摘 要 本文对基于 808nm LD 端面泵浦的半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模 Nd:YVO4激光器的输出特性进行了深入研究，通过选择不同输出镜透过率，建立了一套针对不同输出功率需求的锁模激光器设计方法。首先系统地研究了输出镜透过率对激光锁模功率和阈值的影响，输出镜透过率为 10%，在泵浦功率为 10W 时得到了最高输出功率为 3.5W 的连续锁模脉冲输出，转换效率为 35%。输出镜透过率为 0.1%，泵浦功率为 1W 时，得到了低阈值连续锁模脉冲输出，输出功率为 4mW。然后自主搭建自相关光路测量锁模脉冲，结合自相关曲线分析锁模激光器的寄生振荡情况，通过优化输出镜抑制寄生振荡，获得了纯净的锁模脉冲，脉冲宽度为 13ps，重复频率为 150MHz。
关键词 SESAM 锁模;寄生振荡;输出耦合率;低阈值;自相关
1 引 言
可饱和吸收镜(SESAM)是一种非线性吸收介质，其对激光谐振腔内激光的吸收与光的强度有关，有点类似于被动调 Q，对光场中较弱的光吸收很强，对较强的光吸收低，从而强度越大的激光损耗越小，多次振荡后即可选出特定的振荡模式，从而得到锁模脉冲[1]。1992 年 Keller[2]等研究人员首次把半导体可饱和吸收镜应用于被动锁模激光器，获得了锁模脉冲输出;之后各国研究人员对基于 SESAM 锁模的激光器做了大量研究，在高功率锁模输出的研究方面，2006 年蔡志强等人使用 Nd:YVO4为增益介质，输出镜透过率为 16.5%，获得 4.8W 连续锁模输出，转换效率为 34.3%[3];2010 年章强等人使用三个不同透过率(10%，20%， 30%)输出镜进行实验，利用透过率为 30%输出镜实现了高转换效率锁模，35W 泵浦时最高平均输出功率达 12.86W，转换效率达 36.6%[1]。2015 年葛维暘等人使用 35%透过率输出镜实现转换效率高达 47.5%的锁模，泵浦功率为 100W 下，平均输出功率稳定在 47.5W[4];在低阈值锁模的研究方面，2006 年刘士华等人实现低阈值连续锁模输出，输出镜透过率为 3.5%，泵浦功率为 6.65W，锁模激光输出功率为 2.12W[5];目前 SESAM 已经被广泛地应用于医疗、精密加工、非线性频率变换和遥感等领域[6-8]。
本文首先研究不同输出镜透过率对锁模激光的影响，选型不同透过率(0.1%，1%，10%)的输出镜，尝试使用低透过率的输出镜进行研究，分析阈值和转换效率随输出镜透过率的变化情况，并希望获取更低的连续锁模阈值。然后进一步深入研究锁模脉冲形貌，目前由于成本原因，多数研究都采用带宽为 4G 以下的示波器进行脉冲探测，无法观察到百皮秒及以下的脉冲激光由寄生振荡引起的多脉冲或者脉冲劈裂，若不进行更精密测量，容易获得存在寄生振荡的激光脉冲而无法察觉。。本文通过自行搭建的自相关仪测量脉冲宽度，根据自相关的拟合信号，研究晶体倾角和输出镜楔角对锁模激光脉冲的影响。通过以上研究，希望获得一套 SESAM 锁模激光器的灵活设计方案，并保证锁模质量良好，满足各种高性能应用需求。
2 基本原理
2.1 SESAM 锁模的三个过程
SESAM 锁模分了三个过程：调 Q、调 Q 锁模和连续锁模。在腔内能量较低的阶段，自发辐射的荧光以及达到阈值所产生的随机相位关系的激光纵模之间的干涉，导致初始激光脉冲光强度的起伏，SESAM 产生弱调制，形成自调 Q。
随着腔内能量的增加，SESAM 开始对激光进行较强调制，对不同强度的光吸收特性不同，对强脉冲吸收得少而对弱脉冲吸收得多，但腔内的激光脉冲的能量还不足以将 SESAM 完全漂白，且由于激光器的自发辐射，腔内产生自调 Q 锁模。
随着腔内能量进一步增加，SESAM 被完全漂白，SESAM 对光进行振幅和相位的同时调制。调制后的光进入增益介质，因为反转粒子数被消耗的缘故，前沿及中心部位放大的多，后沿放大的少，导致脉冲前后沿变陡，小脉冲被抑制，从而输出一系列强度高、脉宽窄的脉冲序列[1]。 .
