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(qiáng)

(山東大學(xué) a.物理學(xué)院 物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心；b.晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250100)

飛秒脈沖擁有優(yōu)秀的時(shí)域和頻域特性，具有超短脈沖、寬光譜、高重復(fù)頻率、高峰值功率等特性，為微觀世界以及超快過(guò)程提供了全新的研究手段，對(duì)物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的發(fā)展都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[1-3]. 利用半導(dǎo)體二極管激光器泵浦，半導(dǎo)體可飽和吸收材料作為鎖模器件的被動(dòng)鎖模技術(shù)，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(dǎo)體可飽和吸收鏡(Semiconductor saturable mirror,SESAM)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)被動(dòng)鎖模脈沖輸出[4]，利用SESAM鎖模的超快激光器研究已被開(kāi)展起來(lái)[5-8]. SESAM被動(dòng)鎖模激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、穩(wěn)定度高、光束質(zhì)量好等特性，在光纖通訊、材料加工、醫(yī)療、精密光譜學(xué)以及非線性頻率轉(zhuǎn)換等多個(gè)方面均有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景.

在SESAM被動(dòng)鎖模中，在保證連續(xù)鎖模能夠穩(wěn)定高質(zhì)量運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，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(diào)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(lái)提高輸出脈沖性能是鎖模激光器研究的關(guān)鍵問(wèn)題. 本文利用調(diào)制深度為0.8%,2.4%和3.0%的SESAM，使用Yb∶KYW[Yb3+∶KY(WO4)2]晶體實(shí)現(xiàn)了被動(dòng)鎖模脈沖輸出. 當(dāng)SESAM調(diào)制深度變大時(shí)，獲得的鎖模脈寬變小. 通過(guò)合理的腔設(shè)計(jì)和色散補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)了365 fs的超快激光輸出.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由泵浦源、激光工作物質(zhì)、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(dòng)及穩(wěn)定鎖模，鎖模激光器一般使用多鏡折疊腔的結(jié)構(gòu). 采用5個(gè)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(duì)1 020～1 100 nm高反，輸出鏡OC是平面鏡，面向腔內(nèi)的一面對(duì)1 020～1 100 nm的透過(guò)率為3%，另一面對(duì)1 020～1 100 nm高透. GTI1和GTI2為色散補(bǔ)償元件. 泵浦源為光纖耦合的半導(dǎo)體激光器，輸出中心波長(zhǎng)為976 nm，光纖芯徑為105 μm，數(shù)值孔徑為0.22，經(jīng)1∶1準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)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(shù)和寬發(fā)射譜線，在1 035 nm波長(zhǎng)處具有大的受激發(fā)射截面，且生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)尺寸為3 mm×3 mm×4 mm,切向?yàn)镹p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(huán)器循環(huán)冷卻，溫度控制在17 ℃，及時(shí)給Yb∶KYW晶體散熱. SESAM飽和吸收體工作中心波長(zhǎng)為1 064 nm，調(diào)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(shí)驗(yàn)裝置圖

2 激光諧振腔設(shè)計(jì)

激光諧振腔是激光器的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高質(zhì)量激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵. 全固態(tài)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(yīng)、腔的模體積、穩(wěn)定條件等，采用W型腔開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究. W型腔可以增大晶體處模場(chǎng)面積，降低對(duì)泵浦光的要求，而且能夠提高輸出功率和轉(zhuǎn)換效率.

對(duì)諧振腔各個(gè)腔鏡之間的距離以及激光晶體和SESAM上光斑半徑等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證激光器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和激光輸出質(zhì)量. 利用Mathcad軟件，根據(jù)腔鏡的曲率半徑和晶體的熱焦距，利用ABCD矩陣，計(jì)算出諧振腔的穩(wěn)定區(qū)，確定各個(gè)腔鏡之間的位置關(guān)系，得到腔內(nèi)振蕩激光光束分布. 當(dāng)976 nm半導(dǎo)體激光通過(guò)聚焦系統(tǒng)入射到激光晶體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，在泵浦區(qū)域和未泵浦區(qū)域的交接處產(chǎn)生折射率梯度和光彈效應(yīng). 此時(shí)，激光晶體對(duì)光具有一定的聚焦作用，可看作是厚透鏡，產(chǎn)生了熱透鏡效應(yīng). 為了避免諧振腔本身的不穩(wěn)定性對(duì)飛秒脈沖性能的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇熱焦距f=500 mm設(shè)計(jì)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(shè)置是6°)，2個(gè)色散補(bǔ)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(méi)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)槠矫骁R只會(huì)改變光束方向，其位置并不會(huì)影響腔內(nèi)光斑的變化，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)空間的大小進(jìn)行選擇.

在諧振腔內(nèi)的光束半徑可用下式計(jì)算[11]

(3)

其中λ為入射光波的波長(zhǎng).

