一种新型单纵模连续Nd_YAG激光器
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收稿日期 : 1999 - 04- 06 作者简介 : 徐荣青 ( 1966 - ) , 男 , 江苏邗江人 , 华东船舶工业学院讲师。
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Fig . 1
Labor ator y equipment of Nd:
YAG sing le long itudinal mode laser
( 1)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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华
1
理论分析
单纵模 Nd: YAG 激光器的实验装置如图 1 所示, 图中 F1 是透射 F- P 标准具 , F2 是反射型标准具 兼输出镜, 全反镜 M 1 装在压电陶瓷上, 可以作伸缩微调, 工作 时调整谐振腔腔长, F 1 的角度可使增益曲线中心频率、 F1 的透 射极大及 F2 的反射极大频率三者重合, 同时使 F 1 倾斜还能消 除 F1 与腔内各元件之间的自激振荡, 使其各自独立地起作用。 要实现单纵模运行, 则对 F1 的要求是能抑制掉由谐振腔腔长决 定的、 离透射峰 C / 2 L 的相邻纵模的振荡 , 对 F 2 的要求是能抑 图 1 单纵模 N d: YAG 激光器的实验装置 制在增益曲线阈值以上的其它自由光谱范围内可能出现的振 荡。描写 F1 透射频谱特性及 F2 反射频谱特性的方程为[ 5] : T1 = 1 1 + F 1 sin 2
第 14 卷第 4 期 2000 年 8 月
华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报 Journal of East China Shipbuilding Institute
Vol 14 No 4 Aug. 2000
文章编号 : 1006- 1088( 2000) 04- 0083- 04
一种新型单纵模连续Nd: YAG 激光器
3
结束语
为了获得高峰值功率和高单色性的激光输出 , Stamford 大学的 R. L. Byer 等人采用低功率 Q 开关
单纵模激光注入 Q 开关非稳腔高功率激光器的方法 ( 注入锁定技术 ) , 获得了 16. 7 M W 单纵模激光输 出[ 6] , 而作为注入信号, 无论是带宽, 还是稳定性, 连续器件的指标都比脉冲的高 , 因而更利于作为∀ 种 籽# 信号, 本文所研究的连续单纵模激光器所产生的激光, 可以更好地满足作为注入锁定主振荡器的要 求。
图6
单一双模振荡比较图
图7
双模振荡时 F- P 标准具透射峰与纵模频率的关系
Fig . 6 Compar ison of single mode and double mode oscillations
F ig. 7 Relationship betw een F P etalon peak transmissivity and frequency at double mode oscillation
东
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R2 =
F 2sin 2 1 + F 2 sin 2
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( 2)
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4 R1 4R 2 4 n 1 d 1 cos 4 n2 d2 F2 = f, 2= f , n 1、 n 2、 d 1、 d 2 分别为 1= 2, 2, C C ( 1 - R 1) ( 1 - R 2) 两个标准具的折射率和厚度, R 1 、 R 2 分别为两标准具表面的反射率。 考虑到两个标准具的影响, 则其频 其中 : F 1 = 谱关系应为: T = T 1R2 若选 取 两 个 标 准 具的 参 数 分 别 为 d 1 = 11 mm , d 2 = 2 mm , R 1 = 0. 7 , R 2 = 0. 3 , 由( 1) ~ ( 3) 式可画出图 2 所示的 T 随频率变化的曲线 , 图 2 中纵坐标为 T 值 , 横坐标为频率 f , 取原子中心频率即增益曲线峰值处频率为 0, 并假设 F 1 的透射 峰和 F 2 的反射峰都在图中 0 频率处 , 从图 2 可以看到, 腔内光场 经 F1 透射和 F 2 反射后的频谱 , 是 F1 的透射频谱受到 F2 的反射 频谱包络的调制。 对于单纵模激光器, 腔长 L = 35 cm , 对应的 纵模间隔为 0. 45 GHz, 由 ( 1) 式求得 f = 0 . 45 GHz 处的光强透 过率为 0 . 89, 比峰值处小 11% , 因而这类纵模足以被 F 1 抑制掉; 标准具相邻透射极大的间隔为 9 GH z, 由于其透过率受到 F2 反
