just喔喔
半 导 体 学 报
CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S
. 22, N o . 6V o l
June , 2001
10GHz 低抖动增益开关D FB 激光器
李玉华 娄采云 韩 明 王兆欣 高以智
(清华大学电子工程系, 北京 100084)
3
摘要:采用国产管芯, 利用增益开关效应获得了10GH z 超短光脉冲. 利用自注入的方法, 采用最简单的结构, 减小了增益开关D FB 激光器光脉冲的时间抖动, 使10GH z 光脉冲的时间抖动小于840fs . 研究了光脉冲抖动量对温度变化及微波驱动频率的敏感性. 利用线性压缩和梳状色散渐减光纤链获得10GH z 、5p s 无基座光脉冲. 关键词:D FB 激光器; 光脉冲产生; 时间抖动; 自种子注入
PACC :4260F ; 4280K ; 4280W
中图分类号:TN 24814 文献标识码:A () 2、有效的方法减小增益开关半
1 引言
发展高速、信研究的主要方向. 光时分复用(O TDM ) 是克服光、电子器件瓶颈的有效途径之一. O TDM 和光波分复用(W DM ) 的结合可有效地提高W DM 单频道码率, 可望支撑未来超高速光通信网的实现. 高重复率超短光脉冲源是O TDM 和W DM O TDM 光通信的核心器件, 也是其它关键技术研究必不可少的基础. 由于增益开关(G 2S ) D FB 激光器结构简单、体积小, 目前仍然是一种广为应用的超短光脉冲源. 但是, 这种超短光脉冲源的缺点是具有红移的频率啁啾和瞬时脉冲时间抖动. O TDM 系统要求超短光脉冲源产生近变换极限光脉冲. 光发射源的时间抖动会增大O TDM 系统的误码率. 在采用非线性光纤环镜(NOLM ) 解复用时, 由于开关窗不是理想矩形的, 而为钟形, 信号源与时钟源间的时间抖动会引起解复用信号的强烈抖动, 这种强度噪声使信号的误码加大. 目前, 消啁啾的技术已经成熟:利用色散补偿元件(如DCF 、啁啾光纤光栅等) 可以在时域内压缩光脉冲[1, 2], 利用F 2P 滤波器[3]在频域内压缩光脉冲频谱的同时使它在时域上也被压缩, 得到近变换极限超短光脉冲. 在减小光脉冲时间抖动方面, 国际
导体激光器的抖动. Gunn ing 等人采用外种子光注
入方法调节注入光的偏振方向和强度, 获得215GH z 、时间抖动为016p s 的光脉冲[4], 这种方法
需要两个波长相同的激光器及相应的驱动电源和控温源, 结构复杂, 不经济. Calvan i 等人采用自种子注入方法获得的光脉冲为10GH z 、时间抖动为0128p s [5], 装置由可调光纤延迟线, 偏振控制器(PC ) 等元件组成. 但这两种方法在开始工作时需反
复调节偏振控制器才能使器件达到最佳状态, 因此不适用于传输系统. 本文采用国产管芯, 利用增益开关效应获得了10GH z 的超短光脉冲. 采用2×2耦合器的自种子注入结构, 依据光脉冲的特性选择耦合器的耦合比、确定反馈外腔的长度, 该方法减小了增益开关D FB 激光器光脉冲的时间抖动. 由于该装置中无偏振控制器, 结构最简单, 器件稳定性好.
2 自注入消抖动的原理
超短光脉冲源的时间抖动特性, 可以归结为相关抖动和非相关抖动. 其中相关抖动主要是由激光器的驱动电流造成的, 而非相关抖动来源于激光器的自发辐射. 增益开关激光器是利用其弛豫振荡特性产生超短光脉冲, 因此在增益开关过程中, 光脉冲
3国家“863”高技术计划和国家自然科学基金资助项目(批准号:N o . 69738010) . 李玉华 男, 1972年出生, 主要研究超短光脉冲的产生及O TDM 传输系统.
2000206216收到, 2000209227定稿
c 2001中国电子学会○
6期李玉华等: 10GH z 低抖动增益开关D FB 激光器793
的产生是从自发辐射开始建立的, 而激光器的自发辐射是随机变化的, 使得脉冲的产生也存在随机性, 导致了脉冲的时间抖动, 这种抖动为非相关抖动, 增益开关D FB 激光器的非相关时间抖动在117—14p s 范围. 由于脉冲的时间抖动来自自发辐射, 所以加强受激辐射的作用, 相对地减小自发辐射, 就可以减小光脉冲的时间抖动.
采用注入种子光方法, 由注入弱的激光来控制D FB 激光器的输出特性, 采取一定措施使得在注入激光信号的基础上增长的光能获得大的增益. 因而, 在自注入种子光系统中, 激光器内的光场不再由自发辐射确定而是由反馈的激光确定, 可减小光脉冲产生的随机性和幅度的起伏. 注入又分为外注入和自注入两种方法. 外注入方法[4]是采用两只相同波长的半导体激光器, 一只工作在连续波(C W ) 作为种子光, 可. 增益开关D FB 为注入的种子光, 复频率匹配, 脉冲串中的每个光脉冲都是在自种子激光的基础上产生, 它的时间抖动被大大减小.
图1 自注入减小光脉冲抖动的装置
F IG . 1 Setup of R educing Op tical Pulse J itter by Self 2Injecti on
中. 反射端面至激光器端面的距离为L =nL T =
nV g f , 其中L T =V g f 为特征长度, f 为光脉冲的, V g , n ≥1. 后续的, 由于激光的高功率密度特, , 减小了光脉冲的时间抖动. 采用图1的装置制作了低抖动的10GH z 的增益开关半导体激光器超短光脉冲源, 并研究了它的时间抖动. D FB 激光器的波长为154618nm , 阈值为11mA . 带有图1消抖动装置的增益开关D FB 激光器是在温度为17℃条件下制作的. 利用T ek 801C 示波器测量抖动的功能来估算光脉冲的时间抖动, T ek 801C 触发延迟会引入时间抖动, 其值为Ρq =111p s , 光脉冲的实际抖动量(RM S ) 为
Ρ实=
Ρm 2-Ρq 2
(1)
3 试验装置及结果
311 10GHz 超短光脉冲的产生
对于增益开关激光器, 并不需要很宽的3dB 带宽, 而只需要10GH z 单点调制, 因而有可能利用国产D FB 管芯产生10GH z 超短光脉冲. 采用国产的BH 型D FB 激光器芯片, 其3dB 带宽为6GH z , 通过减小引线电感、采用自行设计的微带片及提高偏置电流以增加其张弛振荡频率等措施,
使其实现10GH z 调制并形成增益开关, 从而产生超短光脉冲.
312 自种子注入, 减小光脉冲时间抖动
其中 Ρm 为仪器测量的抖动值. 偏置电流在50mA 、微波功率为400mW 时, 10GH z 增益开关D FB 激光
器输出光脉冲的抖动较大, 波形如图2(a ) , T ek 801C 测得的抖动量为3138p s (RM S ) . 加入消抖动的装置, 当反射端面至激光器端面的距离L 与信号源的调制频率f 相匹配时, 光脉冲的时间抖动最小, 用通信信号分析仪测量的光脉冲波形如图2(b ) , 可以看出自注入后得到的光脉冲明显变得很光滑, 仪器上显示的抖动量为1139p s (RM S ) , 由(1) 式得消抖动后光脉冲的实际抖动值为840fs . 若考虑微波源1124p s 的时间抖动, 光脉冲自身的抖动还应小些.
