非线性晶体对皮秒SESAM被动锁模激光器脉宽的影响

赵书云,方 聪,李一凡,秘国江

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

2 实验装置

实验装置如图1,由四个腔镜、Nd∶YVO4激光晶体和SESAM半导体可饱和吸收体组成双Z型腔。腔镜为两个平面镜M2和M3,两个曲率为400 mm的平凹镜M1和M4,除了输出镜M3其它镜片都镀1064 nm的高反膜,输出镜的反射率为95 %。a切割的Nd3+∶YVO4掺杂浓度为0.5 %,尺寸为3 mm×3 mm×5 mm,晶体泵浦输入端面为平面,镀1064 nm高反和808 nm高透膜,晶体另一端面切一个小角度,镀1064 nm高透膜,激光晶体用铟纸包裹后放到铜块上,由TEC精确控温。泵浦光纤的芯径为200 μm,数值孔径NA为0.22,双耦合球面镜焦距为25 mm,L1、L2、L3、L4和L5的长度分别为265 mm、381 mm、538 mm、510 mm和240 mm。谐振腔中激光晶体上的光斑半径为189 μm,SESAM上的光斑半径为40 μm。SESAM固定在一个铜热沉上,在1030 nm到1110 nm处反射率大于99 %,在1064 nm处SESAM的饱和吸收系数为2 %,饱和通量为50 μJ/cm2,饱和恢复时间小于10 ps。倍频晶体放在SESAM前10 mm处。倍频晶体KTP(3 mm×3 mm×3.6 mm,3 mm×3 mm×10 mm,3 mm×3 mm×12 mm) II类临界相位匹配角(θ=90°,Φ=23.5°),S1:AR@1064 nm/532 nm,S2:AR@1064 nm/532 nm；LBO(4 mm×4 mm×10 mm,4 mm×4 mm×11 mm,4 mm×4 mm×12 mm )I类临界相位匹配角(θ=90°,Φ=11.4°),S1:AR@1064 nm/532 nm,S2:AR@1064 nm/532 nm。快速的光电管GT101探测锁模输出波形,如图2所示,锁模脉冲间隔为11.8 ns,重复频率为85 MHz。示波器为TEK公司生产的TDS3054C Digital Phosphor Oscilloscope 500 MHz。

图1 谐振腔示意图Fig.1 Schematic of Cavity

图2 连续锁模输出序列图Fig.2 Oscilloscope trace of cw mode-locked pulses

3 实验结果和讨论

非线性晶体在超短脉冲激光器中脉宽压缩的品质因数F[8]:

(1)

(2)

F为品质因素；lg为品质因素特征量；n为折射率；

实验中,先把半导体泵浦的Nd∶YVO4半导体可吸收体(SESAM)被动锁模激光器调节稳定锁模,用APE公司生产的PulseCheck型自相关仪测量锁模脉宽为8.7 ps。在腔内插入I类临界相位匹配的LBO晶体,在相位失配的情况下,LBO晶体有两个作用:一发生双光子吸收,降低了调Q和锁模之间的临界腔内能量,使锁模稳定；二发生了自相位调制,引起脉冲频谱加宽具体的分析见A.Agnesi发表的论文[9],图3所示不同长度的LBO晶体在相位失配的情况下,脉宽高斯拟合曲线图,脉宽压缩基本相同为4.8 ps,实验和A.Agnesi的理论相符合。而对于I类临界相位匹配的LBO晶体,脉宽进一步的压缩受群速度色散的限制,因此如果在腔内进一步补偿群速度色散,脉宽能进一步压缩。

图3 不同长度的LBO晶体脉宽曲线图Fig.3 Autocorrelation signal of the pulses for mode-locked laserusing the dual ML Technique in different crystal length

腔内插入II类o+e→e相位匹配KTP晶体,对不同长度的晶体进行测量,脉宽如图4,晶体长度3.6 mm脉宽为12.8 ps,10 mm脉宽为42.8 s,12 mm晶体脉宽为63 ps。每块晶体都对脉宽进行了展宽。展宽原理如下[8,10]:II类相位匹配的KTP和腔内的激光晶体Nd3+∶YVO4组合成了双折射滤波器,对线宽进行了压窄。晶体长度越长,自由光谱区越小,线宽也就越窄,脉宽展宽越宽。实验中10 mm的晶体和激光晶体形成的双折射滤波片的自由光谱区330 GHz,带宽为165 GHz。Nd3+∶YVO4晶体在1064 nm波长处的增益线宽为338 GHz。对于II类o+e→e相位匹配KTP晶体群速度色散,对展宽也有一定的影响,由于使用的KTP晶体长度远小于群速度失配决定的晶体长度。所以群速度失配对于脉宽的展宽不起主要作用。

图4 不同长度的KTP晶体脉宽曲线图Fig.4 Autocorrelation signal of the pulses for mode-lockedlaser using the dual ML Technique

同样在非线性晶体锁模时,I类临界相位匹配的晶体锁模输出的脉宽比II类o+e→e相位匹配晶体锁模出来的脉宽窄[7,11]。具体原因也是如上所述。

4 结 论

首次进行了LD泵浦的Nd∶YVO4SESAM被动锁模中,利用I类相位匹配LBO晶体和II类相位匹配KTP晶体进行脉宽压缩和展宽的工作原理和实验研究,得到了I类相位匹配LBO在相位失配时,在保证锁模稳定条件下,可以把激光脉冲宽度从8.7 ps压缩到4.8 ps。腔内插入不同厚度II类相位匹配KTP晶体,可以把激光脉宽展宽到12.8 ps、42.8 ps甚至63 ps。