1 引言

激光雷达^[1]、高分辨率光谱检测^[2]、相干激光通信^[3]、光学测量^[4]等应用对激光器输出频率稳定性有着严格要求。但是普通的单纵模激光器几乎不能保证长期的频率稳定。例如,在多普勒风激光雷达中应用的激光器的频移应该在兆赫兹范围^[5]。因此,频率稳定激光器的研究已经成为热点。

最近的研究发现,空间光束在增益介质中相互干涉,产生空间烧孔现象,形成增益光栅。通过四波混频(FWM)作用形成的增益光栅具有自适应性、自调Q性、窄化带宽和空间滤波能力,能够得到全息的共轭输出^[6-10]。Sillard等^[11]采用非互易式自适应增益光栅环形激光振荡器,获得了13 ns脉宽的调Q单纵模脉冲输出。Smith等^[12]采用非互易式掠入射结构准连续抽运Nd∶YVO₄晶体,得到了光束质量M²<1.3、单脉冲能量为0.6 mJ、脉宽为2.7 ns的单纵模输出。Soulard等^[13]采用二极管抽运的陶瓷Nd∶YAG 放大器,用增益光栅非互易透射环形激光振荡器结构获得了脉冲能量为100 mJ、脉冲重复频率为100 Hz、近衍射极限的单纵模激光输出。上述的增益光栅激光器,虽然可得到单纵模的脉冲输出,但都起始于腔内的自发辐射,容易受到抽运的影响,而且其带宽很宽。腔内振荡得到单纵模输出的过程中,增益介质热效应、机械振动等引起腔长的变化导致输出的频率会有一定的波动。分析已有的研究结果,利用增益光栅的注入锁定未进行实验研究^[14]。利用种子光引导形成增益光栅实现稳频的输出还没有相关的实验报道。

本文介绍了一种二极管抽运Nd∶YVO₄掠入射结构注入锁定自调Q单频激光器。在实验中成功证明了在增益介质中形成的增益光栅在谐振腔内多次振荡后具有产生自调Q、自适应、窄化带宽和相位共轭激光输出的能力;将外部一束单频光注入环路,使腔内振荡光起始于注入光束,引导介质内的增益光栅起始于注入光束,由于起始光束带宽很窄,能够将振荡光限制在注入光束的带宽范围内,从而极大地减小输出光频率的随机性,实现注入频率的锁定。证明了利用增益光栅的自适应性,采用无反馈控制的注入结构能够实现稳频输出。

2 基本原理

两束相干光束在增益介质中干涉形成空间烧孔是形成增益光栅的基本机制^[15-17]。形成光栅的自交叉作用的光全部起始于腔内高增益介质的自发辐射。如图1所示,自发辐射光A₁和A₃发生相长干涉,起始时在增益介质中形成微弱的透射光栅。在增益介质中能够发生相长干涉,引起增益光栅增长的光束将被优先选择、放大。这种参量反馈作用引起了增益光栅与光束的相互增长。当往返增益大于1时,逆时针的共轭光束起振,达到阈值后得到共轭输出。由于增益光栅的饱和特性,随着往返增益的增长,光栅达到饱和后类似于可饱和吸收体迅速被漂白,然后在谐振腔内不能形成有效的往返振荡,从而使输出光具有了调 Q脉冲的形式。其中非互易式元件(NRTE)由起偏器P₁、半波片、法拉第旋转器(F-R)和检偏器P₂共同组成,主要用于控制顺时针和逆时针传播光束的透射率,确保沿逆时针方向的单向振荡和A₃光的光强与A₁有更好的一致性,同时具有调节衍射效率和补偿π相移的作用。

Minassian等^[18]发现在介质内通过简并的四波混频原理形成的自适应增益全息激光振荡器(HLO)具有频谱滤波和演化的特性。 在文献[ 19]中证明了在相互作用的四波场中对带宽有窄化作用。当增益光栅由单色辐射写入或者从宽带辐射启动时,这种全息激光振荡器的输出可以演化为单纵模,与增益光栅的数值模拟相对应。所产生的输出辐射的带宽Δν_out是体积增益光栅的输入辐射带宽Δν_in和滤波器带宽Δν_G的函数^[18],三者满足

1Δνout2=1ΔνG2+1Δνin2。(1)

Δν_G是放大器长度L的函数,可表示为^[12]

ΔνG=12L/c,(2)