测量了自种子注入D FB 激光器在15、20、25℃三种温度下的时间抖动, 测量值为1137—1139p s . 可见, 这种方法消抖动后对温度变化不敏感. 驱动的微波信号频率变化增加115M H z 或减小215M H z 时测量的光脉冲的抖动量均小于1139p s .
采用如图1所示的方案减小光脉冲的时间抖
动. 圆锥头光纤直接与D FB 芯片耦合, 光纤的输出端与耦合器的1端连接, 根据D FB 激光器的特性, 耦合器的耦合比选为3∶7, 其中的70%端为输出. 耦合器的30%端, 接一段光纤作为反射光纤, 该光纤的另一端面经过切割等处理形成光滑的反射面, 激光器出射的光脉冲经此端面反射后注入回激光器
图2 光脉冲的波形 (a ) 增益开关D FB 光脉冲; (b ) 自种子注入后的光脉冲; (c ) 微波信号
F IG . 2 W ave Shape of Op tical Pulse (a ) Gain Sw itch D FB Op tical Pulse ; (b ) Op Pulse A fter Self 2Seeding Injecti on ; (c ) M icrow ave Signal
313 光脉冲的压缩
b , ?Μ=0139nm , 脉宽?t 0s . DL =-100p s nm 的正色散
, 获得?t =11p s 的光脉冲(见图3(c ) ) , 而谱宽不变. 为了进一步减小光脉冲的宽度,
, Gb O TDM 57p s . 由于增, 其激活区折射率随载流子浓度的变化而变化, 因此其输出脉冲具有负的频率啁啾, 且脉冲的主要部分具有近线性的负啁啾. 由于光纤中的群速度色散效应(GVD ) 使得光脉冲在正常色散光纤中传输时, 高频分量群速度小, 低频分量群速度大, 使得具有负啁啾的光脉冲前沿走得慢, 后沿走得快, 从而在经过一定色散量的正色散光纤传输之后可最优地压缩光脉冲. 此D FB 激光器的阈值电流为11mA , 当偏置电流I b =40mA , 微波调制信号功率P m =400mW 时, 输出光脉冲的光谱图及自相关曲线如图3(a ) 和图3
将上述光脉冲再射入自行设计的梳状色散渐减光纤链(Com b 2like D ispersi on P rofiled F iber CD PF ) [6], 使得光脉冲进一步被压缩. 所谓CD PF 是由若干段低色散系数和高色散系数的光纤交替连接而成, 整个光纤链的色散是呈色散渐减状的. 在低色散的D SF 中受到自相位调制的光脉冲在S M F 中因反常
色散作用而被压缩, 以上两种过程在光纤链中交替进行. 由于每一交替周期的路程平均色散随长度渐减, 因而压缩后的光脉冲没有基座. 经CD PF 压缩后光脉冲的自相关曲线如图3(d ) 所示, 脉宽为5p s , 由图3(d ) 还可以看到压缩后的光脉冲是无基座的
.
图3 增益开关D FB 激光器输出的光脉冲 (a ) 光谱; (b ) 光脉冲的自相关曲线; (c ) DCF 后的光脉冲; (d ) CD PF 后
F IG . 3 O utput Op tical Pulse from Gain Sw itch D FB L aser (a ) Spectum ; (b ) Self 2D ependent Curve of Op tical Pulse ; (c ) Op tical Pulse A fter DCF ; (d ) Op tical Pulse A fter CD PF
Sw itch id D istributed 2Feedback B ragg Sem iconducto r L aser ,
4 结论
利用国内的D FB 芯片, 采用了自种子注入方法降低增益开关D FB 激光器的时间抖动, 采用正常色散光纤补偿及梳状色散渐减光纤链压缩光脉冲的宽度, 成功地研制出10GH z 低抖动、消啁啾半导体增益开关激光器. 激光器输出光脉冲的脉宽?t =5p s , 时间抖动(RM S ) 为840fs , 并且光脉冲的质量较好无基座. 致谢 感谢国家光电子工艺中心和中国科学院半导体研究所提供D FB 半导体管芯. 参考文献
[1] Zhong Shan , L ou Cai 2, u 2zh i 5z
So liton Source , , (8) :78—80(in Ch inese ) [钟山, 伍剑, 高以智, 5GH z 光孤子源,
F iber and Integrated Op tics , to be published .
[3] Xu Bao 2xi , Gao Yi 2zh i , L i Yan 2he et a l . , Functi on of F 2P
Spectral W indow on Sem iconducto r Op tical So liton Sources , A cta Op tica Sinica , 1994, 14(10) :1063—1067(in Ch inese ) [许宝西, 高以智, 李艳和, 等, F 2P 滤波窗在半导体光孤子源
中的作用, 光学学报, 1994, 14(19) :1064—1067].
[4] P. Gunning, J. K. L ucek, D. G . M oodie, K. Sm ith and R. P.
D avey , Gain Sw itched D FB L aser D i ode Pulse Source U sing Continuous W ave L igh t Injecti on fo r J itter Supp ressi on and an E lectroabso rp ti on M odulato r fo r Pedestal Supp ressi on , E lectron . L ett . , 1996, 32(11) :1010.
[5] R . Calvani , F . C isternino , R . Girardi and M . Puleo , A ll F iber
Self Injecti on Seeding fo r T i m ing J iteer R educti on in a Ch irp Compensated
Gain 2D FB
L aser ,
P roceeding
98, F 1:467—470.
[6] ing , I 2hua , W U J ian and GAO Yi 2
, 2F ree Pulse Generati on from a Com b 2ike
D ispersi on
P rofiled
F iber
Comp resso r
and
its
A pp licati on in Supercontinuum Generati on , Ch inese Physics L etter , to be published (in English ) [韩明, 娄采云, 李玉华,
伍剑, 高以智, 利用梳状色散光纤压缩器产生10GH z 无基座光脉冲及在超连续谱产生中的应用, 中国物理快报, 待发表
(in English ) ].
电子学报, 1997, 25(8) :78—80].
[2] W u J ian , L ou Caiyun and Gao Yizh i , N ovel M ethod fo r
E li m inating Ch irp and Comp ressing Pulses from Gain 2
3
10GHz Ga i n -Sw itched D FB La ser w ith L ow T i m i ng J itter
L I Yu 2hua , LOU Cai 2yun , HAN M ing , W AN G Zhao 2x in and GAO Y i 2zh i
(D ep a rt m en t of E lectron ic E ng ineering , T sing hua U n iversity , B eij ing 100084, Ch ina )
Abstract :T he gain 2s w itched D FB pulse source has been obtained at 10GH z repetiti on rate w ith the D FB laser di ode ch i p s that are m ade in Ch ina . T he op tical ti m ing jitter is reduced to 840fs by using the self 2seeding injecti on based on a si m p le structure . T he self 2injecti on seeding sensitivity to the variati ons in temperature and modulating frequency has been m easured . T he 5p s P redestal 2free Pulas Generati on is ach ieved utilizing no r m al dispersi on compensati on and a Com b 2like D ispersi on P rofiled F iber Comp resso r .
