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单纵模脉冲激光器在非线性频率变换、激光雷达、激光光谱学等领域有着非常重要的应用[1—5]. 种子注入技术是实现单纵模输出最便捷最可靠的方法, 种子注入的基本思路是将一束频率特性优良的窄线宽低功率激光注入到高增益的从动激光器腔内, 以控制从动激光器输出激光的频率特性, 最终得到单纵模的输出.
种子注入技术有两种常用的方法. 一种是建立时间最小的方法[6,7], 由于在种子注入的情况下, 单纵模激光脉冲的建立时间小于多纵模激光脉冲, 因此根据上一发激光脉冲的建立时间对激光器腔长进行相应的调整, 使得激光脉冲建立时间保持最小, 这样输出的激光就是单纵模的. 从上述技术原理可以看出, 对腔长的反馈控制是在每一个脉冲产生之后才进行的, 这种方法要求激光的输出要有很好的继承性, 即激光器不能工作在诸如较大振动、剧烈温升或者强烈气流扰动的环境. 还有另一种是扫描-探测方法[8,9], 该方法是在每一个激光器调Q前对谐振腔腔长进行快速扫描, 同时观察种子光经过从动腔之后的干涉信号, 检测到干涉峰时即表明从动腔纵模频率与种子光频率匹配. 采用这种方法控制的种子注入激光器基本能保持100%的单纵模概率, 并且具有很强的抗干扰能力. 但是传统的谐振探测技术也存在缺点, 主要在于每一周期内检测到谐振峰值的时间是不固定的, 给后续系统的时间同步带来困难.
为了解决这个问题, Walther等[10]在种子注入的钛宝石激光器上提出了一种叫扫描-保持-触发的方法实现单纵模输出, 该方法与扫描-触发类似, 只是在检测到干涉峰值时没有马上打开Q开关, 而是根据干涉信号的幅度对扫描电压进行反馈控制, 使干涉信号保持在峰值, 然后反馈控制过程持续到一个预设的时间点后打开Q开关, 由于打开Q开关的时间可以精确设定, 因此激光脉冲输出的时间可以精确控制. 不过由于扫描腔长是通过加载在压电陶瓷上的电压来实现的, 压电陶瓷的非线性响应和振铃效应, 使得反馈精度降低, 反馈时间加长, 影响频率稳定. 周军[11]将该方法用在Nd:YAG激光器上, 但是由于压电陶瓷的非线性效应, 输出的频率不够稳定, 不时出现多纵模的成分. Hovis等[12]用磷酸钛氧铷(RTP)晶体代替压电陶瓷作为腔内电光相位调制器, 采用扫描-触发的纵模锁定方法, 但是纵模输出不够稳定, 不时会有双纵模出现. 张俊旋等[13,14]也用电光晶体作为Nd:YAG激光器腔内相位调制器, 采用扫描-延时-触发的方法得到单纵模脉冲输出. 该锁定方法由时序控制系统在每个脉冲结束后对扫描电压起始时刻相对泵浦脉冲起始时刻的延时量进行反馈控制, 使得每次Q开关打开时处于泵浦脉冲后沿相同时刻, 因此不适合单脉冲输出的情况.
我们曾在自滤波非稳腔(SFUR)内采用RTP晶体作为相位调制器[15], 使用扫描-触发的方法, 得到高光束质量窄线宽的单纵模输出. 本文对该技术做进一步的改进, 在SFUR腔内采用扫描-保持-触发的方法, 利用RTP电光晶体调谐腔长, 得到单脉冲输出时间精确可控的单纵模输出. 该激光器将作为光参量振荡器的泵浦源, 得到可调谐的紫外窄线宽光源[16,17], 用于高超声速流场的光学诊断.
