单纵模选择固体激光技术的发展

文摘

与窄线宽激光器和单频率广泛应用在雷达探测等领域,非线性光学,精密测量。这种激光器的需求促进了单纵模的快速发展(SLM)选择技术。在这里,我们强调目前主流SLM选择技术的工作原理以及该领域的最新进展。我们比较不同SLM的特征选择方法,列出这些技术所面临的挑战。

1。介绍

只有一个基频分量,单纵模窄线宽的优点(SLM)激光和低相位噪声,因此非常适合应用在high-coherence光源是必需的,包括多普勒风激光雷达大气成分测量,相干光通信、引力波探测、引导明星,钠和非线性光学1- - - - - -5]。一般来说,如果一个SLM激光的线宽比解决窄频谱分析仪或特定介质的非线性增益带宽,它被认为是一个单频激光。SLM激光的产生通常是基于组合的线宽增益介质,腔的损失。另外,SLM选择方法可以应用于固态激光器产生SLM激光器(6,7]。由于他们强大的力量(平均和峰值)扩展能力和广泛的波长范围,固体激光发挥重要作用在太空探索,防守,和制造(8- - - - - -10]。在过去的几十年里,已经有兴趣增加对SLM固体激光的选择,这也促进了光学组件的开发,空腔结构,和活跃的控制器。

驻波腔,每个纵模之间的频率间隔(振荡频率)所描述的在哪里c光在真空中的传播速度,n是整体的折射率腔,l是空腔长度,如图1(一)。通常,谐振器包含一系列离散的纵向模式增益曲线高于阈值的范围内。也就是说,在一个自由运转的激光(没有SLM选择),一系列的纵向模式的间隔可以摆动的自发发射光谱增益介质,如图1 (b)。此外,空间烧孔(SHB)也是一个腔中的多个纵向模式的原因。SHB效应,更强大的增益饱和的结果在激光强度较高的位置,导致激发密度的空间格局11]。由于SHB,不同的纵向模式可以使用激活粒子在不同空间同时产生振荡。

(一)

(b)

目前,控制阈值和引入竞争模式是主要的方法来生成SLM激光输出。因此,特殊腔设计或引进模式选择组件生成SLM进行激光。常见的方法实现对固体激光SLM操作包括短腔,腔内校准器,单向环形腔,twisted-mode腔,种子注入(12- - - - - -18]。虽然很多技术方法已报告,还没有论文概述了各种SLM选择技术和特点(viz.精度、成本、输出功率、易于制造、等)的不同的方法。本文总结了SLM选择技术和评论的发展一些典型SLM激光器,包括激光在各种应用程序的未来前景。

2。SLM技术选择

2.1。短腔方法

根据方程(1),∆的纵模间隔ν光学长度成反比问谐振器。因此,通过缩短腔长、频率间隔相邻纵向模式可以大于介质的增益谱线宽度。如图2,只有一个纵模振荡的增益曲线达到阈值。这个SLM选择方法称为短腔的方法。意识到一个足够大的纵模间隔通过短腔方法,毫米级的腔的长度通常是固体激光器所需。

1979年,Kubodera和大冢(19提出了一个激光二极管(LD) end-pumped微芯片LiNdP₄O₁₂SLM激光腔的长度只有300μm。这个实验装置如图3。稳定的连续波(CW) SLM输出2兆瓦(1.048μ米)和0.5兆瓦(1.317μ米)。2010年,李et al。20.]提出了Tm,何鸿燊:伊沃₄芯片激光腔长度为0.5毫米。在他们的研究中,获得了1.2 W multilongitudinal模式输出的制冷温度77 K。激光产生单频8 mW输出为2052.6 nm当温度增加到室温(15°C)。2010年,王等。21)提出了SLM的连续波激光Tm,何鸿燊:YAP微芯片激光发射在2000.4海里。在2015年,你等。22)开发了一个LD end-pumped SLM芯片激光发射在2.7μ使用600μ米厚的重掺杂Er: GGG晶体。最大输出功率为50.8兆瓦,最大0.306 mJ脉冲能量脉冲重复率为300,200,和100赫兹。2019年,陈等人。23意识到1521海里SLM微芯片问将激光公司^{2 +}:毫伽₂O₄饱和吸收体厚度在1.52毫米Er: Yb:青年团₃(博₃)₄晶体。16.5最大单脉冲的能量μJ的重复率26.3 kHz和脉冲持续时间2.9 ns生成。

