大功率混合锁模外腔式半导体激光器使用锥形放大器和大可调谐性

文摘

我们报道了混合锁模激光操作外部环锥形半导体放大器的腔,产生脉冲短0.5 ps为88.1 MHz平均功率60 mW。锁模是通过结合多个量子阱饱和吸收体调制深度(> 10%)和一个射频电流调制。这个设计在连续波激光有20 nm调谐带宽和10 nm调谐带宽的锁模约786纳米中心波长在恒定的温度。

1。介绍

介绍了超短脉冲半导体激光器作为紧凑、高效、低成本的来源各种各样的应用程序,从非线性频率转换、遥感、光谱学、通信。开创性工作与锁模半导体激光器可以追溯到1980年代初(1,2]。尽管在这些激光二十年的广泛的研究,他们的表演还没有走近那些水晶主机激光系统的高输出功率和脉冲持续时间短。基本的挑战之一是,小横截面面积标准的窄条纹半导体激光器限制的权力,可以提取激光损伤发生之前。因此平均输出功率是有限的,只有几毫瓦,能量通常20 pJ /脉冲(3]。另一个困难是复杂的非线性光场之间的相互关系,电流密度,折射率,导致脉相调制,不能轻松地补偿。脉冲持续时间从几皮秒不到一微微秒,采用腔内色散补偿。有两个可能的解决方案来生成高平均功率短脉冲半导体激光器没有任何外部放大元素:(i)使用高平均功率vertical-external-cavity面发射半导体激光器(VECSEL)在环或线性腔(4),(2)利用放大器的使用(助教)在环形振荡器配置就是本文所采取的方法。锥形半导体放大器与额外的指导激光二极管结构的梁在平面上的半导体结5,6]。基本目标是避免饱和和损害由于高强度的光束扩展在整个传播到半导体材料。常用的一种变体今天指数首次引导部分放大,紧随其后的是一个获得指导(锥形)地区扩张。离开初始波导梁期刊几乎自由的维度半导体结。在平面上垂直于结半导体保持封闭,直到它离开。使用两个圆柱透镜,然后可以创建一个高质量的、接近圆形,平行、大功率输出光束。锥形放大器更常用于主振荡器功率放大器(MOPA)设置,在时间和空间特征的低功耗振荡器的输出通过放大都得到良好的锥形结构(7,8]。相反,在这里给出的配置,锥形放大器(Eagleyard 780海里1 W, eyp - tpa - 0780 - 01000 - 3006 - cmt03 - 0000)作为增益介质腔。优势MOPA配置是对齐的缓解,优越的光束质量主要由空腔,和成本节约,因为只有一个激光设备使用。来说这是一个不寻常的锁模振荡器为最高每腔增益往返相比大多数固态锁模振荡器。一个附加的好处是意外的短脉冲持续时间。亚皮秒脉冲产生混合锁模脉冲压缩。相比传统的锁模半导体激光器,实现短脉冲持续时间在一个更高的峰值功率和脉冲能量。

2。实验结果

使用商用助教,聚焦和准直光学隔离器。光隔离器是必需的保护二极管对任何反射截面大的方面,可能导致激光损伤小截面设备的输入端。出于测试目的,助教首次MOPA设置特点,确定输入强度(使用Ti:蓝宝石激光源在780海里),泵电流,导致饱和输出。的最大输入功率没有观察到增益饱和,增加泵电流时,决心是7兆瓦。输入功率,最大输出功率610兆瓦(最大泵电流),对应于一个小信号光增益87或19.4分贝。

草图的环腔呈现在图1,包括锥形放大器,和半波片的组合(HWP1)和偏振分光镜(PBS)限制的功率耦合到输入端助教,同时提取最大的环形激光器。第二个半波板(HWP2)调整偏振匹配所需的输入偏振的助教。

在连续波操作(100%反射镜的位置在图1),输出功率(测量位置在图1)与当前这个激光显示的特征阈值电流为1.1 a,和频谱集中在781海里,应用0.58 nm的温度设置C (C高于正常的操作温度范围的上限)。在图所示的垂直和水平梁配置文件2被认为是近高斯吗1.07。这样看来,空间模式是由外腔,而不是由锥形放大器。

助教输入和激光输出的关系(图3)测量通过调整通过HWP1和测量TA的输入输出耦合镜M1。对于这个测量,多量子阱饱和吸收体(发光)插入的位置的图1。峰值输出远远低于最大可能的输出TA在应用电流和温度由于高损失的腔。这些损失源于low-reflectivity镜子和高吸收发光。测量锁模操作,由于发光灯开始这种模式仅仅是不够的。