3 实验装置
实验的光路如图 1 所示，激光谐振腔长度为 1m，锁模脉冲重复频率为 150MHz。采用端面泵浦结构，泵浦源使用杏林睿光的 808nm 锁波长半导体激光器，连续输出最大功率为 10W，光纤芯径为 200 m，NA 为 0.22，使用 1:2 耦合镜进行耦合，晶体表面的光斑直径为 400 m ;M1为 45°二向色镜，对 808nm 激光高透，透过率为 98%，对 1064nm 激光高反，反射率为 99.95%;Nd:YVO4晶体尺寸为 3*3*5mm，掺杂浓度为 0.3%，受激发射截面 25 10- 19cm2@1064nm，使用紫铜块固定并散热;OC 为平面激光输出镜，研究输出镜透过率对输出特性影响时使用 T=0.1%、1%和 10%三种输出镜，研究楔角对锁模质量的影响时使用 T=1% (无楔角)、5%(无楔角)和 10%(1°楔角)三种输出镜; M2为 1064nm 激光平面高反镜，工作角度为 45°;M3 为 1064nm 凹面高反镜，曲率半径 R=500mm;M4 为 1064nm 凹面高反镜，曲率半径 R=200mm; SESAM 为 BATOP 公司的 SAM-1064-1-5ps，调制深度 0.7%，饱和通量 100 J/cm2，SESAM 表面的光斑半径为 70 m [3]。研究锁模阈值时通过 5G 快速探测器(Thorlabs DET08C/M)和 2G 带宽示波器(泰克 DPO5204B)进行锁模状态监测。研究楔角对锁模质量影响时，通过搭建强度自相关光路测量脉冲，使用自行编写的控制和处理软件进行脉宽测量[9-12]。测量光谱使用 HORIBA 的 IHR550 光谱仪。
根据光路结构和上述给出的参数，可用公式(1)计算出连续锁模的最低腔内能量为 0.076 J，再根据腔内功率与腔外功率的关系，可算出使用 T=0.1%、1%、10%三种透过率的输出镜的最低连续锁模输出功率分别为：5.7mw、68mw 和 1140mw。
4 实验结果与分析
4.1 输出镜透过率对锁模激光器特性影响
分别选用了 T=0.1%、1%、10%三种透过率的输出镜进行光路搭建和研究，分析 SESAM 锁模激光器的出光阈值、调 Q 锁模阈值、连续锁模阈值和功-功转换效率。如图 2(a)所示为调 Q 锁模的状态，脉冲序列强度和重复频率不稳定;图 2(b)所示为连续锁模状态，脉冲序列稳定，重复频率为 150MHz。实验中通过观察示波器信号，判断激光器的锁模状态。
如图 3(a)所示为使用 T=0.1%输出镜情况下的输出功率和转换效率随泵浦功率变化曲线，图 3(b)(c)分别为 T=1%和 T=10%的情况。使用 T=0.1%输出镜，连续出光阈值泵浦功率为 70mW，调 Q 锁模阈值泵浦功率为 510mW，连续锁模阈值泵浦功率为 1020mW，连续锁模输出功率为 6.3mw;对于 T=1%输出镜，连续出光阈值泵浦功率为 86mW，调 Q 锁模阈值泵浦功率为 685mW，连续锁模阈值泵浦功率为 1268mW，连续锁模输出功率为 118mw;对于 T=10%输出镜，连续出光阈值泵浦功率为 247mW，调 Q 锁模阈值泵浦功率为 1122mW，连续锁模阈值泵浦功率为 4858mW，连续锁模输出功率为 1530mw;测量所得的光谱如图 4 所示。
可见不同透过率输出镜对锁模的阈值和效率影响很大，T=0.1%时锁模阈值低，但是对应的转换效率也低，而 T=10%时锁模阈值高，转换效率也高，T=1%介于两者之间。这是因为，输出镜透过率越低，腔内积累的光功率越高，在相同泵浦功率情况下 SESAM 表面的 1064nm 激光功率密度越高，更容易被完全漂白，实现锁模，所以 T=0.1%输出镜的锁模阈值最低，转换效率也最低。当 T=10%时，更易于提取腔内功率，腔内积累的光功率相对较少，SESAM 不容易被漂白，锁模的阈值高，转换效率高，在泵浦功率高时有优势。实际获得的最低连续锁模输出功率比理论高出 10%以上，主要是因为实验中发现刚达到连续锁模的状态并不能长期维持稳定，偶尔会出现调 Q 锁模，所以进一步增大泵浦功率，使锁模状态能长期稳定。
