

克爾透鏡鎖模技術自發明以來得到了迅速發展。目前還在不斷地將這一技術推廣套用於新的雷射介質。它的理論描述 , 在軸對稱情況下已比較完善。對於在有色散介質中的傳輸 ,討論了它的一般特性 , 得到了有關的守恆量及脈寬束寬的微分方程。對2 + 1維的光束利用線性近似 , 得到了光束束寬的積分方程 , 再用數值法討論了具有像散的克爾透鏡鎖模腔的特性。但還不太完善。一是只能用於小功率情形 , 相對功率 p≤ 0. 5; 二是精度不高 ; 三是數值計算須解二階微分方程組 ,運算量太大。

基本介紹

• 中文名：克爾透鏡鎖模
• 外文名：kerr-lensmode-locked

在 固體雷射 系統 中克 爾 透鏡鎖模 已經 成為 產 生飛秒 脈衝的最有效技術之 一 。 由於克 爾介質的準 瞬時回響 , 在具有 長 的增 益衰 減 壽命 的 固體激 光器 中已實現 短 至 1 1 f s 的脈衝川 。 目前 , 這種技術不僅在 摻欽 蘭 寶 石 川 , 二極體激 光器 泵 浦的 Y L F和 Y A G 雷射 器 中獲得 應甩 , 而且 在理論上也 已作 了大量的分析及 數值計算。 但值得 指 出的是 , 目前 的實驗 和理論都是基於激 光 相干泵 浦 的鎖模雷射 器 , 且 增 益介質 同時起 到 克 爾介質的作 用 。 它 的優 點是結構 簡單 , 缺 點是克 爾 係數 不大 。 為 了 引入有大 克 爾系 數的介質 , 需要考 慮 增益 介質與 克 爾介質分離的情況 。 另外 , 對 於激 光 泵浦 的鎖模雷射器 , 增 益 介質 的熱效應 不是 至 關重要的。但在 用燈泵浦 的雷射器 中要 實現克 爾透鏡鎖模 , ( 比如 : 燈 泵浦 的 Y A G 雷射 器 ) , 增益介質 的熱透 鏡效 應對克爾透鏡鎖模 的影 響將會變得很大。 因 而 , 對 於這類雷射 器 , 討論它 們實 現克爾透鏡鎖模的熱 不靈敏條件是非 常必 要 的 。

超短脈衝的時空往返模型

第一次發現鈦寶石雷射器自鎖模 (也指克爾透鏡鎖模)到目前為止, 各國雷射物理研究人員對這種脈衝產生技術進行了各種闡述, 如今它成了超短脈衝產生的技術標準。 為了獲得最短的脈衝持續時間, 人們已經進行了大量的實驗研究工作, 特別是在精確控制雷射諧振腔方面。 該論文中描述的是一個啁啾稜鏡被專門用於高精度補償的積極的群速度色散( GVD), 高階相位色散, 以及套用於高摻雜雷射棒。 克爾透鏡來產生的飛秒脈衝已被套用於大多數固體雷射材料。固體雷射器通過諧振腔來進行鎖模形成隨時間和空間變化的雷射輻射。 中間工作介質是泵浦雷射晶體,它提供了有限的增益頻寬。 由於固體雷射材料增益脈衝, 可以得到增益飽和脈衝序列的平均能量。 在雷射晶體中的克爾效應在 SPM(自相位調製)時間內由雷射脈衝的自聚焦而引起。 自聚焦產生快速飽和的孔徑損失或 SAM(自振幅調製)。

Yb∶YAG 雷射器

隨著 InGaAs 半導體雷射器技術的日益成熟和吸收波段在 0. 9 ～ 1. 1 μ m , 具有寬的螢光譜線並能夠支持飛秒脈衝的摻 Yb3 +雷射材料研究的不斷發展,雷射二極體(LD)直接抽運摻 Yb3 +晶體的飛秒雷射器越來越受到人們的關注。其中 Yb∶ YAG 晶體具有不可比擬的優勢, 其優異的導熱性能(11 W /mK - 1)、高原子數分數摻雜(最高可達 30 %)和成熟的生長工藝 成為套用最廣泛的 摻 Yb3 + 激 光晶體。它在理論上可以支持小於 100 fs 的脈衝輸出, 並且具有高功率輸出的潛力, 國際上對 Yb∶YAG 晶體進行了大量 的鎖模脈衝輸出實 驗研究,目前可以測得的最窄脈衝寬度為 340 fs 。