2
实验结果与分析
采用 F - P 照相法检测输出激光纵模, 装置如 图 3 所示; 入射光经透镜 L 1 会聚到 F - P 标准具上 , 标准具将不同角度入射的光束变为一束与光轴成不 同角度的平行光, 各组平行光经透镜 L 2 分别会聚在 焦平面不同半径位置上 , 从而形成一系列同心干涉 条纹 , 出现亮纹的条件是 : 2 nd cos = m! ( 4)
环半径是不同的 , 这样在焦平面上就会形成两套以上的干涉环, 那么就可根据干涉环的套数来判定激光 实验所用的激光器其全反镜曲率半径 r 1 = 3 000 mm , 腔长 L = 350 m m , Nd: YAG 棒尺寸为 ∀ 5 70 mm , 腔内选横模的小孔直径为 1 . 5 mm 。 图 4 是用一个 d = 2 mm , 反射率 R 为 70% 的透射标准具作 为腔内选纵模元件时 , 拍得的输出激光的 F - P 照片 , 由图 4 可见 , 在一个强的纵模旁还有一个较弱的纵 模存在 , 对 L = 35 mm 的谐振腔 , 纵模间隔为 0. 45 GH z, 由 ( 1) 式可求得离标准具透射极大 0. 45 GH z 处的透过率为 97. 7% , 与峰值透过率仅差 2. 3% , 这说明该标准具的选择性不够高, 无法区分这两个纵
图2 单程透 过率与频率的关系 Fig. 2 Relationship of betw een once throug h transmissivity and frquency
( 3)
射包络的调制 , 由( 2) 式求得 f = 9 GHz 处的光强反射率为 93% , 因此这类纵模被 F 2 抑制掉 , F2 的另一 个反射峰出现在离工作物质中心频率 50 GHz 处, 这里已处于增益曲线的边缘, 不可能形成振荡, 最终输 出为一单纵模激光 , 图 2 中最上面的曲线是反射型标准具 F2 的表面反射率为 0. 8 时的反射频谱特性, 可 以看到, 图中 0 GHz 处与 9 GHz 处的反射率相差很小, 对标准具来说 , 这是无法区分的, 这意味着反射型 标准具的反射率越高 , 对模式的辨别能力越差, 所以用反射型标准具作全反镜是无法实现单纵模选取 的。
徐荣青 ,
1
陆耀东 ,
武汉
2
蓝信钜
430074)
3
100012;
( 1. 华东船舶工业学院电子与信息系 , 江苏 镇江
212003; 2 北京光电所 , 北京
3 华中理工大学激光所 , 湖北
摘
要 : 提出采用透、 反双 F - P 标准具选择单纵模的方 案 , 通过理论分析选择了适合的 参数 , 实验获得
图4
用一个透射标准具选模时的干涉环
图 5 用透 ! 反两个标准具选模时的干 涉环 Fig . 5 Interference r ing of mode selecting with transmission reflect ion double etalons
F ig. 4 I nterference r ing o f mode selecting with single transmission etalon
单纵模激光输出的最大功率为 150 mW。 关键词 : Nd: YAG 激光器 ; 单纵模 中图分类号 : T N248. 1 + 3 文献标识码 : A
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引 言
[ 1, 2]
获得单纵模连续激光输出的基本方法有 : 腔内插入 F - P 标准具 、 利用金属膜的选择吸收特征、 [ 3] 复合腔以及金属膜和标准具混合使用 等方法。 Nd: YAG( Yt trium Alum inium Garnet ) 激光器的增益 线宽很宽, 若用单 F- P 标准具选纵模 , 必须有足够的选择性来抑制与选定模式相邻纵模的振荡 , 同时 其自由光谱区应足够大, 以保证超过阀值的增益线宽范围内只有一个纵模振荡 , 这就要求标准具有极高 的反射率。但实际上由于标准具内功率密度约为谐振腔内功率密度的( 1- R ) - 1 倍[ 4] , 反射率 R 太高, 易产生损伤。用金属膜与标准具混合使用的方法 , 可以克服上述缺点, 但由于增加了腔内光学元件 , 插 入损耗大 , 而且调整十分困难。吸取上述各种方法的优点, 采用透、 反双标准具选择单纵模的方法 , 实验 获得的单纵模激光输出功率为 150 mW 。
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华
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工
业
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2000 年