圖2是腔內(nèi)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(shuō)明諧振腔內(nèi)對(duì)像散進(jìn)行了較好的補(bǔ)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)鎖模，又不因能量過(guò)高而損壞SESAM.

圖2 腔內(nèi)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?qū)崿F(xiàn)飽和又不至于損壞SESAM.

3 色散計(jì)算及補(bǔ)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(guò)色散介質(zhì)后脈沖的展寬現(xiàn)象會(huì)非常明顯，不利于實(shí)現(xiàn)窄脈沖輸出. 因此在飛秒激光器中，不僅需要對(duì)諧振腔光斑進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)，還需要研究色散的影響，色散的計(jì)算與補(bǔ)償對(duì)于脈沖的脈寬壓縮至關(guān)重要[12-13].

根據(jù)固體增益介質(zhì)Yb∶KYW的折射率與波長(zhǎng)的關(guān)系[14](Sellmeier公式)

(4)

其中，n為增益介質(zhì)的折射率，λ為激光的波長(zhǎng)，a=3.5 μm，b=0.24 μm，e=0.18 μm，g=-0.03 μm2. 經(jīng)過(guò)厚度為l的增益介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)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(duì)ω求一階、二階和三階導(dǎo)數(shù)，即可得到脈沖經(jīng)色散介質(zhì)后引起的群延遲時(shí)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?qū)е旅}沖包絡(luò)的整體延遲，GDD和TOD對(duì)脈沖壓縮有重要的影響，但TOD僅在脈寬極窄時(shí)才會(huì)有明顯作用，因此在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只考慮GDD對(duì)脈沖寬度的影響作用. 根據(jù)

(6)

計(jì)算，3 mm×3 mm×4 mm的Yb∶KYW晶體產(chǎn)生色散量約1 200 fs2. 引入2個(gè)色散補(bǔ)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(huì)隨入射角產(chǎn)生較大的變化，可以由負(fù)變化到正，并且與波長(zhǎng)呈非線性關(guān)系. 在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中通過(guò)改變光束入射到GTI的角度來(lái)調(diào)節(jié)色散量. 由于Yb∶KYW產(chǎn)生的色散量較大，在放置GTI的過(guò)程中，GTI角度盡量小，以增大補(bǔ)償色散量.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)曲線

使用調(diào)制深度為2.4%的SESAM2，飽和通量為70 μJ/cm2. 精細(xì)調(diào)節(jié)SESAM2的角度及位置，再次實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)，但是鎖模閾值升高到6.5 W，由于調(diào)制深度變大，增大了插入損耗，導(dǎo)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(zhǎng)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(guān)曲線

更換調(diào)制深度為3.0%的SESAM3，飽和通量為50 μJ/cm2. 精細(xì)調(diào)節(jié)SESAM3的角度及位置，再次實(shí)現(xiàn)鎖模的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn). 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(zhǎng)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(guān)曲線.

(a)輸出光譜

(b)自相關(guān)曲線

根據(jù)鎖模脈寬理論分析，增大調(diào)制深度能夠壓縮脈沖寬度，但是在本實(shí)驗(yàn)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(yīng)明顯，實(shí)現(xiàn)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(duì)脈寬進(jìn)行調(diào)制. 由于脈沖的時(shí)間帶寬積比較大，說(shuō)明腔內(nèi)具有大量的色散未進(jìn)行補(bǔ)償. 因此對(duì)于摻Y(jié)b的晶體鎖模來(lái)說(shuō)，如果實(shí)現(xiàn)更窄的脈寬寬度，不僅要優(yōu)化可飽和吸收體的參量，還要對(duì)腔內(nèi)的色散進(jìn)行合理補(bǔ)償.

下一步可嘗試?yán)美忡R對(duì)補(bǔ)償色散，通過(guò)調(diào)控棱鏡對(duì)的距離來(lái)控制補(bǔ)償色散量，更容易對(duì)色散補(bǔ)償量進(jìn)行靈活控制，由于棱鏡對(duì)的調(diào)節(jié)難度較大且對(duì)腔內(nèi)的偏振態(tài)有特殊要求，因此，需要對(duì)晶體的切向和偏振態(tài)嚴(yán)格控制.

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)了基于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡SESAM的Yb∶KYW全固態(tài)連續(xù)鎖模飛秒激光脈沖的穩(wěn)定輸出. 基于被動(dòng)鎖模技術(shù)，并且結(jié)合理論計(jì)算，使用Mathcad軟件設(shè)計(jì)了W型五鏡折疊腔，引入2塊GTI進(jìn)行色散補(bǔ)償. 使用調(diào)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(shí)驗(yàn)可以作為近代物理實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以及本科生的科研訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可以掌握復(fù)雜諧振腔設(shè)計(jì)原理，加深對(duì)激光器鎖模機(jī)制的理解，探索飽和吸收體參量對(duì)鎖模脈寬的影響，以及色散補(bǔ)償對(duì)于飛秒脈沖激光器的重要性.