电光开关对被动锁模激光器输出脉冲的影响

程晋明,李军
 
( 中国工程物理研究院流体物理研究所 109 室, 四川绵阳
 
621900)

摘要: 介绍了在被动锁模激光器谐振腔中引入电光开关对输出脉冲的影响, 初步探讨了由于引入电光开关而引起输出光波形变差的机理,对输出能量稳定性和平均输出能量提高的原因进行了分析。实验结果表明, 引入电光开关后, 谐振腔输出能量稳 定性由 16.8% 提高 到 5.1% ,输出能量平均值提高了25.8% 。在改善输出光波形方面进行了一些尝试。
关键词: 被动锁模激光器; 电光开关; 锁模波形

1引言
    尽管克尔透镜锁模飞秒激光器近年来发展迅速, 然而大量闪光灯泵浦的 N d: YAG 被动锁
模皮秒激光器由于输出能量高, 在激光加工、激光医疗和激光检测等方面有着重要应用, 所以
仍然受到重视。但是, 它的运行机制决定了无法用于对同步要求较高的场合。若在被动锁模
谐振腔内加入电光开关, 可以将光脉冲相对外触发同步信号的抖动控制到纳秒量级, 但随之引
入了诸如脉冲次结构和能量稳定性等问题。文献[ 1] 报道了在被动锁模谐振腔内加入电光开
关提高了激光器的同步性能, 但没有讨论由此带来的影响。本文主要探讨在被动锁模谐振腔
内加入电光开关对输出脉冲的影响。
2理论分析
    G. H . C. New [ 2] 、W. H . Glenn\ [ 3\ ] 认为超短脉冲是由最初存在于被动锁模激光器自发噪
声中的涨落脉冲集合发展而成的。在泵浦开始阶段, 反转粒子数低于阈值, 腔内只有自发辐射
场。由于自发辐射的随机性, 辐射场包括许多无规律涨落的噪声脉冲, 噪声脉冲的峰值强度满
足高斯几率分布。这个阶段一直延续到激活介质的增益系数 增长到阈值点增益系数   0。在
线性放大阶段, 随着增益超过阈值, 自发辐射被放大。此时, 光脉冲还比较弱, 各噪声脉冲经历
相同的增益和损耗, 尖峰强度的几率分布不变。噪声辐射在腔内往返振荡, 自然选模, 在时域
形成准周期 T = 2L / c( L 为光学腔长) 的噪声涨落波群。光脉冲经过线性放大阶段, 噪声涨落
波群中的涨落脉冲数目减少, 宽度增大。当光脉冲强度上升到接近染料的饱和强度 I s 时, 光
脉冲的发展进入非线性阶段。首先达到染料饱和强度的光脉冲漂白染料, 它的损耗比其他较
弱的尖峰小因而优先增长, 波群中光脉冲强度的对比度逐渐提高。染料的恢复时间足够短, 强
脉冲过后染料迅速恢复到高损耗状态。经过充分振荡后, 腔内仅存一个峰值强度很高的单脉
冲, 相应地输出时间间隔为 T 的脉冲序列。如果没有经过足够的往返次数, 腔内还未甄别出
一个最强脉冲, 或最强脉冲与弱脉冲的强度相差不大, 就会输出带有卫星脉冲的不完全锁模序
列。
    在腔内加入电光开关后的泵浦开始阶段, 腔内处于低 Q 值状态, 工作物质处于贮能状态;
在某一时刻打开开关, 腔内很快恢复高 Q 值状态, 建立高增益。在这种情况下, 不只是最强的
脉冲, 相对较弱的脉冲很快也可以漂白染料, 因此, 线性放大的过程很短。这一过程结束时, 还
存在许多个强度较大的起伏峰值, 到非线性放大阶段, 强度相对较小的起伏峰值也足以使染料
饱和而输出脉冲。因此, 最后输出的不是单个脉冲序列。
标准具效应也会使锁模波形变差, 产生卫星脉冲。文献[ 4] 分析了产生这种效应的机制,
提出了减小这种效应的可行方法。本文讨论的波形变差是在加电光开关前、后, 染料盒的形
状、位置和摆放角度都没有变化的情况下产生的, 所以可以确定标准具效应不是引起锁模波形
变差的主要原因。

3实验装置及结果
       实验装置如图1所示,谐振腔的两个端面分别为平面全反射镜和曲率半径为9m ,透过率
为50% 的凹面半反射镜谐振腔光学腔长为 1.6 m,激光激活介质是 Nd: YAG 晶体,脉冲氙
灯作泵源被动锁模可饱和吸收体是溶于1,2 二氯乙烷的五甲川溶液,染料盒玻璃厚4 mm ,
 染料溶液层厚 0.8mm,2m m的小孔用来选横模。腔内加入电光开关、KD* P 晶体、偏振器
 以及高压脉冲发生器。图 2 为经过 200 倍衰减后测得的高压脉冲波形。氙灯附近由光电二极
管接收的光信号( 如图 3 所示),经过整流后触发高压脉冲发生器。图3中的脉冲包络是氙灯
的发光波形, 包络上突起的小尖峰与氙灯开始泵浦时的时间间隔约为 140 s, 经过测量,与谐
振腔输出激光时刻一致, 从而判断这个小尖峰为光电二极管接收到的腔内激光信号。

                                          图1实验装置示意图

  图2经过衰减后的高压脉冲波形        图3光电二极管接收的光信号