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种子注入的单纵模Nd:YAG激光器实验装置如图1所示. 种子源是一个商用的窄线宽1064 nm非平面环形腔固体激光器(Coherent, Mephisto S200SE), 最高输出功率200 mW, 线宽仅1 kHz. 种子源后面跟一个40 dB隔离度的法拉第隔离器(THORLABS, IO-5-1064-VHP)防止后向脉冲激光损坏种子源, 一个二分之一波片将种子光的偏振方向转到S光方向, 由布儒斯特偏振片注入从动腔.
图 1 种子注入单纵模Nd:YAG激光器
Figure 1. Schematic of the injection-seeded single-frequency Nd:YAG laser.
从动腔为SFUR结构[18,19], SFUR腔为实共焦非稳腔, 共焦处放置一滤波小孔, 小孔直径(d)的选择使得入射到它上面的平面波被反射镜M1聚焦成相同直径的埃里斑. 据此可以得到小孔光阑直径为
$d = {\rm{2}}{(0.61\lambda {f_1})^{1/2}}, $ 式中f1为反射镜M1的焦距, λ为激光波长, 反射镜M1的聚焦和光阑的衍射效应相互抵消, 使得焦平面处的热斑完全消除. 光阑和反射镜M1共同起到低通空间滤波器的作用, 因此能够得到光滑无调制的TEM00模空间分布. 腔内放一RTP电光晶体作为相位调制器调谐腔长, 代替传统的安装在腔镜上的压电陶瓷. 大约1%的种子光由M1全反镜漏出, 被光电探测器接收, 用于扫描-保持-触发技术进行腔长控制和模式锁定, 来实现单纵模的输出.
扫描-保持-触发技术工作过程如下: 在每个泵浦周期内, 当腔内反转粒子数密度达到最高时, 对RTP晶体进行线性电压扫描, 同时对光电探测器探测到的干涉信号进行峰值检测, 在检测到干涉峰值时输出一个信号给晶体电压扫描电路, 该触发信号控制晶体电压扫描电路使得晶体的电压保持在该电压值上, 直到一个预设的时间点时触发Q开关, 激光脉冲输出.
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图2给出了扫描-保持-触发技术实际工作时的扫描电压信号和干涉信号, 由于电路系统的延时导致了从检测到峰值到晶体扫描电压保持时, 干涉信号从峰值下降了10%左右, 相当于约7 MHz的失谐量, 为了补偿这个失谐量, 可以旋转光电探测器前的偏振片一定角度进行光学补偿[20]. 其后干涉信号随扫描电压保持在了一个水平的位置. 实际工作时, 7 MHz的失谐量不会影响种子的成功注入.
图 2 扫描-保持-触发技术实际工作过程波形图
Figure 2. Waveform of the working of the ramp-hold-fire technique.
从图2中可以看到, 在扫描-保持-触发技术中使用RTP晶体相位调制器代替压电陶瓷有很大的优势. 首先, 在扫描速度上就提高了很多. 由于压电陶瓷的堆叠结构, 扫描速度不能很快, 通常在几百伏/几十微秒左右, 而RTP晶体的响应时间可以忽略不计, 完全取决于电路的扫描速度; 其次, 压电陶瓷是一种铁电材料, 位移随电压的变化是非线性的, 由于每次扫描到谐振峰所需时间不同, 使得压电陶瓷在保持阶段产生与控制电压不一致的位移, 引起频率的抖动, 而RTP晶体产生的相移与电压完全成正比; 最后, 扫描电压从扫描到保持时的拐角所包含的高频成分会引起压电陶瓷的振荡, 会导致谐振腔的不稳定, 影响输出频率的稳定.
图3是输出脉冲能量随泵浦能量的关系, 可以看出种子注入后激光脉冲能量比无种子注入时的多纵模能量下降了20%左右, 这种现象和BUTR类似, 我们称之为能量最小方法(energy reduction, ER), 也可以作为单纵模锁定判据[21].
图 3 激光脉冲输出能量随泵浦能量的关系曲线
Figure 3. Laser output energy with pumped energy.
