固體激光器中正交偏振模式間增益競(jìng)爭(zhēng)的分析

梁興波 王超 王文濤 劉磊 唐曉軍

摘要：從姆半激沅理論中能夠清楚的了解到，固體激沅器當(dāng)中所包含的兩個(gè)模式其是不是可以統(tǒng)一進(jìn)行振蕩主要是看兩個(gè)模式間所形成的耦合度情況，可以稱(chēng)作是增益競(jìng)爭(zhēng)所形成的互飽、系數(shù)同自飽、系數(shù)間的比值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)使用兩組相應(yīng)規(guī)格的波片構(gòu)設(shè)雙頻固體激光器，由此完成了頻差從30兆赫到1.3吉赫可以連續(xù)調(diào)節(jié)的雙頻式激光輸出。在此前提下，對(duì)兩個(gè)正交偏振模式其在不同頻差環(huán)境下所輸出的噪音功率密度進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算得出，兩個(gè)表征模式間的增益競(jìng)爭(zhēng)程度下的耦合系數(shù)。從理論上來(lái)看，結(jié)合蘭姆半理論能夠推理出耦合系系表達(dá)方式，由此可以證明，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中的耦合系數(shù)是隨頻差增大而變小，同時(shí)還對(duì)改變耦合系數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析，這樣可以為雙頻固體激光器的優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：固體激光器；正交偏振模式；增益競(jìng)爭(zhēng)；影響因素

雙頻激光在激光雷達(dá)方面的應(yīng)用空間非常大，現(xiàn)時(shí)期情況下所形成的雙頻激光方法主要包含空間分離合束法、聲光移頻頻合、雙折射晶體法等，在此當(dāng)中雙折射晶體法因?yàn)榉€(wěn)定性較好，并且頻差調(diào)整空間較大，同時(shí)率效也較高，這些優(yōu)質(zhì)獲得人們的大力關(guān)注及廣泛應(yīng)用。雙折射法通過(guò)腔內(nèi)雙折射部件進(jìn)行正交偏振式的頻率分裂，然在激光振蕩期間，正交偏振模式會(huì)向光軸方向產(chǎn)生兩種駐波場(chǎng)，所以在增益介質(zhì)當(dāng)中，反轉(zhuǎn)粒子其數(shù)密度會(huì)同時(shí)在空間產(chǎn)生燒孔，因?yàn)閮煞N模式所形成的燒孔有重疊之處，所以?xún)煞N模式間存在一定的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。

1.雙頻激光器研究及實(shí)驗(yàn)

雙頻激光器所用的是LD端而的抽運(yùn)固體激光器晶體，在此當(dāng)中在固體激光器晶體左端一面鍍808nm式高透膜和1064nm式高反膜來(lái)當(dāng)作抽運(yùn)光輸入端的腔鏡結(jié)構(gòu)，右端一面的不鍍膜其晶體厚度為1毫米。輸出耦合鏡是曲率半徑為100毫米的凹面鏡所構(gòu)成，其在1064nm式激光器中的透過(guò)率達(dá)到了5%，腔長(zhǎng)為50毫米。腔內(nèi)耦合腔會(huì)讓激光器出現(xiàn)單縱模振蕩，二級(jí)管泵浦固體激光器使單縱模中的兩個(gè)正交偏振模形成頻率分裂，在此情況下的頻差則是 ，在此當(dāng)中 代表的是兩波片中崗位軸間的夾角，C代表的是真空下的光速，旋轉(zhuǎn)第二組二級(jí)管泵浦固體激光器可以使夾角發(fā)生變化，由此便可以求出頻差調(diào)節(jié)后的雙頻激光輸出值。腔內(nèi)插入規(guī)格直徑是0.5毫米的小孔光闌，以用來(lái)對(duì)高階橫模振蕩進(jìn)行控制。固體激光器所輸出的功率在40兆瓦的時(shí)候，通過(guò)調(diào)整兩波片中崗位軸間的夾角，能夠得出不同頻差下雙頻激光的輸出值，所輸出的激光經(jīng)過(guò)法布里珀羅干涉儀器掃描以后，會(huì)顯示在波器上，在此過(guò)程中， 代表的是法布里珀羅干涉儀掃描的時(shí)間，每個(gè)掃描時(shí)間所對(duì)應(yīng)的是不同的頻差[1]。兩波片間的角度如發(fā)生改變會(huì)使兩波片中崗位軸間的夾角在0到45度間不斷轉(zhuǎn)變，從理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩波片中崗位軸間的夾角在45度的時(shí)候，可求得最大頻差為 ，然而在實(shí)踐操作過(guò)程中，如果當(dāng)兩波片中崗位軸間的夾角接近于45度的時(shí)候，固體激光器會(huì)出現(xiàn)跳模的情況。

2.耦合系數(shù)