锁模是通过组合多个量子阱的饱和吸收体,在空腔重复率和电流调制。因为非常大的增益的放大器,可以使用大量的量子井,提供深度调制。发光的饱和吸收体设计套上一个组合,设计了可饱和吸收在795纳米9)沉积的布拉格反射器。双通过这个结构有一个小信号的吸收20%设计波长。一个射频信号在88.2 MHz的标准信号发生器是放大(微型电路ZHL-1-2W)峰电压4.5 V,并通过bias-T的应用阻抗。射频频率调谐匹配的mode-spacing腔。锁模操作非常不敏感的确切价值射频频率和调制深度、标准主动锁模系统如氩激光,可能是因为低品质因数的空腔。40兆瓦的输出功率可以提取偏振分束器(输出标记为在图1)。更高的力量可以很容易地获得自助教可以交付> 500 mW输出,但在锁模的退化结果。这是由于这样的事实,越高获得非线性损失不再是匹配的。应该有可能解决这个问题通过增加发光的调制深度,一直在做其他高增益锁模激光器、量子井(例如,10010]。实际上,引入一个额外的发光相同的成分和5%调制导致60兆瓦(增加60%)。此外,它导致了自我的观察开始锁模没有射频调制在低(< 10兆瓦)输出大国。1.8泵电流必须调整,以弥补额外的损失。二极管激光器的一个突出特征是一生短上国家和低饱和度影响,特征类似于染料激光。因此,没有倾向于q开关在大多数固体激光一样(例如,Nd:钒酸,Ti:蓝宝石,和Cr: LiSAF,)。纯粹的连续波锁模机制与detector-sampling验证示波器组合(上升时间200 ps), rf射频频谱分析仪。

脉冲是进一步的特点是一个光学频谱分析仪(安藤aq - 6315 a)。测量光谱宽度是2.15 nm RF调制信号,相比没有射频调制(图0.58海里4)。

一个共线的自相关的确切比例3:1(图5)表明一个定义良好的亚皮秒脉冲(11]。自相关是适合0.5 psduration的形状。持续时间。观察亚皮秒脉冲激光是意想不到的,鉴于没有色散补偿。短脉冲持续时间可以解释为大型非线性衰减(20%到30%)的发光,相比百分之一的比例用于传统固态飞秒激光器。色散补偿的使用应该使我们能够实现短脉冲持续时间,因为它将在一定程度上补偿半导体内的高相位调制效应(12)和所有其他的色散腔元素。在半导体激光脉冲持续时间减少30%曾被报道通过光栅(13)色散管理内部和外部的腔。由于TA二极管可调在一系列20 nm,短脉冲光谱可以很容易地支持。重复率有限bias-T至100 MHz。

相对短的脉冲能量有限的一生激发电子的助教。它限制的能量可以存储在助教在给定泵电流。因为它的1纳秒,减少重复率低于1 GHz不会导致脉冲能量的增加。1 W的连续波输出功率将因此导致的最大脉冲能量1新泽西。

3所示。激光器的可调谐性

之间插入两个棱镜对隔离器和发光激光器的可调谐性被用来测试。波长调谐是通过翻译1毫米平方孔径通过第二腔棱镜后的梁。调优曲线如图6表明cw 20 nm范围,而锁模操作仅限于10 nm范围内。非常有限的调优(大约6海里)另外可以通过调整助教工作温度之间C和c .我们不能变得更接近所需的波长795 nm的助教厂家设定的温度范围内。应该注意的是,助教的波长范围,使用时可调主信号放大,是超过40 nm根据制造商规范,并从我们的腔明显大于我们所观察到的现象。

4所示。结论

小说的外部环腔混合锁模半导体激光器,采用锥形放大器,是证明。设备的高收益使其技术上可能引入大量额外的元素来改善其性能。啁啾补偿与光栅、棱镜或涂料,与更大的调制深度和一个发光的例子。混合锁模是通过结合射频调制与发光饱和吸收体,导致0.5微微秒的最小脉冲长度和平均功率高达60 mW。的峰值功率1.4千瓦,总脉冲能量高于0.68新泽西代表提高一个数量级以上那些由传统的窄条纹锁模半导体激光器(13]。

这些属性,以及稳定性、健壮性、梁空间质量,缓解对齐,使这个系统一个有前途的替代应用程序要求高功率(14,15),测量腔内执行(16]。放大器和发光饱和吸收体可以适合任何波长在可见近红外范围内(9]。每往返高增益使这一个不寻常的和有趣的锁模腔。效应的进一步研究,例如,改变腔元素的顺序可能会导致更好的理解锁模激光腔。

承认

这项工作是由NSF在批准号ecs - 0601612。

引用

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