基于SESAM的Yb∶KYW飞秒激光器的研究

刘凤芹，张百涛，孙晓莉，孙尚倩，高成勇，韩广兵，徐建强

(山东大学 a.物理学院 物理国家级实验教学示范中心；b.晶体材料国家重点实验室，山东 济南250100)

飞秒脉冲拥有优秀的时域和频域特性，具有超短脉冲、宽光谱、高重复频率、高峰值功率等特性，为微观世界以及超快过程提供了全新的研究手段，对物理学、生物学、化学、医学等多个学科的发展都产生了深远影响[1-3]. 利用半导体二极管激光器泵浦，半导体可饱和吸收材料作为锁模器件的被动锁模技术，是目前获得超短脉冲的重要方法. 1995年，U. Keller等首次利用反射式的半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable mirror,SESAM)实现了连续被动锁模脉冲输出[4]，利用SESAM锁模的超快激光器研究已被开展起来[5-8]. SESAM被动锁模激光器具有结构简单紧凑、稳定度高、光束质量好等特性，在光纤通讯、材料加工、医疗、精密光谱学以及非线性频率转换等多个方面均有广泛的应用价值和发展前景.

在SESAM被动锁模中，在保证连续锁模能够稳定高质量运转的同时，还要尽可能地压缩脉冲宽度，提高输出功率. SESAM的损耗、饱和通量、调制深度等参量影响激光脉冲的输出特性，因此如何选择合适的SESAM来提高输出脉冲性能是锁模激光器研究的关键问题. 本文利用调制深度为0.8%,2.4%和3.0%的SESAM，使用Yb∶KYW[Yb3+∶KY(WO4)2]晶体实现了被动锁模脉冲输出. 当SESAM调制深度变大时，获得的锁模脉宽变小. 通过合理的腔设计和色散补偿，最终实现了365 fs的超快激光输出.

1 实验装置

实验装置由泵浦源、激光工作物质、谐振腔和可饱和吸收元件SESAM等组成. 为了获得高增益和高能量密度启动及稳定锁模，锁模激光器一般使用多镜折叠腔的结构. 采用5个腔镜的W型谐振腔，如图1所示. 输入镜M3为平镜，前表面镀976 nm増透膜，后表面镀976 nm高透膜和1 020～1 100 nm高反膜(r>99.8%)，折叠镜M2和M4的曲率半径分别是500 mm和100 mm，M2和M4均对1 020～1 100 nm高反，输出镜OC是平面镜，面向腔内的一面对1 020～1 100 nm的透过率为3%，另一面对1 020～1 100 nm高透. GTI1和GTI2为色散补偿元件. 泵浦源为光纤耦合的半导体激光器，输出中心波长为976 nm，光纤芯径为105 μm，数值孔径为0.22，经1∶1准直聚焦系统照射到激光晶体上，光斑半径为52 μm. 激光晶体为Yb∶KYW，Yb∶KYW晶体具有高吸收系数和宽发射谱线，在1 035 nm波长处具有大的受激发射截面，且生长工艺成熟，可靠性好，是适合LD泵浦的飞秒激光晶体[9-10]. 使用的Yb∶KYW晶体Yb掺杂浓度为10%，结构尺寸为3 mm×3 mm×4 mm,切向为Np方向. 将Yb∶KYW用铟箔包裹后放入铜制的水冷热沉中，用恒温循环器循环冷却，温度控制在17 ℃，及时给Yb∶KYW晶体散热. SESAM饱和吸收体工作中心波长为1 064 nm，调制深度分别为0.8%，2.4%，3.0%，饱和通量分别为90，70，50 μJ/cm2，非饱和损耗分别为0.7%，1.6%，2.0%.

图1 实验装置图

2 激光谐振腔设计

激光谐振腔是激光器的重要组成部分，是实现稳定高质量激光器运转的关键. 全固态锁模激光器常用的谐振腔型有Z型腔、X型腔和W型腔等. 综合考虑泵浦中激光晶体的热透镜效应、腔的模体积、稳定条件等，采用W型腔开展实验研究. W型腔可以增大晶体处模场面积，降低对泵浦光的要求，而且能够提高输出功率和转换效率.

对谐振腔各个腔镜之间的距离以及激光晶体和SESAM上光斑半径等进行优化设计，以保证激光器的稳定运转和激光输出质量. 利用Mathcad软件，根据腔镜的曲率半径和晶体的热焦距，利用ABCD矩阵，计算出谐振腔的稳定区，确定各个腔镜之间的位置关系，得到腔内振荡激光光束分布. 当976 nm半导体激光通过聚焦系统入射到激光晶体时，会产生大量的热量，在泵浦区域和未泵浦区域的交接处产生折射率梯度和光弹效应. 此时，激光晶体对光具有一定的聚焦作用，可看作是厚透镜，产生了热透镜效应. 为了避免谐振腔本身的不稳定性对飞秒脉冲性能的影响，根据经验，选择热焦距f=500 mm设计谐振腔. W型谐振腔的ABCD变换矩阵为

(1)

(2)

其中，Mt和Ms分别为横切面和弧矢面的矩阵，d1为OC到M2的距离,d2为M2到M3的距离,d3为M3到M4的距离,d4为M4到SESAM的距离，R1，R2，R3，R4和R5分别是腔镜OC(M1)，M2，M3，M4和SESAM(平面镜)的曲率半径，f代表热焦距，α1，α2，α3和α4分别是OC，M2，M3和M4与入射激光的角度(角度设置是6°)，2个色散补偿元件(Gires-tournois interferometer,GTI)GTI1和GTI2分别放置在M2和OC之间、M3和M4之间，与M2或M4的距离没有严格的要求，因为平面镜只会改变光束方向，其位置并不会影响腔内光斑的变化，可以根据实验台空间的大小进行选择.