Key words :D FB laser ; op tical pulse generati on ; ti m ing jitter ; self 2seeding PACC :4260F ; 4280K ; 4280W
Article I D :025324177(2001) 0620792204
3P ro ject Suppo rted by N ati onal N atural Science Foundati on of Ch ina (N o . 69738010) and the H igh T echno logy R esearch and D evelopm ent
P rogram of Ch ina .
L I Yu 2hua w as bo rn in 1972. H is research concerns the ultra 2sho rt pulse generati on and O TDM trans m issi on system . R eceived 16June 2000, revised m anuscri p t received 27Sep tem ber 2000
c 2001T he Ch inese Institute of E lectronics ○
高重复频率的增益开关Nd_3_YVO_4_KTP绿光激光器
------------------------------------------------------------------------------------------------
高重复频率的增益开关Nd_3_YVO_4_KTP绿光激光器
第32卷 第4期2008年8月
激 光 技 术LASERTECHNOLOGY
Vol.32,No.4August,2008
文章编号:100123806(2008)0420360203
高重复频率的增益开关Nd
王金定
1,2
3+
?YVO4+KTP绿光激光器
1
13
,王安帮,王云才
(1.太原理工大学物理系,太原030024;2.中国计量学院,杭州310018)
摘要:为了设计一种可连续和脉冲双模式输出的绿光激光器,采用一只半导体激光器端面抽运Nd3+?YVO4+KTP
胶合晶体,通过腔内倍频,获得光2光转换效率为19%的连续绿光激光输出。利用增益开关技术,改变注入激光器的电脉冲波形,可得到方波、正弦波或三角波的绿光激光脉冲输出;调节激光器驱动电流的幅度和占空比可改变输出激光脉冲的强度和脉宽;改变驱动电源的重——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------ 复频率可以使输出绿光激光脉冲的重复频率连续可调,最大重复频率
可达2MHz。在重复频率为560kHz时,获得了输出绿光激光脉冲宽度
为74ns、峰值功率为、。研究表明,利用增益开关技术可以获得重复频
率和窄脉冲宽度的绿光激光脉冲。
关键词:激光器;绿光激光器;增益开关;倍频;中图分类号:TN248.1
:A
Gain4KTPgreenlaserathighrepetitionrate
1,2
WANGJin2ding,WANGAn2bang,WANGYun2cai
11
(1.DepartmentofPhysics,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)
Abstract:Acompactgreenlaser,whichcanemitcontinuouswaveorlaserpulsetrainsrespectively,wasreported.With
?
YVO4+KTPgluingcrystal,19%optical2opticalconversionefficiencywasachievedincontinuousoutput.Adjustingthewaveformofthelaserpowersupplytogain2switchthelaserdiode,thecorrespondingoutputwaveformofsquare,sine,ortrianglegreenlaserpulseswereobtained.Theintensityandpulsewidthofthelaserpulsescouldbevariedwiththeamplitudeanddutycircleoftheinjectingc——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------ urrentpulses.Meanwhile,bychangingtheinjectingcurrentpulsesrepetitionrates,thelaserpulsetrainsrepetitionratescouldbetunedfrom0.5Hztoashighas2MHz.Agreenlaserpulsetrain,with74nspulsewidth,285mWpeakpowerandamplitudenoiselessthan3%,wasobtainedat560kHz.Theresearchshowedthatgreenlaserpulseofhighrepetitionratesandnarrowpulsewidthcouldbeobtainedbygain2switchedtechnique.
Keywords:lasers;greenlaser;gain2switched;frequencydoubling;repetitionrate
utilizingalaserdiodeend2pumpNd
3+
引 言
半导体激光器(LD)抽运的全固态腔内倍频绿光激光器,具有体积
小、效率高、结构紧凑、工作可靠等特
3+
点而被广泛应用,而Nd?YVO4+KTP结构被人们认为是全固态绿
光激光器的最佳组合之一。迄今为
3+
止,许多学者对LD抽运Nd?YVO4晶体结合KTP晶体腔内倍频的
连续光输出已作了大量的研究。高重复频率、大功率与更短的光脉冲
输出是当前固体激光器研究的3个主要方向,也是技术发展的必然要
求。调Q技术是产生超短光脉冲序列的一项较为成熟的
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60577019);山西省自然科学基金资助项目(20041042)
作者简介:王金定(19802),男,硕士,主要从事固体激光及其驱动电源的研究。
3通讯联系人。E2mail:group2wang@tyut.edu.cn收稿日期:2007205223;收到修改稿日期:2007208206
[224]
[1]
技术
[527]
,但调Q激光器需要在腔内插入调Q器件,增
加了损耗,而且它产生的光脉冲的重复频率通常较低
(一般在100kHz以内)[8]。利用可饱和吸收体的被动锁模技术可产生重复频率高达100GHz的飞秒光脉冲
[9]
,但其脉冲宽度及脉冲重复频率取决于可饱和吸
收体的参量和激光器腔长,很难调节。增益开关LD抽运激光晶体是产生激光脉冲的有效方法之一,其具有结构简单、性能稳定且易与外部信号同步等优点
[10212]
。作者采用增益开关LD抽运Nd?YVO4晶体
3+
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
结合KTP晶体腔内倍频技术,实现重复频率在0.5Hz,2MHz连续可调的绿光激光脉冲输出。
1 实验装置
图1为LD端面抽运的增益开关绿光激光器结构示意图。为了提高抽运光能利用率、减少损耗以及使器件小型化,一方面在LD与Nd
3+
?YVO4晶体之间无
耦合光学系统,而是采用面对面紧凑型直接耦合;
另一
第32卷 第4期
王金定 高重复频率的增益开关Nd3+?YVO4+KTP绿光激光器
36
1
Fig.1 Experimentalsetup
方面,选用Nd?YVO4+KTP胶合晶体,胶合晶体是将原子数分数为0.03、尺寸为2mm×2mm×1mm的3+
Nd?YVO4晶体和尺寸为2mm×2mm×3mm的KTP晶体根据相位匹配条件直接粘合在一起,并且在胶合晶体的前后端面直接镀膜构成谐振腔。LD采用中国科学院半导体所生产的500mW量子阱激光器。作者电源,在连续模式下,精确调整,模式下,重复频率在3,并且在重复频率小于100kHz时,可以输出方波、三角波和正弦波3种波形,输出方——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
波时的占空比能够在12%,85%之间
Fig.3 Pumppowervs.outputpower
3+
多横模振荡,输出功率反而会下降;利用Peltier效应
对激光器进行整体恒温控制,3h的实测过程中,?1mW:,激光器处于,纵模通过倍频晶体的和频作用发生耦合以及腔内纵模间的交叉饱和效应产生的“绿光噪声”;二是采用LD直接耦合抽运,虽然减少了损耗,但同时由于LD输出激光的X,Y方向的极不对称性和大的发散角,使激光晶体不能被均匀激发;此外,直接在胶合晶体端面上镀膜构成平2平腔,各项参量无法调节以及驱动电流的噪声也影响输出激光的稳定性。
调节,图2是在重复频率为40.5kHz时输出的3种不同
波形的电脉冲,依次为方波、正弦波和三角波。
3 激光器脉冲模式下的输出特性
在低重复频率(重复频率小于50kHz)的电脉冲注入下,调节驱动电源的直流偏置略高于激光器的工作
阈值。激光器输出绿光激光脉冲有较好的波形响应,即当选择不同的注入电流波形时,可得到相应波形的绿光脉冲输出。图4和图5是在选择不同波形的电脉
