掺钛蓝宝石激光器

工业设备

掺钛蓝宝石激光器中产生自锁模的主要因素是由增益介质非线性克尔效应引起的自振幅调制、自相位调制和时域的色散。

发展历史

近年来,随着激光二极管产业的迅猛发展 ,由其抽运的全固态激光器(DPSSL)研究取得了巨大的进展。高平均功率全固态可调谐掺钛蓝宝石激光器由于具有峰值功率高、调谐范围宽、效率高、寿命长、工作可靠等优点,在激光光谱学、非线性光学、光刻技术、大气监测、激光医疗和科研等领域有着广泛的应用。全固态可调谐掺钛蓝宝石激光通过频率变换可将调谐范围扩展到蓝光、紫外和深紫外波段,是紫外动态光谱学和纳米级微机械加工中的重要调谐光源 ,其倍频产生的193 nm激光将成为最新一代光刻机使用的对准光源。

自 Maker 等首次报道激光二极管抽运的掺钛蓝宝石激光器(Ti∶ sapphire)以来 ,以各种方式运转的掺钛蓝宝石激光二极管抽运的全固态激光器一直成为激光领域的研究热点, 我国在此领域研究起步较晚,2002 年才首次实现准连续掺钛蓝宝石激光器的全固态运转。

2023年，耶鲁大学研究人员开发出首台芯片级掺钛蓝宝石激光器，这项突破的应用范围涵盖从原子钟到量子计算和光谱传感器。

钛宝石激光器

钛蓝宝石激光器 (简称钛宝石激光器 )是一种新型的固体可调谐激光器 , 除了具有结构简单、运转方便、性能稳定、寿命长、室温运转等一般固体激光器所具有的特点外 , 其最突出的特点是调谐范围宽 , 可输出从 660 nm至 1200 nm的连续可调谐激光 , 辅之以倍频技术 ,波长范围可以扩展到 330～ 600 nm[3 ] , 相当于多组染料所覆盖的激光波段的总和。但是可调谐钛宝石激光器的腔外倍频目前存在一个问题 , 就是针对在调谐范围内的某一特定波长 , 转动倍频晶体以改变入射角 , 实现角度相位匹配 , 当激光器调谐到另一波长时 , 又要适时地转动倍频晶体以改变入射角 , 实现角度相位匹配 , 当激光器调谐到另一波长时 , 又要适时地转动倍频晶体以重新满足角度相位匹配。

掺钛蓝宝石自锁模激光器是目前人们最感兴趣也最具有实用价值和理论意义的研究课题 .自锁模相对其它锁模方法可以得到很窄的锁模脉冲 ,因为其它锁模方法如主动锁模需要腔中加入各种锁模元件 ,这无疑会限制激光器的光谱宽度 ,从而限制了其输出脉冲宽度 .另外 ,一旦自锁模脉冲序列得以维持 ,其噪声远远低于其它锁模激光器 ,具有更好的稳定性 .人们对掺钛蓝宝石激光器自锁模的机理和其启动方法进行了大量的研究工作 ,但至今尚无统一的解释。

理论模型

掺钛蓝宝石激光器自锁模属于被动锁模 .从时域角度看 ,任何带有被动性质的锁模激光器腔内都存在这样的元件 ,它们首先从噪声中选取强度较大的脉冲作为脉冲序列的种子 ,然后利用其锁模器件的非线性效应使脉冲的前后沿的增益小于 1,而使脉冲中部的增益大于 1,脉冲在腔内往返过程中 ,不断被整形放大 ,脉冲宽度被压缩 ,直到稳定锁模 .在研究克尔透镜介质激光器初始脉冲的形成过程中 ,大量的实验证明 ,初始脉冲来自于谐振腔中最强的拍涨落 ,但是必须有足够强的自振幅调制 ( S AM )才能从涨落脉冲中筛选出起伏最大的涨落形成初始脉冲 .当这个初始脉冲形成之后 ,由于在钛宝石棒内光脉冲具有很高的峰值功率 ,而且作为增益介质的钛宝石棒很长 (相对于 CPM染料激光器中的喷膜厚度而言 ) ,即光脉冲在介质中行走距离较长 ,所以光脉冲由于介质的克尔效应 ,将会产生很强的自相位调制效应 ( SPM )以及正的二阶群速度色散 ( GV D) ,只有当自相位调制效应和正的二阶群速度色散与腔内存在的负群速度色散相平衡时 ,才能导致脉冲的窄化 ,形成稳定的自锁模窄脉冲 .按照被动锁模脉冲的形成过程 ,掺钛蓝宝石自锁模脉冲的形成机理中 ,增益介质克尔效应引起的自振幅调制 ,自相位调制及群速度色散起主要的作用 .设任意一个初始脉冲的脉冲函数为 V0 (t ) ,它在谐振腔内每循环一次 ,相当于各要素依次对该脉冲作用一次 .用 T 表示循环传递算符 ,则这种作用表达成算符形式为n+V1( t)= T Vn (t) ( 1)；T=A+eD+N( 2)