参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] CO LL IN S S A. Interference laser mode selector[ J] . Appl. Opt. , 1963, 2( 2) : 448. DAN IELM EYER H G. Stabilized efficient single frequency N d: YAG lasers[ J] . IEEE J. Q . E. , 1970, 6( 1) : 101. CU L SHAW W. T wo component mode filters for optimum single frequency operation of Nd: YA G lasers[ J] . IEEE. J. Q . E. , 1971, 7( 3) : 381. OKA DA T . Spectral narro wing of a flash lamp pumped high energ y dye laser by tw o stag e injection locking [ J] . IEEE J. Q . E. , 1979, 15( 5) : 616. 玻恩 M , 沃 尔夫 E. 光学原理 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 1978. PARK Y K , BYER R L . Stable single ax ial mode operation of an unstable resonator N d: YA G oscillato r by injection locking[ J] . Opt. L ett. 1980, 5( 1) : 96.
第4期
徐荣青等 : 一种新型单纵模连续 N d: Y AG 激光器
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模, 因此出现了图 4 所示的双模振荡, 图 5 是腔内插入 d 1 = 11 m m , R 1 = 0. 7 的透射标准具, 用 d 2 = 2 mm , R 2 = 0. 3 的反射标准具作输出镜时, 拍得的输出激光的 F- P 照片, 从图 5 可看出, 输出激光实现了 单纵模振荡, 表明实验结果与前面的理论分析是一致的 , 另外实验还测得单纵模输出激光的最大功率为 150 mW 。 激光器在获得单纵模运行后, 若再微调腔内透射标准具的角度, 会出现图 6 下半部所示的强度 相仿的双模振荡。 这是由于微调腔内标准具角度时 , 使其透射极大频率点发生了漂移 , 当调到图 7 所示 的位置时 , 标准具对纵模 f 3 和 f 4 的损耗基本相等 , 无法区分这两个模 , 其它的模 , 损耗更大, 不能形成振 荡, 所以输出为两个强度几乎相等的纵模。 另外, 实验中还发现, 刚开机时, 输出激光经 F - P 的干涉圆环 半径在变化 , 有时还会出现两套环, 待运行 20 min 后, 再仔细调整标准具角度和腔长 , 可达到稳定的单 纵模运行 , 这是因为刚开机时 , 谐振腔尚未达到热平衡 , 温度的变化会使腔长有一定的波动, 从而导致频 率漂移甚至跳模现象。
图 3 F - P 照相法检测纵模装置 F ig. 3 L ong itudinal mode detection device wit h F P photographic met hod
若入射光含有两个以上纵横, 则不同纵模分别 满足 ( 4) 式 , 不同纵模的同一级干涉极大对应的圆 的纵模数。
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理论分析
单纵模 Nd: YAG 激光器的实验装置如图 1 所示, 图中 F1 是透射 F- P 标准具 , F2 是反射型标准具 兼输出镜, 全反镜 M 1 装在压电陶瓷上, 可以作伸缩微调, 工作 时调整谐振腔腔长, F 1 的角度可使增益曲线中心频率、 F1 的透 射极大及 F2 的反射极大频率三者重合, 同时使 F 1 倾斜还能消 除 F1 与腔内各元件之间的自激振荡, 使其各自独立地起作用。 要实现单纵模运行, 则对 F1 的要求是能抑制掉由谐振腔腔长决 定的、 离透射峰 C / 2 L 的相邻纵模的振荡 , 对 F 2 的要求是能抑 图 1 单纵模 N d: YAG 激光器的实验装置 制在增益曲线阈值以上的其它自由光谱范围内可能出现的振 荡。描写 F1 透射频谱特性及 F2 反射频谱特性的方程为[ 5] : T1 = 1 1 + F 1 sin 2
第 14 卷第 4 期 2000 年 8 月
华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报 Journal of East China Shipbuilding Institute
Vol 14 No 4 Aug. 2000
文章编号 : 1006- 1088( 2000) 04- 0083- 04