我们也将种子注入前后的脉冲波形同时显示在图4中, 可以看到没有种子注入时, 激光在自发辐射中建立, 因此脉冲建立时间较长, 为79 ns, 而种子注入后, 激光在种子光中建立, 脉冲建立时间缩短了31 ns, 为48 ns, 这就是种子注入的BUTR现象.
图 4 种子注入前后脉冲波形及建立时间
Figure 4. Temporal pulse shape of the laser in seeded and unseeded operation.
根据我们对激光器的输出特性的要求, 激光脉冲必须是单脉冲输出时间精确可控的, 图5示出了100次单纵模脉冲波形的叠加, 重复频率设置为0.1 Hz, 以模拟单脉冲工作模式. 可以看出脉冲形状基本一致, 脉冲建立时间抖动 < 1%(RMS), 能量计测得的能量抖动 < 1%(RMS), 能量稳定性和建立时间稳定性都非常好.
图 5 同步触发100次脉冲叠加图
Figure 5. Temporal spatial of 100 accumulated laser pulse with synchronous trigger.
最后我们用商用的Fizeau型波长计HighFinesse Angstrom WS7测量输出的激光脉冲波长和线宽, 结果如图6所示, 此波长计含有两块不同精细度的锲形Fizeau标准具, 图中上半部测得的比较密的干涉图样的是低精度的Fizeau标准具, 下半部分测得比较疏的干涉图样的是高精度的Fizeau标准具, 干涉条纹清晰光滑, 是典型的多光束干涉波形, 显示波长为1064.40416 nm, 线宽 < 0.5 pm(波长计的极限分辨率). 同时波长计也记录了激光器连续1700发脉冲的波长, 如图7所示, 波长抖动小于0.1 pm(峰峰值).
图 6 波长计WS7测量结果
Figure 6. Measurement result of the wavemeter WS7.
图 7 脉冲波长稳定性
Figure 7. Laser wavelength stability.
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本文选择自滤波非稳腔的激光器谐振腔结构, 采用扫描-保持-触发的种子注入腔模锁定技术, 利用RTP电光晶体相位调制器代替压电陶瓷调谐腔长. 电光晶体相位调制器完全消除了压电陶瓷的机械不稳定性、振铃效应和非线性响应问题, 提高扫描-保持-触发时腔模锁定的稳定性, 大大提高了单纵模激光的频率稳定性和建立时间稳定性, 获得了单脉冲时间精确可控的单纵模激光器. 该激光器输出脉冲能量50 mJ, 脉冲建立时间48 ns, 单脉冲输出时间抖动小于1%. 线宽 < 0.5 pm(波长计的极限分辨率), 波长抖动小于0.1 pm(峰峰值, 1700发脉冲).
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报道了一种单脉冲输出时间精确可控的单纵模Nd:YAG激光器. 该激光器谐振腔采用自滤波非稳腔结构得到TEM00模, 利用磷酸钛氧铷电光晶体作为相位调制器来扫描腔长, 通过种子注入的扫描-保持-触发技术锁定腔模, 得到稳定的单脉冲输出时间精确可控的单纵模输出. 该1064 nm激光器输出脉冲能量为50 mJ, 脉冲建立时间48 ns, 单脉冲输出时间抖动小于1%. 用波长计WS7测量脉冲的波长和线宽, 测量结果显示, 波长计干涉仪干涉条纹清晰光滑, 是典型的多光束干涉波形, 显示波长为1064.40416 nm, 线宽 < 0.5 pm (波长计的极限分辨率). 同时以0.1 Hz的工作频率连续记录了1700发脉冲的波长, 波长抖动小于0.1 pm (峰峰值).
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图 1 种子注入单纵模Nd:YAG激光器
Fig. 1. Schematic of the injection-seeded single-frequency Nd:YAG laser.
图 2 扫描-保持-触发技术实际工作过程波形图
Fig. 2. Waveform of the working of the ramp-hold-fire technique.
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