結(jié)合蘭姆半理論可以發(fā)現(xiàn)，不同的激沅模式間各自產(chǎn)生的影響可以用耦合系數(shù)C來(lái)代表，即可定義成。C值如果不斷增大就說(shuō)明兩個(gè)模式之間所形成的耦合競(jìng)爭(zhēng)就會(huì)越明顯，同時(shí)也會(huì)越難形成統(tǒng)一振蕩，相反，如果C值不斷普通小，就會(huì)較易形成雙模的同時(shí)振蕩，由此形成雙頻輸出的現(xiàn)象。在此當(dāng)中的和所代表的是自飽和系數(shù)與互飽和系數(shù)。假如激光器腔長(zhǎng)變小，則因?yàn)樽畲箢l差的關(guān)系，會(huì)使縱模頻率的間距變大，雙頻頻差這時(shí)的比例也會(huì)有所變大，也就是兩模頻率相對(duì)中心頻率偏移量而不斷增大，最后就會(huì)造成洛化茲函數(shù)與各 函數(shù)不斷減小，同時(shí)也會(huì)讓耦合系數(shù)不斷變小，所以在此情況下更易獲得雙模統(tǒng)一時(shí)間下的振蕩輸出。在本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所構(gòu)設(shè)的雙頻激法器當(dāng)中，因?yàn)殡p頻頻差比激光物質(zhì)增益線寬小，可以看作是自飽和系數(shù)與互飽和系數(shù)相等固體激光器晶體在腔的其中一端并且與共振條件相近的情況下會(huì)使 ，因此 ，最后所得出的必定是抽運(yùn)功率情況下的耦合系數(shù)，即為 。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因?yàn)樗褂玫募ゃ淦髂軌驖M足 ，在此當(dāng)中 代表的是抽運(yùn)速率[2]。所以，耦合系數(shù)便可表示成 在公式當(dāng)中 代表的是同相噪聲頻率，其主要是由固體激光器的弛豫蕩所形成的， 則表示的是反相噪聲頻率，其則主要是由兩偏振模式間增益競(jìng)爭(zhēng)所造成的光強(qiáng)起伏變動(dòng)所產(chǎn)生的。對(duì)不同頻差下的其中一個(gè)偏振方向偏振態(tài)激光其歸一化噪聲功率的譜密度進(jìn)行測(cè)量，其中左峰值形成的是反相噪聲，而右側(cè)峰值則是同相噪聲，同時(shí)結(jié)合耦合系數(shù)公式計(jì)算得出不同頻差下所形成的耦合系數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量所獲得的耦合系數(shù)同頻差間存在一定的關(guān)系，從此關(guān)系當(dāng)中能夠發(fā)現(xiàn)其耦合系數(shù)值都小于0.8，并且伴隨頻差的不斷增大耦合系數(shù)值會(huì)有所變動(dòng)，值會(huì)相對(duì)變小，所以由此可以證明，頻差在250兆赫的到1吉赫的區(qū)間內(nèi)，都可獲得平穩(wěn)的雙頻激光輸出值，同時(shí)頻差也會(huì)變大，兩模式間相互間所存在的競(jìng)爭(zhēng)非常小，這時(shí)更加容易產(chǎn)生同時(shí)間的振蕩[3]。根據(jù)抽運(yùn)功率下的耦合系數(shù)公式可以對(duì)在不同晶體長(zhǎng)度下的耦合系數(shù)值及模式間的頻差，當(dāng)頻差在0到50吉赫內(nèi)的時(shí)候，從關(guān)系曲線中能夠看出，耦合系數(shù)隨頻差的不斷增大而使周期發(fā)生變化，并且幅值也在不斷降低，變化周期和晶體的長(zhǎng)度形成反比現(xiàn)象。在晨大頻差在4.5吉赫以?xún)?nèi)的時(shí)候，耦合系數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)輕微的變小，并且還能夠發(fā)現(xiàn)，晶體長(zhǎng)度增大，耦合系數(shù)會(huì)有更明顯的下降，如此情況下，更易達(dá)成大頻差雙模同一時(shí)間發(fā)生振蕩[4]。

3.結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，利用兩個(gè)四分之一的波片來(lái)當(dāng)作腔內(nèi)的雙折射元件，而構(gòu)設(shè)的固體雙頻激光器，得出頻差連續(xù)并且可調(diào)控的雙頻激光輸出值，依據(jù)耦合系數(shù)公式，進(jìn)行計(jì)算可以證明增大激光器腔長(zhǎng)和增大介質(zhì)長(zhǎng)度及頻差都會(huì)使耦合系數(shù)值不斷變小，這種方法為提升雙頻固體激光器其安全穩(wěn)定性奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]肖光宗，龍興武，張斌，etal.Y型腔正交偏振激光器的模競(jìng)爭(zhēng)和光強(qiáng)調(diào)諧特性[J].中國(guó)激光，2011，38（3）.

[2]李磊，趙長(zhǎng)明，張鵬，etal.激光二極管抽運(yùn)頻差可調(diào)諧雙頻固體激光器的研究[J].物理學(xué)報(bào)，2007，56（5）.

[3]龔夢(mèng)帆，肖光宗，傅楊穎，etal.一體化Y 型腔正交偏振氦氖激光器的基本特性研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015，52（12）.

[4]張鵬，李磊，楊蘇輝，etal.激光二極管泵浦可調(diào)頻差雙頻固體激光器[C]// 二〇〇六年全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì).2006.

（作者單位：華北光電技術(shù)研究所）