在谐振腔内的光束半径可用下式计算[11]

(3)

其中λ为入射光波的波长.

图2是腔内光斑随输入镜位置变化的分布. 可以看出，横切面和弧矢面的光束分布基本吻合，说明谐振腔内对像散进行了较好的补偿. 在激光晶体Yb∶KYW处的光斑半径约为57 μm，和泵浦光的入射光斑半径相匹配，实现了较好的模式匹配. 在SESAM处的光斑半径约为61 μm，在SESAM饱和吸收镜上的能量密度适中，既易实现锁模，又不因能量过高而损坏SESAM.

图2 腔内光束分布

谐振腔各腔镜之间距离的选取原则是：

1)要保证在晶体处，振荡光斑与泵浦光斑相匹配；

2)考虑SESAM处的光斑，一般在几十μm，使其能够实现饱和又不至于损坏SESAM.

3 色散计算及补偿

超快激光脉冲，特别是飞秒激光脉冲，其光谱很宽，因此在通过色散介质后脉冲的展宽现象会非常明显，不利于实现窄脉冲输出. 因此在飞秒激光器中，不仅需要对谐振腔光斑进行精确的设计，还需要研究色散的影响，色散的计算与补偿对于脉冲的脉宽压缩至关重要[12-13].

根据固体增益介质Yb∶KYW的折射率与波长的关系[14](Sellmeier公式)

(4)

其中，n为增益介质的折射率，λ为激光的波长，a=3.5 μm，b=0.24 μm，e=0.18 μm，g=-0.03 μm2. 经过厚度为l的增益介质时，产生的相位差Δφ为

(5)

其中，ω为激光的角频率，c为光速. 将Δφ分别对ω求一阶、二阶和三阶导数，即可得到脉冲经色散介质后引起的群延迟时间(Group delay time，GD)、群延迟色散(Group delay dispersion，GDD)和三阶色散(Third-order dispersion，TOD). GD能够导致脉冲包络的整体延迟，GDD和TOD对脉冲压缩有重要的影响，但TOD仅在脉宽极窄时才会有明显作用，因此在本实验过程中，只考虑GDD对脉冲宽度的影响作用. 根据

(6)

计算，3 mm×3 mm×4 mm的Yb∶KYW晶体产生色散量约1 200 fs2. 引入2个色散补偿元件，GTI1在1000～1040nm提供约-1200fs2的群速度色散量，GTI2在980～1 130 nm能提供约-100 fs2的群速度色散量. 由于GDD会随入射角产生较大的变化，可以由负变化到正，并且与波长呈非线性关系. 在实际调节过程中通过改变光束入射到GTI的角度来调节色散量. 由于Yb∶KYW产生的色散量较大，在放置GTI的过程中，GTI角度尽量小，以增大补偿色散量.

4 实验结果分析

图3 SESAM1锁模激光输出功率随吸收泵浦功率的变化

图4 SESAM1锁模的输出脉冲序列

(a)输出光谱

(b) 频谱

(c) 自相关曲线

使用调制深度为2.4%的SESAM2，饱和通量为70 μJ/cm2. 精细调节SESAM2的角度及位置，再次实现连续锁模运转，但是锁模阈值升高到6.5 W，由于调制深度变大，增大了插入损耗，导致锁模阈值升高，得到最高输出功率为140 mW. 输出光谱[图6(a)]展宽到3.8 nm，中心波长基本保持不变，位于1 051.8 nm处，脉冲宽度压缩至377 fs,如图6(b)所示.

(a)输出光谱

(b)自相关曲线

更换调制深度为3.0%的SESAM3，饱和通量为50 μJ/cm2. 精细调节SESAM3的角度及位置，再次实现锁模的稳定运转. 锁模阈值为7 W，最高输出功率为130 mW，输出光谱展宽到4.1 nm，中心波长基本保持不变，位于1 051.5 nm处，输出激光脉冲宽度压缩至365 fs. 图7为基于SESAM3的输出光谱和自相关曲线.

(a)输出光谱

(b)自相关曲线

根据锁模脉宽理论分析，增大调制深度能够压缩脉冲宽度，但是在本实验中，脉宽压缩不是非常明显. 这是由于Yb∶KYW的三阶非线性折射率较大，克尔效应明显，实现了克尔透镜锁模，SESAM的作用是辅助作用，不如在掺Nd晶体的皮秒锁模激光器中的作用明显，能够直接对脉宽进行调制. 由于脉冲的时间带宽积比较大，说明腔内具有大量的色散未进行补偿. 因此对于掺Yb的晶体锁模来说，如果实现更窄的脉宽宽度，不仅要优化可饱和吸收体的参量，还要对腔内的色散进行合理补偿.

下一步可尝试利用棱镜对补偿色散，通过调控棱镜对的距离来控制补偿色散量，更容易对色散补偿量进行灵活控制，由于棱镜对的调节难度较大且对腔内的偏振态有特殊要求，因此，需要对晶体的切向和偏振态严格控制.

5 结束语

实现了基于半导体可饱和吸收镜SESAM的Yb∶KYW全固态连续锁模飞秒激光脉冲的稳定输出. 基于被动锁模技术，并且结合理论计算，使用Mathcad软件设计了W型五镜折叠腔，引入2块GTI进行色散补偿. 使用调制深度分别为0.8%，2.4%和3.0%的SESAM，最终得到最窄脉宽为365 fs，最高输出功率为253 mW. 该实验可以作为近代物理实验中的创新实验以及本科生的科研训练实验，学生在实验中可以掌握复杂谐振腔设计原理，加深对激光器锁模机制的理解，探索饱和吸收体参量对锁模脉宽的影响，以及色散补偿对于飞秒脉冲激光器的重要性.