μs/div)Fig.2 Electricpulsesatlowrepetitionrate(10
图1中,由增益开关LD出射的808nm激光脉冲
3+
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
抽运Nd?YVO4晶体,出射1064nm激光,经KTP晶体倍频转换成532nm绿光激光输出。使用New2port8182bb221PIN光电探测器接收532nm激光脉冲,用TektronixTDS3052型示波器测量激光脉冲的宽度和重复频率,用物科光电LPE21A型功率计测量输出平均功率。为了保证激光器工作的稳定性和LD发射
3+
激光波长与Nd?YVO4晶体吸收峰值波长的匹配,采用一块2cm×2cm的半导体制冷片对激光器进行整体温控,精度优于0.5?。
2 激光器连续模式下的输出特性
选择激光器驱动源工作在连续模式下,调节注入电流,激光器的工作阈值约为120mA。图3为实测的一组抽运光功率和输出光功率之间的关系,从图中可见,随着抽运功率的增大,光2光转换效率不断提高,在抽运功率为300mW时,获得57mW的绿光输出,转换效率为19%,但当抽运功率大于300mW时,容易出现
冲注入激光器,重复频率为1kHz、占空比为50%时,得到的绿光激光脉冲的输出情况。当选用方波电脉冲注入时,输出的光脉冲宽度随着注入电脉冲占空比的改变基本上呈线性变化,但因注入的方波电脉冲在上升沿和下降沿均存在弛豫振荡(见图2),通过激光器的非线性
362 激 光 技 术2008年8月
效应,其输出光脉冲对应产生放大的瞬时脉冲,见图5。在高重复频率(重复频率大于200kHz)的电脉冲注入下,输出绿光激光脉冲主要由半导体激光器的速率方程所决定,此时光脉冲的宽度主要取决于载——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
流子的注入速率及抽运半导体激光器的调制带宽。图6所示输出激光
脉冲的重复频率为559.6kHz、脉冲宽度为74.4ns,脉冲峰值功率为
285mW,振幅噪声小于3%。
在100kHz以内)高;并且通过改变激光器驱动电源的工作参数,在
重复频率小于50kHz时,可实现绿光激
光脉冲的正弦波、三角波及方波3种波形输出,输出方波时脉冲
宽度可大范围调节。
实验中发现,在重复频率大于200kHz时,增大注入电流的直流偏
置和脉冲幅度,可减小输出激光脉冲宽度,增大峰值功率,这和文献[11]
中报道的结论相吻合,但受抽运LD功率和胶合晶体所能承受的最大抽
运功率的限制,本文中的小型绿光激光器输出激光脉冲的峰值功率较
小,且脉冲宽度相对较大,若采用更大功率的LD,并采用分立激光元件
进行合理的腔型设计,形,,参
考
文
献
μs/div)Fig.6 Greenlaserpulsesatrepetitionrareof559.6kHz(2
图7所示重复频率为2.029MHz时,脉冲波形、3
[1] ZHENGQ,ZHAOL,TANHM,etal.LD2pumpedhighefficiencyall2
solid2statelownoisegreenlaser[J].LaserJournal,2001,22(2):627(inChinese)
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------ .[2] SHENDY,LIUAP,SONGJ,etal.Efficientoperationofanintracav2
ity2doubledNd3+?YVO4/KTPlaserendpumpedbyahigh2brightness
laserdiode[J].ApplOpt,1998,37(33):778527788.[3]
LIRN,LAIYJ,MAXT.Singlefrequencygreenlaserproduredby
3+
diode2pumpedNd?
YVO4laserfrequencydoublingwithKTP[J].ActaPhysicaSinica,2002,51(8):173621738(inChinese).[4]
BAIJT,CHENGF.Continuous2wavediode2laserend2pumpedNd?
YVO4/KTPhigh2powersolid2stategreenlaser[J].Opt&LaserTech2nol,2002,34(4):3332336.[5]
FENGLC,HUOYJ,HESF,etal.LD2pumpedacousto2opticallyQ2switched532nmlaserwithhighrepetitionrate[J].ChineseJournalofLasers,2005,32(4):4612465(inChinese).[6]
WELFORDD.PassivelyQ2switchedlasers[J].IEEECircuits&De2vicesMagazine,2003,19(4):31236.[7]
YANGKJ,ZHAOSZ,LIGQ,etal.Anewmodeloflaser2diodeend2
pumpedactivelyQ2switchedintracavityfrequencydoublinglaser[J].IEEEJQE,2004,40(9):125221257.[8]
LARATC,FEUGNETG,SCHWARZM,etal.Gain2switchedsolid2state2laserpum——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------ pedbyhighbrightnesslaserdiodes[C]//LasersandElectro2Optics,Hambury:CLEO,1996:57257.
[9] KELLERU.Recentdevelopmentsincompactultrafastlasers[J].Na2
ture,2003,424(14):8312838.[10]
SHENGF,GEJH,CHENJ.Gain2switchedNd3+?YVO4microchip
laserwithhighrepetitionrateshortpulseoutput[J].OpticalInstru2ments,2004,26(5):40243(inChinese).
[11]
WUQY,XUB,ZHANGZQ,etal.Analysisofthetemporalper2formanceofagain2switchedfour2levellaser[J].ChineseJournalofLasers,1998,25(8):6732676(inChinese).[12]
SHENGF,CHENJ,GEJH.Effectofpumpingconditionsonoutput
characteristicsofagain2switchedNd3+?
YVO4laser[J].Opto2elec2tronicEngineering,2005,32(4):
28231(inChinese).
Fig.7 Greenlaserpulsesatrepetitionrareof2.029MHz(400ns/div)
对比图6图7可知,当调制电脉冲的重复频率较高时,
脉冲宽度较小,每一个电脉冲注入到抽运LD的载流子在LD的第1
个弛豫振荡峰发射脉冲后,反转粒子数被迅速消耗,在第2个电脉冲注
入之前,不足以维持LD的受激发射,使脉冲后沿相对较快地下降,故输
出绿光激光脉冲后沿随着电脉冲重复频率的增加而不断改善,但因受
——————————————————————————————————————
------------------------------------------------------------------------------------------------
驱动电源最大输出功率和激光器调制带宽的限制,脉冲峰值功率逐渐减小,脉冲宽度也有所展宽
[11]
。
4 结 论
利用增益开关技术和二次谐波产生理论,研制了全固态、小型化的连续和脉冲双模式运转的绿光激光器。在连续模式下,通过精密温度控制,调整LD出射波长,使其与激光晶体的吸收峰值波长一致,得到最高光2光转换效率为19%的绿光激光输出。在脉冲模式下,可获得重复频率为0.5Hz,2MHz的绿光激光脉冲,而目前有报道的采用增益开关技术获得固体激光器脉冲输出的的调节范围一般只有几千赫,最大重复频率也明显地较以往采用调Q技术的重复频率(一般
——————————————————————————————————————
532 nm 激光脉冲抽运的钛蓝宝石增益开关激光器
第28卷 第3期
2007年7月华侨大学学报(自然科学版) Journal of Huaqiao University (Natural Science ) Vol. 28 No. 3 J ul. 2007 文章编号: 100025013(2007) 0320256204
532nm 激光脉冲抽运的钛蓝宝石增益开关激光器
李立卫, 王加贤, 张凤娟
(华侨大学信息科学与工程学院, 福建泉州362021)
摘要: 采用Nd ∶YA G 调Q 倍频激光器抽运钛蓝宝石(Ti ∶Al 2O 3, 运转. 当用脉宽为32ns , 能量为21mJ 的532nm cm 的15ns 脉宽的激光脉冲, 脉冲能量为0. 86mJ , , 从速率方程组出发, 计算输出激光的脉冲宽度, 研究激光器抽运能量、.