4.2 输出镜楔角对锁模脉冲影响
采用 T=1%(无楔角)、5%(无楔角)和 10%(1°楔角)三种输出镜进行楔角对锁模激光脉冲影响的研究，因为 4G 示波器无法准确测量百皮秒及以下的信号，寄生振荡引起的脉冲劈裂更无法观测到，因此需要使用自相关仪进行测量，纯净锁模脉冲的自相关拟合信号为高斯曲线，非纯净锁模脉冲的自相关拟合信号会出现多峰。实验发现，除输出镜后端面会引起寄生振荡外，激光晶体两个端面也会引起寄生振荡，导致脉冲劈裂或者多脉冲。为了控制单一变量，晶体都呈 8°倾斜放置，抑制由于晶体端面而产生的寄生振荡，只研究输出镜对寄生振荡的影响。
实验结果如下：使用 T=1%不带楔角输出镜，晶体放置无倾角时，我们测量了锁模激光的自相关曲线，如图 5(b)所示，在自相关曲线的主峰两侧有次峰出现，这说明存在寄生振荡引起脉冲劈裂。进一步旋转晶体角度至 8°，降低由晶体引入的寄生振荡，得到了单一主峰的锁模自相关曲线，如图 5(a)所示，此时的锁模脉冲为单一脉冲，连续锁模状态稳定。使用 T=5%不带楔角输出镜，晶体放置无倾角时，自相关信号与图 5(b)无明显差别，即存在寄生振荡引起脉冲劈裂。进一步旋转晶体角度至 8°，自相关信号如图 5(c)所示，次峰与主峰的比例有明显下降，即寄生振荡被部分抑制，但无法获得纯净的锁模脉冲，继续增大晶体角度也无明显改善。使用 T=10%带楔角输出镜，晶体放置无倾角时，存在寄生振荡引起脉冲劈裂，旋转晶体呈 8°放置，得到纯净的连续锁模脉冲。
本文来源于：《激光与光电子学进展杂志》旨在关注科技发展热点，报道高新技术前沿，追踪科技研发动态，介绍科学探索历程;展示最新科技产品，汇萃时尚科技讯息。
结果表明：输出镜后端面楔角可以抑制寄生振荡。对于不带楔角的输出镜，在小透过率情况下，输出镜后端面的反射影响并不大，可以得到纯净锁模脉冲，比如 T=1%的情况;随着透过率增大，后端面的影响会变的明显，实验中使用 T=5%不带楔角输出镜无法获得纯净锁模脉冲;使用 T=10%带楔角输出镜可以抑制寄生振荡，得到纯净的锁模脉冲。
5 结 论
使用三种不同透过率的输出镜进行了锁模激光器的研究，结果表明锁模阈值和转换效率都随着输出镜透过率的增大而增大。在 T=0.1%时获得了低阈值锁模，连续锁模阈值泵浦功率为 1W，输出功率为 4mW，转换效率为 0.4%;在 T=10%时获得了高功率输出，最大转换效率达 35%。通过自行搭建的自相关光路测量了锁模激光的脉冲宽度，通过对自相关曲线的分析，判断锁模脉冲是否为单一脉冲，无劈裂和多脉冲。研究表明，输出镜后端面可引起寄生振荡，当后端面存在楔角时可以抑制寄生振荡;寄生振荡的产生与输出镜前端面的透过率也有一定关系，透过率较低时，后端面的影响较小，实验中使用 T=1%不带楔角输出镜可以得到纯净脉冲输出。当透过率增大，后端面对锁模质量的影响也会增大，使用后端面不带楔角的 T=5% 输出镜无法获得纯净脉冲输出。通过本文研究，为 SESAM 锁模激光器输出镜的选取提供了参考，在选取输出镜透过率时需综合考虑不同应用场景对锁模阈值和转换效率的要求。而对锁模质量有严格要求的应用，需要选取后端面带楔角的输出镜，并用自相关测试手段进行评价。目前本研究尚有不足之处，下一步拟对自相关信号进行深入分析，通过研究算法求解出脉冲的真实形状，研究不同的寄生振荡情况。——论文作者：陈博伦, 方晓惠*
参考文献
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