式中: A —— 振幅调制的算符 ;D—— 色散 ;N—— 克尔效应 ;Vn+ 1 (t ) , Vn (t)—— 光脉冲在腔内经过 n+ 1次、n次循环后的脉冲函数 .锁模脉冲的形成分为初始脉冲和稳定锁模脉冲两个阶段进行 .

掺钛蓝宝石激光器初始脉冲的形成

理论分析和大量的实验证明 ,连续运转的掺钛蓝宝石激光器中的噪声脉冲由于达不到锁模的启动阈值 ,故该种激光器的自锁模不能自启动 .必须首先在腔内引入一个瞬间扰动 ,如振动其腔镜 ,使谐振腔突然间失谐 ;腔内插入调制器 ,造成高损耗 .当腔镜复位时 ,腔中的光强产生强烈涨落脉冲 .当它们通过增益介质时 ,由于增益介质的非线性效应产生的自聚焦作用 ,并与腔内的光阑的结合等效于可饱和吸收体 ,这样强脉冲及脉冲中间部分由于强度大 ,比弱的脉冲及脉冲的边缘部分损耗小 ,通常损耗与强度成反比 ,这就是克尔效应导致的自振幅调制作用 .而且增益介质为线性放大 ,因此强脉冲越来越强 ,并被保存下来 ,而弱脉冲越来越弱 ,直至消失 .对于保存下来的脉冲 ,由于脉冲中间部分增益大 ,损耗小 ,脉冲边缘部分损耗大 ,增益小 ,得到了初步的压缩 ,这就是锁模的初始脉冲 .在这个阶段 ,增益介质的自振幅调制和增益线性放大起主要作用 .在计算过程中设初始脉冲是一个无啁啾的高斯脉冲 ,这时脉冲复振幅中虚部为零 ,而脉冲经过自相位调制和色散后其复振幅不再为零 .设循环到某一时刻其复振幅为Vn (t )= an (t )+ ibn (t ) ( 3) 。an (t )和 bn (t )均为实数 .其振幅调制由下式表示:

A=g - ( 1- K| Vn| 2 ) ( 4)；g=g 0 /( 1+ | Vn| 2 /| Vs| 2 ) ( 5)

式中: g 0—— 小信号增益 ;| Vs| 2—— 饱和光强 ;| Vn| 2— — 光脉冲的光强 ;k—— 与光强有关的增益 (正 )或损耗 (负 )系数 ;l—— 腔内线性总损耗 .由下式即可求得经过振幅调制后的脉冲复振幅 .Vn 1(t )= an 1(t )+ ibn 1(t )= eA Vn (t) ( 6)

掺钛蓝宝石激光器稳定锁模脉冲的形成

腔内初始锁模脉冲形成以后 ,由于它的峰值功率较大 ,所以在增益介质中由于克尔效应 ,脉冲产生自相位调制 ,严重地改变了脉冲的相位 ,其非线性折射率变化为

Δn= n2〈| Vn| 2〉 ( 7)；N=- iH| Vn| 2 ( 8)