关键词: Ti ∶Al 2O 3; 增益开关; ; 中图分类号: TN 248. 1: A
2O 3晶体是掺有三价钛离子的氧化铝单晶, 其物理化学性质与红宝石类似, 热导率约为Nd ∶G 的3倍, 稳定性好、熔点高、硬度大. 室温时, 掺钛蓝宝石具有大约250nm (400～650nm ) 宽带吸收光谱, 其荧光光谱为600～1200nm , 目前已实现调谐范围650～1200nm 的激光运转[1], 其中780nm 激光在医学上得到了广泛的应用. 由于掺钛蓝宝石晶体荧光寿命短(约为3. 2μs ) , 采用闪光灯抽运很难实现运转, 所以需采用增益开关技术. 1993年, 徐冰等[2]对脉冲激光抽运钛蓝宝石做了理论和实验研究, 在绿光光脉冲能量10mJ , 脉宽为22ns 的抽运下, 得到6ns 的输出. 本实验采用增益开关技术, 在脉冲能量21mJ , 脉宽32ns 的绿光脉冲抽运下得到15ns 的输出光脉冲. 与抽运光脉冲相比, 其脉冲宽度压缩了近两倍.
1 理论分析
1. 1 Ti ∶Al 2O 3晶体的吸收光谱及荧光光谱
掺钛蓝宝石是目前最为广泛使用的一种可调谐固体激光器, 它由在Al 2O 3晶体中掺入Ti 3+取代Al 3+而制成, Ti ∶Al 2O 3的掺杂质量分数约为0. 1%.钛宝石用提拉法或热交换生长, 它的激光上能级寿命较短. Ti ∶Al 2O 3晶体的吸收光谱及荧光光谱, 分别如图1,2所示[1]1由图1,2可知, 掺钛蓝宝石激光晶体的吸收光谱具有明显的偏振特性π, 吸收率远大于σ吸收率. π吸收率表示晶体对于C 轴平行的偏振光的吸收率σ, 吸收率表示晶体对于其C 轴垂直偏振光的吸收率. 显然, 实验中注意采用π状态抽运是合理的, 并可得到较高的吸收效率. 图1,2表明, 荧光光谱的短波端已与吸收光谱的长波端重叠, 因而能级间的受激吸收难以使短波端的激光振荡得以实现, 从而使波长小于650nm 的激光输出有较大的难度, 所以目前只能实现650～1200nm 的激光输出.
1. 2 输出激光脉冲宽度的计算
引用文[1]导出的激光脉冲宽度近似公式, 有
αδt =) τF (γc . ε(1)
) =(γ) =) =在式(1) 中, F (γ, η, γ=, φ(γ; α值一般取1～2; ε是介质的φ(γ) γN max N th
收稿日期: 2006210225
作者简介: 李立卫(19832) , 男, 硕士研究生, 主要从事固体激光技术与器件的研究; 通信作者:王加贤(19552) , 男, 教
授, E 2mail :wangjx@hqu.edu. cn.
基金项目: 福建省自然科学基金资助项目(A0310022, A0610023) ; 国务院侨办科研基金资助项目(05QZR11
)
第3期 李立卫, 等:532nm
激光脉冲抽运的钛蓝宝石增益开关激光器257
图1 掺钛蓝宝石激光晶体的吸收光谱2 Fig. 1 Absorbed spectrum of Ti ∶Al 2O 3laser crystal 23laser crystal
δ激发态吸收因子, 对于Ti ∶Al 2O 3, 1; =?c ) 为腔内光子寿命1其
中, L 为腔长, c 为光速, δc 耗; N max , N th , N f 分别为Ti ∶Al 23+、阈值反转粒子数密度和脉冲结束时的剩余反转粒子数密度.
对于Ti N max (对应532nm 抽运脉冲的峰值时刻) 和N th (对应780nm ) 分别为
σ(2) N max =N c {1-exp []}, N th =. τσνA ?hc p c c e (p )
22νν上式中, N c 为晶体中的Ti 3+粒子数密度, 吸收截面σa (p ) ≈4. 9p m , 发射截面σe (p ) ≈38p m , E p 为
ν532nm 抽运光脉冲能量, A 为晶体中抽运光的光束面积, h p 为532nm 抽运光子能量.
) , 采用调Q 速率方程组导出的N max , N th , N f 之间的关系式[3], 有为了计算η(γ
) , =exp (N max N th (3)
整理可得
) η(γ) =?ln (. γ1-η(4)
设谐振腔总的往返损耗约为0. 1, 腔长L =5cm , 由此得到腔内光子寿命τc ≈3. 33ns ; 晶体中抽运光的
ν光束面积A ≈0. 03cm 2, 抽运光的光子能量h p =0. 374aJ. 设抽运光脉冲能量E p =20mJ , N c =1. 2×
1018个?cm -3. 将上述数据代入式(2) 可得到N max =1. 0×1017个?cm -3, N th =2. 63×1016个?cm -3, 所
) =0. 386, 把γ带入式(4) , 得到η(γ) =0. 975, 进而得到F (γ) ≈2. 53. 最后, 由式(1) 以求得γ≈3. 8, φ(γ
得到脉冲宽度δt =12. 6ns , 这里α取1. 5. 由以上计算可以看出, 输出激光脉冲宽度与抽运光脉冲宽度无关, 而与腔的损耗以及抽运能量有关.