一种新型单纵模连续Nd: YAG 激光器
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结束语
为了获得高峰值功率和高单色性的激光输出 , Stamford 大学的 R. L. Byer 等人采用低功率 Q 开关
单纵模激光注入 Q 开关非稳腔高功率激光器的方法 ( 注入锁定技术 ) , 获得了 16. 7 M W 单纵模激光输 出[ 6] , 而作为注入信号, 无论是带宽, 还是稳定性, 连续器件的指标都比脉冲的高 , 因而更利于作为∀ 种 籽# 信号, 本文所研究的连续单纵模激光器所产生的激光, 可以更好地满足作为注入锁定主振荡器的要 求。
图6
单一双模振荡比较图
图7
双模振荡时 F- P 标准具透射峰与纵模频率的关系
Fig . 6 Compar ison of single mode and double mode oscillations
F ig. 7 Relationship betw een F P etalon peak transmissivity and frequency at double mode oscillation
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F 2sin 2 1 + F 2 sin 2
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实验结果与分析
采用 F - P 照相法检测输出激光纵模, 装置如 图 3 所示; 入射光经透镜 L 1 会聚到 F - P 标准具上 , 标准具将不同角度入射的光束变为一束与光轴成不 同角度的平行光, 各组平行光经透镜 L 2 分别会聚在 焦平面不同半径位置上 , 从而形成一系列同心干涉 条纹 , 出现亮纹的条件是 : 2 nd cos = m! ( 4)
环半径是不同的 , 这样在焦平面上就会形成两套以上的干涉环, 那么就可根据干涉环的套数来判定激光 实验所用的激光器其全反镜曲率半径 r 1 = 3 000 mm , 腔长 L = 350 m m , Nd: YAG 棒尺寸为 ∀ 5 70 mm , 腔内选横模的小孔直径为 1 . 5 mm 。 图 4 是用一个 d = 2 mm , 反射率 R 为 70% 的透射标准具作 为腔内选纵模元件时 , 拍得的输出激光的 F - P 照片 , 由图 4 可见 , 在一个强的纵模旁还有一个较弱的纵 模存在 , 对 L = 35 mm 的谐振腔 , 纵模间隔为 0. 45 GH z, 由 ( 1) 式可求得离标准具透射极大 0. 45 GH z 处的透过率为 97. 7% , 与峰值透过率仅差 2. 3% , 这说明该标准具的选择性不够高, 无法区分这两个纵
图2 单程透 过率与频率的关系 Fig. 2 Relationship of betw een once throug h transmissivity and frquency
( 3)
射包络的调制 , 由( 2) 式求得 f = 9 GHz 处的光强反射率为 93% , 因此这类纵模被 F 2 抑制掉 , F2 的另一 个反射峰出现在离工作物质中心频率 50 GHz 处, 这里已处于增益曲线的边缘, 不可能形成振荡, 最终输 出为一单纵模激光 , 图 2 中最上面的曲线是反射型标准具 F2 的表面反射率为 0. 8 时的反射频谱特性, 可 以看到, 图中 0 GHz 处与 9 GHz 处的反射率相差很小, 对标准具来说 , 这是无法区分的, 这意味着反射型 标准具的反射率越高 , 对模式的辨别能力越差, 所以用反射型标准具作全反镜是无法实现单纵模选取 的。
徐荣青 ,
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陆耀东 ,
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( 1. 华东船舶工业学院电子与信息系 , 江苏 镇江
212003; 2 北京光电所 , 北京
3 华中理工大学激光所 , 湖北
摘
要 : 提出采用透、 反双 F - P 标准具选择单纵模的方 案 , 通过理论分析选择了适合的 参数 , 实验获得
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用一个透射标准具选模时的干涉环
图 5 用透 ! 反两个标准具选模时的干 涉环 Fig . 5 Interference r ing of mode selecting with transmission reflect ion double etalons
F ig. 4 I nterference r ing o f mode selecting with single transmission etalon
单纵模激光输出的最大功率为 150 mW。 关键词 : Nd: YAG 激光器 ; 单纵模 中图分类号 : T N248. 1 + 3 文献标识码 : A