式中:c为真空中光速。因此,当放大器长度L给定时,输出带宽Δν_out仅取决于输入带宽Δν_in。

3 实验结构及结果分析

图 1. 自启动激光器结构图

Fig. 1. Schematic of the self-starting laser

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在利用增益光栅自适应性通过外部种子注入实现注入频率锁定之前,采用如图1所示结构实现基于增益光栅的自启动单纵模脉冲输出。自启动腔中,增益介质选择为掺杂Nd原子数分数为1%的Nd∶YVO₄。Nd∶YVO₄晶体沿a轴切割,尺寸为22 mm×5 mm×2 mm;板条晶体呈梯形,两侧切角为13°,以抑制寄生振荡;掠入射结构为全反射,左右两侧通光面镀有1064 nm增透膜,晶体下侧面镀有808 nm增透膜,为抽运光通光面,在两个梯形面上分别加铜热沉进行冷却。抽运源采用峰值功率为500 W,输出波长为808 nm、重复频率为50 Hz、脉宽为90 μs的脉冲半导体巴条侧面抽运。通过焦距f为35 mm的柱透镜(VCL)对抽运光的竖直方向进行压缩,将入射到晶体表面的抽运光尺寸压缩为18 mm×0.54 mm。抽运光是TM偏振光且偏振方向平行于Nd∶YVO₄晶体的c轴,在此偏振方向上Nd∶YVO₄的吸收系数为30 cm^-1,抽运吸收深度约为330 μm。输出镜透射率T=99.6%,确保腔内有很弱的自发辐射光作为信号光 A₁,以实现振荡器的自启动。采用掠入射结构的优势在于:增益区域比较均匀,光在抽运面经过一次全反射后能够充分利用增益区域内的增益;经过一次全反射同样会补偿晶体内热梯度分布,使晶体内的热分布呈一维分布,以提高光束质量;这种结构能够提供很大的增益(约10⁴)。整个环形腔的光学长度约为800 mm,在腔内加入焦距为200 mm的圆透镜实现传递,使A₃与A₁光斑大小相匹配。

在自交叉光外部夹角为31°和33°、抽运区域为18 mm×0.54 mm的条件下,得到如图2(a)所示的单纵模输出脉冲,脉冲宽度为8 ns,脉冲位于抽运时序后沿时抽运光功率为1.08~1.42 W,对应的抽运光电流为255~320 A,最大输出功率为45.6 mW,单脉冲能量为0.9 mJ。利用法布里-珀罗(F-P)标准具测量激光单频特性,得到的F-P标准具干涉图样如图2(b)所示,输出单频性稳定,没有出现两个纵模振荡的情况。实验中F-P标准具表面反射率为94%,自由光谱范围(R_fs)为10 pm,分辨率为0.2 pm,直径为20 mm。线宽的计算公式可表示为

dλΔλ=ΔlΔL,(3)

式中:dλ为线宽;Δλ为标准具的自由光谱区范围;Δl为中心干涉环的厚度;ΔL为相邻两干涉条纹间隔。利用电荷耦合元件(CCD)测量软件BeamGage测得中心干涉环的厚度为0.119 mm,相邻两干涉条纹间隔为1.253 mm,通过(3)式可计算出线宽dλ约为0.95 pm。

图 2. (a)自启动激光器的输出脉宽图; (b)自启动激光器的F-P干涉图样

Fig. 2. (a) Output pulse width of the self-starting laser; (b) F-P interference pattern of the self-starting laser

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在注入种子光之前,首先考虑在自启动激光器中,腔内自发辐射A₁经过环路形成A₃,然后在晶体内自交叉形成光栅,满足振荡条件后得到激光输出,得到的输出光是A₁的共轭光,因此外部注入的种子光必须是形成光栅最起始的光。因此选择种子光沿着A₁方向注入,实验结构如图3所示。

图 3. 种子光注入激光器结构图

Fig. 3. Schematic of the laser with seed light injection

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实验中单频种子源采用增益介质为Nd∶YVO₄的连续激光器,该激光器的最大输出功率为100 mW,种子光为水平偏振,偏振度为100∶1,光束质量M²<1.1,输出中心波长为1064.31 nm,其光谱如图4所示。Nd∶YVO₄单频种子光通过一个法拉第隔离器,然后进入自启动环路中,原环路中的输出光在经过隔离器后偏振态会旋转90°并从另一个方向的逃逸窗口射出,这样保证了在系统运转过程中不会有反馈光对种子源产生影响。在法拉第隔离器后加入透镜对种子光进行压缩,使之与增益区域匹配。