2 实验装置
实验装置如图3所示, 抽运源采用KTiOPO 4(KTP ) 内腔倍频Nd ∶YA G 调Q 绿光激光器, 工作重
图3 Ti ∶Al 2O 3激光器实验装置
Fig. 3 Experimental setup of Ti ∶Al 2O 3laser
复率为1Hz , 输出激光脉冲宽度为32ns. M 1,M 2构成抽运源谐振腔,M 4,M 5构成输出中心波长780nm 的平2平谐振腔. M 4是对532nm 抽运光高透, 对中心波长780nm 高反的宽带平面反射镜;M 5为对
258华侨大学
学报(自然科学版) 2007年532nm 光高透, 对中心波长780nm 光透过率为8%的宽带平面反射镜. M 3为对1. 06μm 高反的平面镜, 用于滤除抽运源中少量的1. 06μm 激光; M 6为对532nm 高反的平面镜, 用于滤除出射的532nm 激光, 便于测量输出光. P 为偏振片, 用于改变光的偏振特性. 抽运光通过焦距为225mm 的凸透镜F 聚焦到通光长度为10mm 的钛蓝宝石(上海光机所提供) 后表面附近, Ti ∶Al 2O 3晶体端面以布儒斯特角切割. 激光器的输出脉冲由Si 光电二极管(型) 构成的探测器接收, 并输入到300M Hz , TDS 3032B 型数字存储示波器) 上存储和显示. 用Molect ron 公司精度为1. 0μJ 的激光能量计测量输出能量, 用W GD 3002A 型多波段光栅单色仪测量激光光谱.
3 实验结果与分析
3. 1 输出激光的波形和光谱曲线
在单脉冲能量为21mJ , 脉冲宽度为32ns
, ,
图4 780nm 输出激光脉冲
Fig. 4 Output laser pulse in 780nm 图5 532nm 抽运激光脉冲Fig. 5 Pumping laser pulse in 532nm
如图4所示1当脉宽仅为15ns , 能量为0. 86mJ , 与图5所示的抽运光脉冲波形相比, 脉冲宽度压缩2倍. 由多波段光栅单色仪测得Ti ∶Al 2O 3激光器输出的激光光谱, 如图6所示, 从图6可以看出, 波长范围为740～815nm , 中心波长为780nm , 带宽(半峰全宽) 为40nm. 由于本实验装置采用宽带反射镜, 所以输出激光线宽较大.
3. 2 抽运条件对激光输出的影响
3. 2. 1 抽运能量 当抽运能量(E i ) 在2～21mJ 变化时, 测得激光器输出脉冲能量E o 为0～0. 86mJ , 阈值能量约为2mJ , 其输入2输出曲线如图7所示. 从图7中可以看出, 随着抽运能量的增加, 输出激光脉冲能量也相应增加. 出现这种现象的原因是, 由于短脉冲激光器输出激光脉冲能量与抽运能量成线性
图6 Ti ∶Al 2O 3激光器激光光谱曲线图7 Ti ∶Al 2O 3激光器输入输出曲线
Fig. 6 Spectrum of Ti ∶Al 2O 3laser Fig. 7 Input energy versus output energy
of Ti ∶Al 2O 3laser
关系[4], 抽运能量的增加将使得输出能量变大. 由图7可以看出, 光2光转换效率大约为4. 1%.由于采用
第3期 李立卫, 等:532nm
激光脉冲抽运的钛蓝宝石增益开关激光器259的输出镜透过率为8%, 所以输出能量较小, 光2光转换效率较低. 3. 2. 2 腔长 在21mJ 的抽运下, 当腔长L =8cm 时, 测得输出能量为0. 78mJ , 脉冲宽度为18ns. 与L =5cm 时相比, 输出能量减小, 脉冲宽度增加. 这种现象是由于腔长与腔内光子寿命τR 成正比关系, 脉冲宽度又和腔内光子寿命τR 成正比关系, 所以腔长的增加将使得τR 变大, 从而脉冲宽度也变大. 另外, 对于平2平腔而言, 随着腔长的增加, Ti ∶Al 2O 3晶体内的模体积将会减小, 模体积小则对该振荡有贡献的激发态粒子数就少, 输出能量也就小.
3. 2. 3 腔结构 在21mJ 的抽运下, 当腔长L =5cm 时, 把M 4换成R =200mm (即腔结构变为平2凹腔) , 测得输出能量为0. 72mJ , 脉冲宽度为17ns. 与平2平腔相比, 输出能量减小, 脉冲宽度增加. 究其原因是, 平2平腔与平2凹腔相比有两点不同:其一是平2平腔具有更大的模体积; 其二是平2平腔是临界腔, 它的损耗δ较之平2凹腔更大, 所以, 平2平腔的输出激光脉冲能量更大. τR 与损耗δ成反比关系, 平2平腔与平2凹稳定腔比具有更高的损耗, , 内光子寿命τR 成正比关系, 所以平2.
4 结束语
本实验采用了21Ti ∶Al 2O 3晶体, 获得了15ns 脉宽的780nm 激光脉冲, 、腔长及腔结构的影响. (如抽运光的模斑半径, 输出镜的透过率等) , 则有望使抽运光与振荡光能得到更好的模匹配, 从而提高转换效率[527].
参考文献:
[1] 张国威. 可调谐激光技术[M ].北京:国防工业出版社,2002.
[2] 徐 冰, 林礼煌, 欧阳斌, 等. 增益开关型Ti ∶Al 2O 3激光器的时间特性研究[J].光学学报,1993,13(5) :4252430.
[3] 蓝信钜. 激光技术[M ].北京:科学出版社, 1999:71278.
[4] 周炳琨, 高以智, 陈倜嵘, 等. 激光原理[M ].北京:国防工业出版社,2000:177.
[5] 范安辅, 周 昕, 黄援朝, 等. 关于Nd ∶YA G 抽运掺铬镁橄榄石激光器的研究[J].四川大学学报:自然科学版,
1999,36(4) :7682770.
[6] 王加贤. 掺Cr 4+离子的激光材料与器件[J].华侨大学学报:自然科学版,2004,25(3) :2252230.
[7] 张国威. 增益开关型固体可调谐激光器的时间特性:理论[J].激光技术,1995,19(3) :1292134.
G ain 2Switching Ti ∶Al 2O 3Laser Pumped with 532nm Light Pulse
L I Li 2wei , WAN G Jia 2xian , ZHAN G Feng 2juan
(College of Information Science and Engineering , Huaqiao University , Quanzhou 362021, China )
Abstract : Ti ∶Al 2O 3crystal was pumped with 532nm light pulse f rom a frequency 2doubled Q 2switched Nd ∶YA G la 2ser , the gain 2switching operation of Ti ∶Al 2O 3laser was realized. If a green light pulse with the wavelength of 532nm , energy of 21mJ , and pulse duration of 32ns was used as pumped source and cavity length of 5cm was designed , the out 2put laser pulse with energy of 0. 86mJ and pulse duration of 15ns and the central wavelength near 780nm was obtained , the pulse duration is narrower than the pumping pulse. The pulsewidth of the laser pulse was calculated theoretically from the rate equations. Furthermore , the influences of the pumping energy , the length of the cavity and the cavity structure on the output characters were investigated.
K eyw ords : Ti ∶Al 2O 3; gain 2switch ; Q 2switched laser ; cavity structure ; laser pulse
(责任编辑:黄仲一)
激光器的增益与饱和
激光器的增益与饱和
激光器的增益和损耗是与工作物质直接有关的物理量,它们影响着激光器的工作条件和输出特性.研究激光器的增益与损耗可以加深对激光机制的认识,同时对器件的性能检测也有重要的实际意义.
