電光開關(guan) 對被動鎖模激光器輸出脈衝(chong) 的影響

程晉明,李軍(jun)
 
( 中國工程物理研究院流體(ti) 物理研究所 109 室, 四川綿陽
 
621900)

摘要: 介紹了在被動鎖模激光器諧振腔中引入電光開關(guan) 對輸出脈衝(chong) 的影響, 初步探討了由於(yu) 引入電光開關(guan) 而引起輸出光波形變差的機理,對輸出能量穩定性和平均輸出能量提高的原因進行了分析。實驗結果表明, 引入電光開關(guan) 後, 諧振腔輸出能量穩 定性由 16.8% 提高 到 5.1% ,輸出能量平均值提高了25.8% 。在改善輸出光波形方麵進行了一些嚐試。
關(guan) 鍵詞: 被動鎖模激光器; 電光開關(guan) ; 鎖模波形

1引言
    盡管克爾透鏡鎖模飛秒激光器近年來發展迅速, 然而大量閃光燈泵浦的 N d: YAG 被動鎖
模皮秒激光器由於(yu) 輸出能量高, 在激光加工、激光醫療和激光檢測等方麵有著重要應用, 所以
仍然受到重視。但是, 它的運行機製決(jue) 定了無法用於(yu) 對同步要求較高的場合。若在被動鎖模
諧振腔內(nei) 加入電光開關(guan) , 可以將光脈衝(chong) 相對外觸發同步信號的抖動控製到納秒量級, 但隨之引
入了諸如脈衝(chong) 次結構和能量穩定性等問題。文獻[ 1] 報道了在被動鎖模諧振腔內(nei) 加入電光開
關(guan) 提高了激光器的同步性能, 但沒有討論由此帶來的影響。本文主要探討在被動鎖模諧振腔
內(nei) 加入電光開關(guan) 對輸出脈衝(chong) 的影響。
2理論分析
    G. H . C. New [ 2] 、W. H . Glenn\ [ 3\ ] 認為(wei) 超短脈衝(chong) 是由最初存在於(yu) 被動鎖模激光器自發噪
聲中的漲落脈衝(chong) 集合發展而成的。在泵浦開始階段, 反轉粒子數低於(yu) 閾值, 腔內(nei) 隻有自發輻射
場。由於(yu) 自發輻射的隨機性, 輻射場包括許多無規律漲落的噪聲脈衝(chong) , 噪聲脈衝(chong) 的峰值強度滿
足高斯幾率分布。這個(ge) 階段一直延續到激活介質的增益係數 增長到閾值點增益係數   0。在
線性放大階段, 隨著增益超過閾值, 自發輻射被放大。此時, 光脈衝(chong) 還比較弱, 各噪聲脈衝(chong) 經曆
相同的增益和損耗, 尖峰強度的幾率分布不變。噪聲輻射在腔內(nei) 往返振蕩, 自然選模, 在時域
形成準周期 T = 2L / c( L 為(wei) 光學腔長) 的噪聲漲落波群。光脈衝(chong) 經過線性放大階段, 噪聲漲落
波群中的漲落脈衝(chong) 數目減少, 寬度增大。當光脈衝(chong) 強度上升到接近染料的飽和強度 I s 時, 光
脈衝(chong) 的發展進入非線性階段。首先達到染料飽和強度的光脈衝(chong) 漂白染料, 它的損耗比其他較
弱的尖峰小因而優(you) 先增長, 波群中光脈衝(chong) 強度的對比度逐漸提高。染料的恢複時間足夠短, 強
脈衝(chong) 過後染料迅速恢複到高損耗狀態。經過充分振蕩後, 腔內(nei) 僅(jin) 存一個(ge) 峰值強度很高的單脈
衝(chong) , 相應地輸出時間間隔為(wei) T 的脈衝(chong) 序列。如果沒有經過足夠的往返次數, 腔內(nei) 還未甄別出
一個(ge) 最強脈衝(chong) , 或最強脈衝(chong) 與(yu) 弱脈衝(chong) 的強度相差不大, 就會(hui) 輸出帶有衛星脈衝(chong) 的不完全鎖模序
列。
    在腔內(nei) 加入電光開關(guan) 後的泵浦開始階段, 腔內(nei) 處於(yu) 低 Q 值狀態, 工作物質處於(yu) 貯能狀態;
在某一時刻打開開關(guan) , 腔內(nei) 很快恢複高 Q 值狀態, 建立高增益。在這種情況下, 不隻是最強的
脈衝(chong) , 相對較弱的脈衝(chong) 很快也可以漂白染料, 因此, 線性放大的過程很短。這一過程結束時, 還
存在許多個(ge) 強度較大的起伏峰值, 到非線性放大階段, 強度相對較小的起伏峰值也足以使染料
飽和而輸出脈衝(chong) 。因此, 最後輸出的不是單個(ge) 脈衝(chong) 序列。
標準具效應也會(hui) 使鎖模波形變差, 產(chan) 生衛星脈衝(chong) 。文獻[ 4] 分析了產(chan) 生這種效應的機製,
提出了減小這種效應的可行方法。本文討論的波形變差是在加電光開關(guan) 前、後, 染料盒的形
狀、位置和擺放角度都沒有變化的情況下產(chan) 生的, 所以可以確定標準具效應不是引起鎖模波形
變差的主要原因。

3實驗裝置及結果
       實驗裝置如圖1所示,諧振腔的兩(liang) 個(ge) 端麵分別為(wei) 平麵全反射鏡和曲率半徑為(wei) 9m ,透過率
為(wei) 50% 的凹麵半反射鏡諧振腔光學腔長為(wei) 1.6 m,激光激活介質是 Nd: YAG 晶體(ti) ,脈衝(chong) 氙
燈作泵源被動鎖模可飽和吸收體(ti) 是溶於(yu) 1,2 二氯乙烷的五甲川溶液,染料盒玻璃厚4 mm ,
 染料溶液層厚 0.8mm,2m m的小孔用來選橫模。腔內(nei) 加入電光開關(guan) 、KD* P 晶體(ti) 、偏振器
 以及高壓脈衝(chong) 發生器。圖 2 為(wei) 經過 200 倍衰減後測得的高壓脈衝(chong) 波形。氙燈附近由光電二極
管接收的光信號( 如圖 3 所示),經過整流後觸發高壓脈衝(chong) 發生器。圖3中的脈衝(chong) 包絡是氙燈
的發光波形, 包絡上突起的小尖峰與(yu) 氙燈開始泵浦時的時間間隔約為(wei) 140 s, 經過測量,與(yu) 諧
振腔輸出激光時刻一致, 從(cong) 而判斷這個(ge) 小尖峰為(wei) 光電二極管接收到的腔內(nei) 激光信號。

                                          圖1實驗裝置示意圖

  圖2經過衰減後的高壓脈衝(chong) 波形        圖3光電二極管接收的光信號