在國內 ,天津大學利用半導體飽和吸收鏡進行了 Yb∶ YAG 晶體被動鎖模的實驗研究。用雷射二極體直接抽運實現克爾透鏡鎖模難度很大。原因在於, 克爾透鏡鎖模時抽運光在晶體內部形成軟光闌,到達晶體內部的光斑小,焦深長 。而雷射二極體輸出光發散角很大, 所以需要對抽運光嚴格整形。值得注意的是, 植村禎夫等採用傳統四鏡諧振腔內插入硬光闌的方法實現了克爾透鏡鎖模 。採用五鏡腔 , 在雷射二極體直接抽運的條件下在 Yb∶ YAG 雷射器中獲得了克爾透鏡鎖模脈衝序列 。認為五鏡腔可能更有利於克爾透鏡鎖模的啟動而且不需要用硬光闌。

1991 年 Spence 等首次實現 Ti∶ sapphire 雷射器的自鎖模運轉, 獲得 60 fs 的雷射脈衝。在以後的幾年內,固體雷射器的自鎖模技術得到了飛速發展 ,理論和實驗研究不斷深入 。始於 Ti∶ sapphire 飛秒雷射器的自鎖模技術很快就擴展到其他固體雷射器。 例如, 1992 年 K . X .Liu 等利用 Nd∶ YAG 同時作為增益介質和克爾介質 ,實現了二極體抽運的 Nd∶ YAG 雷射器的克爾透鏡鎖模, 獲得 8. 5 ps 的雷射脈衝。 儘管 Nd ∶YAG 的 螢光 線 寬窄 (～ 13cm-1), 難以獲得飛秒量級的光脈衝, 但它的量子效率高 、雷射上能級壽命長(～ 230 μ s)、受激輻射截面大,具有優良的力學和熱學性能,可用氙燈或氪燈抽運,能獲得高能量雷射輸出, 所以對 Nd∶ YAG 鎖模雷射器的研究仍然有很大意義。目前脈衝式 Nd∶YAG 雷射器普遍採用有機染料( 例如五甲川)作為可飽和吸收體實現被動鎖模。

實驗裝置：

雷射二極體抽運 Yb∶ YAG 晶體克爾透鏡鎖模實驗裝置採用五鏡諧振腔結構 。 Yb∶YAG 晶體以布儒斯特角切割 ,晶體通光方向的長度為 3 m m ,摻雜原子數分數為 10 %。 M1 和 M2 是鍍有對抽運光高透和對振盪光高反雙色膜的凹面反射鏡,其曲率半徑分別為 R1 =R2 =75 m m 。 M3 是凹面全反鏡 ,曲率半徑 R3 =50 mm 。 M4 是 2 %耦合輸出鏡 。M′ 4 和 M5 是全反鏡。 P1 和 P2 是布儒斯特角切割的重火石玻璃(ZF4)稜鏡對, 稜鏡對間隔為275 mm , 對於中心波長 1038 nm , 此時引入的二階色散量和三階色散量分別為 - 3028 fs2 和 - 11000fs3,腔內晶體和稜鏡對共同引入的二階和三階色散量分別為 2989 fs2 和 8023 fs3 。總腔長為 160 cm ,像散補償角半角為 8°。雷射二極體是抽運源, 波長為 930 nm ,發光截面為 1 μ m ×100 μ m ,最大輸出功率為 3 W 。抽運光經過整形系統, 近似變為平行光 ,然後經過焦距為 45 mm 的會聚透鏡 L 將抽運光聚焦到晶體上 ,到達晶體內部光斑尺寸約為 50 μ m ×30μ m。