增益特性是分析激光器震荡条件、模式竞争、输出功率和激光放大器净增益系数的基础。
激光器可以运行于连续和脉冲工作方式，连续运行即稳定运行，也就是各能级的粒子数目以及腔内的辐射场有稳定分布，而增益饱和是形成稳定震荡的关键。
具有均匀加宽谱线和具有非均匀加宽谱线的工作物质的增益饱和行为有很大差别，由此构成的激光器的工作特性也有很大差别。
一、增益系数
如有一增益介质，光强为I。的准单色光自端面入射，由于受激辐射，在传播过程中光强将不断增加，通常可以用增益系数来描述光通过单位长度激活介质后光强增长的百分数。
设在z出光强为I(z)，在z+dz出光强为I（z）+d I（z），则根据定义，介质对光的增益系数为G= d I（z）∕I（z）dz。
显而易见，激光介质增益系数正比于反转粒子数密度，其比例系数即为受激辐射截面积。而增益系数与频率的关系曲线有谱线的线性函数决定。
二、均匀加宽工作物质的增益系数和增益饱和
在连续激光器或长脉冲激光器中，我们可以认为各能级上的粒子数达到了稳定工作状态。
1、当光强很小时，即小信号运行情况下，由受激辐射对Δn造成的影响可以忽略，则： d(?n0)/dt=-?n0/τ2+n0W03
考虑小信号稳态，有： ?n0=n0W03τ2d(?n0)/dt=0
小信号增益时，反转粒子数是不发生变化的，尤其不会因为受激辐射而消耗反转粒子数。
2、 Δn=n2说明E2能级上只要有粒子，实际上就已经实现了粒 子数反转；
? 3、增益系数G和小信号反转粒子数Δn0在小信号情况下，与 光强无关，仅与W03即受激吸收的跃迁几率成正比。
A均匀加宽
GH0(?νH/2)gH(ν,ν0)=(ν-ν0)+(?νH/2)(?νH/2)v3A21(ν)=?n4πν?νH(ν-ν0)+(?νH/2)022
B、非均匀加宽情况
gD(ν,ν0)=2
?D?ln2? ???1/2e-4ln2(ν-ν0)
?D2
三、增益饱和现象及其物理机制
1、增益饱和现象
当入射光强Iν足够小时，G为常数；
当入射光强Iν增大到一定的程度后，G将会随着Iν的增加而下降，这种过程称为增益饱和现象。
2、产生增益饱和现象的物理机制
受激辐射几率与入射光强成正比， Iν足够大时，Δn下降的很快，因此G会随着Iν的增加而下降。
只要入射光的频率落在谱线线宽以内，就会产生受激吸收和受激辐射；
如果Iν足够强，受激辐射对原子系统的各能级上的粒子数目的影响就必须考虑。
当一束强光Iν1入射的同时，一束频率为Iν的弱光入射到工作物质中，其增益系数会如何变化？
当强光Iν1入射时，会引起Δn的下降，这种下降是在整个原子发光谱线范围内的下降，即对应弱光频率ν的那部分反转粒子数也同时下降了，弱光入射时对应的反转粒子数不再是Δn0，而是Δn：
四、反转粒子数的饱和
由非均匀加宽工作物质的特性可知，每一种特定类型的粒子只能和某一特定频率的光场相互作用。因此Δn按照ν有意分布，与均匀加宽类似，小信号时，其分布函数为gi(ν,ν0);
在ν→ν+dν范围内，其中Δn0为中心频率ν0处的反转粒子数。频率为νA的准单色光只能造成频率νA对应的那部分粒子的饱和；
均匀加宽是不可避免的，实际上与频率νA相应的粒子发射谱线将是以νA为中心频率，宽度为ΔνH的均匀加宽谱线。
我们知道，表观中心频率为v的粒子发射一条频率为v，线宽为△Vh的均匀加宽谱线。这部分粒子的饱和行为可以用均匀加宽情况
下得出的公式描述。当入射光频率为v1，且光强Iv1有足够强时，该入射光造成表观中心频率v=v1对应的那部分粒子饱和，由于饱和效应，表观中心频率为v1的反转粒子数密度将由原来的A点下降到A1点。若此入射光频率v1相当于均匀加宽中的中心频率。
由于强光饱和造成的反转粒子数减少，导致弱光的增益系数只能小于其小信号增益系数。然而，如果弱光频率落在烧孔范围之外，弱光的增益系数将不受强光饱和的影响，仍为小信号增益系数。这一现象称为烧孔效应。烧孔的宽度与反转粒子数饱和是的宽度一致，烧孔的深度决定于激光稳定振荡时的阈值增益。
在非均匀加宽谱线的情况下，每一振荡频率各自在其频率附近小范围内烧孔，只要均匀加宽宽度小于相邻纵模的频率间隔，则它们相互之间没有什么耦合影响，即一个模式振荡，不会影响另一个模式频率处的增益系数。
对于多普勒加宽的气体激光器中的烧孔效应，频率为v1的振荡模在增益曲线上会烧两个孔，这两个孔将对称地分布在中心频率的两侧。
若腔中有另一个频率为v的弱模存在，则该模沿+z和-z方向传输的光波受激辐射分别有不同的激活粒子贡献。如果弱模频率v和强模频率v1与中心频率不对称，而且频率间隔有足够宽，那么，强模由于增益饱和在增益曲线上烧两个孔，并不会影响到弱模做贡献的反转粒子数，弱模的小信号增益系数不变。如果弱模频率v与强模频率v1对称分布在中心频率两侧，于是，弱模的受激辐射也由vz的激活
粒子所贡献，这两各模的烧孔位置是重叠的。由于频率为v1的强模已小号了大量的激活粒子而发生增益饱和，因此，不仅强模的增益系数变小，而且弱模的在增益系数也受此影响而减小。所以在增益曲线上，在v1和（2v。）会出现两个烧孔。
激光原理技术及应用论文
080212537 谢欣欣
非均匀加宽激光器的增益系数测量
第 5卷 第 5期 实 验 科 学 与 技 术 ?9? 3
非均匀加宽激光器的增益系数测量
33 程 琳, 余学才 , 黄宇红 , 李丽国
()电子科技大学光电信息学院 , 成都 610054
摘要 : 讨论了非均匀加宽激光器的增益系数测量实验的原理 、装置及调试过程 。该实验将提高实验操作者的实验技能 , 同 时加深其对增益系数的理解 。
关 键 词 : He - Ne激光器 ; 增益系数 ; 共焦球面扫描干涉仪
( ) 中图分类号 : TN248 文献标识码 : B 文章编号 : 1672 - 4550 200705 - 0009 - 02
An Exper im en t of M ea sur ing Ga in Coeff ic ien t in an
Inhom ogeneous Broaden ing La ser
CH EN G L in, YU Xue2cai, HUANG Yu2hong, L IL i2guo
( )School of Op to - electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China
Abstract: An experim ent of measuring gain coefficient in an inhomogeneous broadening laser is designed1The p rincip les in measure2 ment, the devices and the app roaches are also introduced1 The experim ent can imp rove participants p ractical skills, and give them a
comp rehensive know ledge of gain coefficient1