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引 言
[ 1, 2]
获得单纵模连续激光输出的基本方法有 : 腔内插入 F - P 标准具 、 利用金属膜的选择吸收特征、 [ 3] 复合腔以及金属膜和标准具混合使用 等方法。 Nd: YAG( Yt trium Alum inium Garnet ) 激光器的增益 线宽很宽, 若用单 F- P 标准具选纵模 , 必须有足够的选择性来抑制与选定模式相邻纵模的振荡 , 同时 其自由光谱区应足够大, 以保证超过阀值的增益线宽范围内只有一个纵模振荡 , 这就要求标准具有极高 的反射率。但实际上由于标准具内功率密度约为谐振腔内功率密度的( 1- R ) - 1 倍[ 4] , 反射率 R 太高, 易产生损伤。用金属膜与标准具混合使用的方法 , 可以克服上述缺点, 但由于增加了腔内光学元件 , 插 入损耗大 , 而且调整十分困难。吸取上述各种方法的优点, 采用透、 反双标准具选择单纵模的方法 , 实验 获得的单纵模激光输出功率为 150 mW 。
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参考文献 :
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] CO LL IN S S A. Interference laser mode selector[ J] . Appl. Opt. , 1963, 2( 2) : 448. DAN IELM EYER H G. Stabilized efficient single frequency N d: YAG lasers[ J] . IEEE J. Q . E. , 1970, 6( 1) : 101. CU L SHAW W. T wo component mode filters for optimum single frequency operation of Nd: YA G lasers[ J] . IEEE. J. Q . E. , 1971, 7( 3) : 381. OKA DA T . Spectral narro wing of a flash lamp pumped high energ y dye laser by tw o stag e injection locking [ J] . IEEE J. Q . E. , 1979, 15( 5) : 616. 玻恩 M , 沃 尔夫 E. 光学原理 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 1978. PARK Y K , BYER R L . Stable single ax ial mode operation of an unstable resonator N d: YA G oscillato r by injection locking[ J] . Opt. L ett. 1980, 5( 1) : 96.
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徐荣青等 : 一种新型单纵模连续 N d: Y AG 激光器
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模, 因此出现了图 4 所示的双模振荡, 图 5 是腔内插入 d 1 = 11 m m , R 1 = 0. 7 的透射标准具, 用 d 2 = 2 mm , R 2 = 0. 3 的反射标准具作输出镜时, 拍得的输出激光的 F- P 照片, 从图 5 可看出, 输出激光实现了 单纵模振荡, 表明实验结果与前面的理论分析是一致的 , 另外实验还测得单纵模输出激光的最大功率为 150 mW 。 激光器在获得单纵模运行后, 若再微调腔内透射标准具的角度, 会出现图 6 下半部所示的强度 相仿的双模振荡。 这是由于微调腔内标准具角度时 , 使其透射极大频率点发生了漂移 , 当调到图 7 所示 的位置时 , 标准具对纵模 f 3 和 f 4 的损耗基本相等 , 无法区分这两个模 , 其它的模 , 损耗更大, 不能形成振 荡, 所以输出为两个强度几乎相等的纵模。 另外, 实验中还发现, 刚开机时, 输出激光经 F - P 的干涉圆环 半径在变化 , 有时还会出现两套环, 待运行 20 min 后, 再仔细调整标准具角度和腔长 , 可达到稳定的单 纵模运行 , 这是因为刚开机时 , 谐振腔尚未达到热平衡 , 温度的变化会使腔长有一定的波动, 从而导致频 率漂移甚至跳模现象。
图 3 F - P 照相法检测纵模装置 F ig. 3 L ong itudinal mode detection device wit h F P photographic met hod
若入射光含有两个以上纵横, 则不同纵模分别 满足 ( 4) 式 , 不同纵模的同一级干涉极大对应的圆 的纵模数。