图 4. 单频种子源光谱图

Fig. 4. Spectrum of single frequency seed source

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在低于自启动阈值电流的条件下,外部单频种子光注入环路,注入种子光功率为25 mW,得到了共轭输出,其频谱如图5所示,中心波长为1064.135 nm,将输出光谱与种子光的光谱进行对比,如图6所示。从图6中可以看出,在有单频种子注入时,虽然输出光的中心波长与种子光的中心波长并没有重合,但是输出光的中心波长在种子光的光谱范围内,这就说明通过外部单频种子光注入在

图 5. 有种子光注入时激光器的输出光谱图

Fig. 5. Output spectrum of the laser with seed light injection

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图 6. 有种子光注入时激光器的输出光谱与种子光谱的对比

Fig. 6. Comparison of output spectrum of the laser with seed light injection and seed light spectrum

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晶体内形成了增益光栅,利用增益光栅的自适应特性,实现了在种子光频谱范围内的锁定。用F-P标准具测量输出光的单频性,其F-P干涉条纹和脉冲宽度如图7所示。此时脉冲位于抽运时序后沿时抽运光功率为1.0~1.32 W,对应的抽运光电流为240~300 A,最大输出功率为40.3 mW。由于在外部注入单频种子光后,增益光栅的形成不再起始于腔内的自发辐射噪声,而是起始于注入的种子光,种子光功率远大于自发辐射噪声,达到光栅饱和强度时光束在腔内的振荡次数少于起始于自发辐射噪声时光束在腔内的振荡次数,抽运光能量并未完全利用,Q开关时间变慢;且实验中由于注入种子光的中心波长与自启动时最大增益处的输出波长有差异,增益有所降低,输出的脉冲峰值功率下降。因此在抽运能量一定的条件下,增益光栅饱和能量是一定的,导致输出脉宽有所展宽。输出激光脉宽为24.3 ns,如图7(a)所示。输出激光的F-P干涉图样为一套稳定的干涉环,如图7(b)所示。

图 7. (a) 有种子光注入时激光器的输出脉宽图; (b)有种子光注入时激光器的F-P干涉图样

Fig. 7. (a) Output pulse width of the laser with seed light injection; (b) F-P interference pattern of the laser with seed light injection

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从上面的实验结果中可以看出,通过外部注入单频种子光,并引导其在晶体内形成光栅,利用增益光栅的特性能够实现输出频率的锁定。对比了种子注入输出和自启动输出的光谱,如图8所示。

图 8. 有种子光注入时的激光器与自启动激光器的输出光谱对比图

Fig. 8. Comparison of the output spectrum of the laser with seed light injection and the output spectrum of the self-starting laser

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自启动输出光谱中心波长在1064.078 nm附近波动,种子注入输出光谱中心波长稳定在1064.135 nm处。从图8中可以看出,有外部注入时输出的中心波长与自启动时的输出波长相比更靠近种子光的中心波长,这说明有种子注入时输出波长将自启动时的中心波长向种子光中心波长方向拉动,同时也证明了利用增益光栅实现稳频输出的可行性。为了避免偶然性,对自启动输出的光谱和注入输出的光谱进行了多次测量,结果如图9所示。从图9(a)可见,自启动输出的光谱中心波长在1064.07~1064.1 nm范围内波动,不稳定而且波动较大。而从图9(b)可见,在相同的观察时间内,注入输出的光谱中心波长几乎稳定在1064.135 nm附近,在外部注入时实现了频率的锁定。该结果进一步证明了利用增益光栅

图 9. 多次测量的输出光谱图。(a)自启动激光器; (b) 有种子光注入时的激光器

Fig. 9. Output spectra of multiple measurements. (a) Self-starting laser; (b) laser with seed light injection

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实现稳频输出的可行性。

从图6中可以看出,输出光谱的中心波长出现在种子光谱范围内,而输出光谱与注入的种子光谱没有完全重合,分析认为在此环形腔中,由于增益的限制,在1064.135 nm附近增益最强,导致在有外部注入时环形腔输出的中心波长被限制在此波长附近,虽然将中心波长向种子光的中心波长拉动,但由于增益强弱的制约,输出光的中心波长并不能与种子光的中心波长完全重合。

4 结论

在自启动增益光栅单频脉冲激光器的基础上,通过外部注入单频窄线宽种子源,对比有种子注入时输出激光的中心波长和自启动时输出激光的中心波长,发现有注入时输出激光的中心波长更接近注入单频光的中心波长;而且在相同的观察时间内,有注入时输出光谱中心波长的波动明显小于自启动时输出光谱中心波长的波动。实现了输出的注入锁定,证明了利用增益光栅实现稳频输出的可行性。使有注入时输出光谱的中心波长与种子光的中心波长完全重合以达到稳频输出是下一步的实验目标。