式中: n2—— 激光介质的非线性折射率系数 ;H—— 光脉冲在腔内往返一周 ,单位功率引起的非线性相位移 ;H= 2πλΔn· L;L—— 激光介质长度 .又NeVn (t )= Vn 2( t)= an 2(t )+ ibn 2(t ) ( 9)

由式 ( 9)即求出经过自相位调制后的脉冲复振幅Vn 2 (t) ,自相位调制效应使脉冲的光谱展宽 ,使脉冲变成啁啾脉冲 .当光脉冲通过钛宝石棒时引起了二阶正群速度色散和三阶色散量 .色散的存在使脉冲的窄化受到了限制 .在计算中只考虑二阶色散效应 .则D=i D22 2 t( 10)式中: D—— 腔内往返一次的群速度色散量 .Vn 3(t )= an 3(t )+ ibn 3(t )= eiD 2 t2 2 Vn (t) ( 11)由式 ( 11)即可计算出经过二阶群速度色散后的脉冲复振幅 .

在这一阶段中光脉冲在钛宝石棒中的自振幅调制和增益放大仍起主要作用 .只是由于脉冲功率的增大 ,不可避免地产生自相位调制和正群速度色散 ,不利于进一步压缩脉宽 ,必须在腔内引入负群速度色散来补偿 SPM 和二阶正的 GV D,以便于压缩腔内脉冲宽度 ,当自振幅调制 ,自相位调制 ,正的群速度色散以及负的群速度色散效应达到平衡时 ,在腔内就会形成稳定的锁膜窄脉冲 .

利用式 ( 3)～式 ( 11)进行模拟计算所得的脉冲波形 .被选中的瞬间扰动脉冲 ,由于掺钛蓝宝石增益介质的线性放大及腔内自振幅调制作用 ,当在腔内经过若干次往返振荡后 ,形成了波形 ,脉宽得到了初始压缩 ,在此期间 ,计算表明自相位调制对脉冲形成的影响微不足道 .主要原因是脉冲不强 ,自相位调制太弱 .自锁模的第二阶段 .由于脉冲的峰值功率较大 ,光脉冲通过增益介质时产生了较强的自相位调制效应及正群速度色散 ,必须用负色散来补偿 .比较了有和无负色散补偿时对脉宽压缩的影响 ,从中可以看出 ,有负色散补偿的脉冲更窄一些 ,可见在此阶段 ,自相位调制及正群速度色散已经阻碍了脉冲的窄化过程 .

掺钛蓝宝石激光器中自锁模的关键是在引入外界启动机制的情况下 ,增益介质克尔效应引起自振幅调制、自相位调制和腔内的群速度色散 .这些参数的作用及相互制约与平衡 ,才能达到稳定的锁模运转 .但是如果有些参数选择不合理 ,也会导致锁模状态不稳定,当放大介质具有自聚焦的非线性特征时 ,光场通过介质所引起的相位变化H与光强 I有关 ,即H=2πλΔnL= 2πλn 2L〈|Vn| 2〉= ZI ( 12)式中: Z —— 非线性系数 ,Z = 2πλn2L.

由于腔中非线性放大介质存在 ,高斯光束的光强在横向空间分布上的变化 ,由式 ( 12)可知 ,将转化为相位的差异 .在衍射效应的作用下 ,这种相位差异最终又将进一步影响强度的分布 ,从而可能改变腔中光场的分布或引起时空不稳定 .腔中光场分布的不稳定性在时空域上表现出无规的行为 ,所以应合理地选择 Z参数使腔中光场分布处于稳定状态 .另外 ,由于增益介质的非线性效应引起的自振幅调制 ,等于在激光腔内加上一个弱周期振荡的增益调制 ,调制参数的变化可以使光场强度经过倍周期分叉进入混沌过程 ,同时光场具有周期或非周期脉冲时间结构.从数值计算中得知 ,当初始脉冲涨落比较弱时 (如光强为 1) ,脉宽压缩速度极其缓慢 ,这说明只有启动时产生较强的扰动 ,从而使被选中的涨落脉冲足够强(计算时选 300)才能使脉宽压缩速度增快 ,形成极窄的锁模脉冲 ,否则 ,激光器难以进入锁模状态。

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