Key words: He - Ne laser; gain coefficient; confocal Fabry - Pero t interferom eter
1 引 言
[ 1 ] 在《激光原理 》课程中 , 激光器的增益特性
是一个很重要的概念 , 但因其抽象性 , 学生在课堂
上很难对其有深刻的理解和较好的掌握 。激光器的 增益系数测量对分析激光器振荡条件 、优化其结构
设计以及提高其输出特性均具有十分重要的理论和
图 1 可变输出镜法测量激光器透射率原理图 实际意义 。本实 验采用 半内腔 式 He - Ne 激 光
[ 2 ] 表示 。这表明 , 随着 器 , 通过测量其增益系数 , 使学生对激光器的 透射 , 总反射系数可以用 R
增益特性有更深的认识 。 分光片角度的变化 , 分光片两表面的光强将发生变
化 。激光来回一次 , 在分光片两表面所反射的光强 2 实验原理 与入射光强之比称为分光片的输出率 , 记作 T。分
光片的输出率可视为激光器输出窗的透射率 。若将 如图 1所示 , 在半腔式 He - Ne激光器内放
入射角 < 连续地变化="" 一="" 玻璃平板分光片="" ,="" 该分光片与谐振腔轴线成,="" 该分光片将起一个反射率="" 某夹="" 角="" 。在满足振荡条件时="" ,="" 分光片两边有一定可变的平面耦合输出镜的作用。="" 功率的="" 激光输出="" 。旋转分光片="" ,="" 使激光器的输出α定义="" 为激光腔除输出率之外往返一次的功率随旋="" 转角变化="" 。="" 光="" 学损耗="" ,="" 称内损耗。="" t为反射镜="" m的透过率。2="">
图 1中 , 分光片每个表面对光的反射率 R L 为 激活介质的长度 , g为小信号增益系数 , 0
是 P为耦 out[ 3 ] 。不考虑分光片本身 入射角 < 的函数="" ,="" 记作="" r=""><合输出功率 ,="" p为饱和功率="" 。移动反射镜="" m可改="" s="" 2="" 的吸收和散射="" ,="" 且在较大入射角的斜入射情况下="" ,="" 变激光器的腔长="" 。理论分析表明="" :="" 当="" he="" -="" ne激光="" 平行平面玻璃两个面之间将产生激光的多次反射和="" 管较长时="" ,="" 其纵模间隔的宽度会小于碰撞加宽等因="">
3 收稿日期 : 2007 - 01 - 30; 修改日期 : 200 - 03 - 29
( ) 33 作者简介 : 程 琳 1983 - ,女 , 硕士研究生 , 专业方向 : 光学测量 。
实 验 科 学 与 技 术 2007年 10月 ?10? 素引起的均匀加宽宽度 , 此时其增益饱和可以用均 处 , 调出激光 , 使得激光功率输出最大 , 记录此时 [ 1, 4 ] 匀加宽方法近似处理 , 其激光输出功率由下式 光功率值 P。 1
描述 : () 3将分光片表面擦净 , 放入旋转平台上的
镜片架插入腔内光路 2 gL , 仔细调整激光谐振腔和分光 0 (P= Pout s ) ( )- 11 α ( 片 , 使分光片转轴与布氏窗法线相垂直 , 仔细调整 ) - ln 1 - 2T+ t
旋转分光片 , 增加其输出率 T, 使腔内总损耗 () 旋转台 , 使激光正好消失 呈忽明忽暗 。此时损 (α ( ) )- ln 1 - 2T+ t增加 。当激光刚熄灭时 , 由式 g 耗与激光增益相等。
( )1得 : () (4连同滑块一起 即保持分光片相对滑块角 2 gL 0 )度位置不变 取下分光片 , 放置在腔外光路中 , 测 ( )P- 1 = 0 2s α ) ( - ln 1 - 2T + t 出此时透过分光片激光功率 P。 2 g
式中的 ( )()最后 , 由式式 4和式 5可得到 g。 0
α ( ) )( 2gL =- ln 1 - 2T+ t 3 0 g 312 实验数据及结果分析
由实验测得如下数据 : P= 0168 mW , P= 0163 P- P1 2 1 2T= g ( )4 P 2α ( )mW , L = 19 cm ,已知 = 0103, t = 0103, 根据式 4 - 1 ( )其中 T为阈值输出率 , 由式 3得到 : ( ) g 和式 5, 得 : T ? 01073 5, g ? 01005 76 cm 。 g 0 α ( ) - ln 1 - 2T+ t g [ 5 ] ( )从原理上讲 , 激光器谐振腔有两种损耗 : 5 g= 0 2L 一种是有用损耗即激光器输出镜的透射 ; 一种是无 因此 , 只需测量计算出使激光恰好熄灭时的阈 用损耗 , 它包括谐振腔反射镜的吸收 、散射以及全 ( )值输出率 T, 代入公式 5中 , 即可求得小信号增 g α反射的透射 , 即内损耗 。所以本实验系统应该以 益系数 g。 0 全反射镜代替反射镜 M , 以消除激光器输出镜的 2
, He - 透射所带来的损耗 。但是若使用全反射镜 3 实验系统及结果讨论
Ne激光器很难调节至最大输出光功率 , 故我们311 实验系统及调试 采 用透射系数很低的反射镜 M来减小透射光所2 He - Ne激光器的增益系数测量实验装置如带来 的损耗。 图 2所示 。本实验的核心 He - Ne激光器 , 采用
的是 一种半内腔结构 : 激光器的一个全反射镜4 结束语
与毛细 管 、储气套等做成一体 , 并将全反射镜与本文讨论了 He - Ne激光器增益系数测量的毛细管调 至垂直 , 而另一个反射镜则被安装在一实 验 。通过增益系数测量实验 , 学生不仅对激光个精密二维 调整架上 , 可灵活移动 。实验步骤如器的 增益系数测量有了认识 , 更重要的是对激光下 : 器增益 系数的含义有了更深的了解 。另外 , 通过
对激光器 的调整 , 学生也将对激光器的结构 、特
性 、工作条 件和相关理论有更深刻的体会 , 这也
是本实验设计 的重点所在 。
参 考 文 献 图 2 实验装置图 ( ) 1激光器的调整 。对于 He - Ne激光器 , 只 周炳琨 , 高收智 , 陈倜嵘 1激光原理 [M ] 1北京 : [ 1 ] 国 防工业出版社 , 20001 有当谐振腔的两个反射镜与激光器毛细管垂直时 ,
[ 2 ] 刘敬海 , 徐荣甫 1 激光器件与技术 [M ] 1 北京 : 北京 激光才有可能产生 , 如果腔镜的位置略有偏差 , 就
理工大学出版社 , 19951 极有可能导致激光器腔内损耗的增大 , 以至于不能 [ 3 ] 郭永康 , 鲍培谛 1 光学教程 [M ] 1成都 : 四川大学出 发出激光 。所以激光器的调整是本实验的又一重 版社 , 20011
[ 4 ] 赫光生 , 雷仕湛 1 激光器设计基础 [M ] 1上海 : 上海 点 。本实验采用 LD激光作为基准 , 用自准直的法使激光谐振腔达到谐振条件 , 产生 He - Ne 激 科学技术出版社 , 19791 方 光。 [ 5 ] 李适民 1激光器件原理与设计 [M ] 1北京 : 国防工
( ) 2将反射镜 M放在布儒斯特窗前 10 cm 2 业 出版社 , 20051
转载请注明出处范文大全网 » 10GHz低抖动增益开关DFB激光器