不需要插入任何模式选择器腔,SLM固态激光器基于短腔激光器的发明以来发展迅速。然而,减少几何腔长度和增益介质的大小这样的芯片结构导致低输出功率(∼mW)。与此同时,规模不大,很难将非线性光学元素或调制设备添加到腔来调整输出波束的输出特性。

2.2。腔内校准器方法

法布里-珀罗(FP)标准量具,基于干扰模式的效果,可以用作纵模选择元素(24- - - - - -26]。当一个插入FP校准器,只有最高的纵模透光率腔振荡,而另一个模式不能达到阈值,因为透光率极低。即FP校准器增加净收益区别不同的纵向模式(通过自由光谱范围(FSR))实现SLM的输出。FP校准器模式选择的原理如图4。

早在1963年,柯林斯和白色(27)用FP校准器模式选择器,这是由28.6毫米×3.2毫米石英公寓反射率为70,85年为93%。他们成功地实现单纵模输出,同时减少光束发散角的衍射极限。1970年,Danielmeyer [28)提出了一个理论模型纵向模式选择和频率稳定基于腔内校准器设计和实验证明线性偏振单频输出功率增益曲线的中心附近的150兆瓦。2009年,姚明et al。29日)开发了一种窄线宽CW Tm:林业激光双FP校准器(0.5毫米和0.1毫米的厚度)。激光在1.9μm半宽度(应用)约为0.15 nm和最大输出功率为14.0 W。目前,SLM输出通过腔内校准器方法已被证明与Tm等不同增益介质,何鸿燊:林业(30.),Er:掺钕钇铝石榴石(31日],何鸿燊:LuAG (32]。

etalon-based SLM激光有一个简单的整体结构的特点,密实度高、波长和自定义(例如,光学材料、厚度和反射率的校准器设计可以根据腔属性)。然而,由于额外的腔内损耗引起的校准器和有限的阈值之间的差距相邻纵向模式,很难产生大功率SLM直接输出。因此,这种方法往往伴随着需要更高的权力时,功率放大器为特定的应用程序。

2.3。行波腔

均匀加宽激光器的增益饱和效应引起的模式竞争有助于产生SLM振荡。然而,由于SHB效应引起的驻波,难免产生multiple-longitudinal模式的激光输出,当泵浦功率足够高。消除SHB效应,光束可以在谐振器沿单方向传播,形成了一个行波共振腔。基于这个观点,不同的结构开发了SLM代非平面环形振荡器(NPRO),包括一个离散的环形腔,腔和扭曲模式。

2.3.1。NPRO

NPRO组成的单个激光晶体在激光循环(17,33]。激光晶体的正面有介质涂层(见图5),它作为输出耦合器也作为一个部分偏振的元素,促进单向振动。此外,其他所有内部表面促进全反射。外部磁场的作用,单向操作的过程可以轻松获得一个极化抑制其他偏振,从而避免任何引起SHB驻波模式。

1985年,凯恩和拜尔(17)率先实现LD-pumped Nd: YAG整体非平面环形腔激光器。163兆瓦的单纵模激光输出1064海里。然后,他们提高了频率稳定度通过使用一个类似腔类型和结构,生成single-frequency-stabilized激光40 kHz的频率波动(34]。2013年,王等。35演示了一个8.0 W单频激光操作为2.1μm从何:YAG-based NPRO。实验设置如图6。在过去的二十年里,不同的晶体也被应用于NPRO激光器单频代,包括Tm:掺钕钇铝石榴石(2.0μ发射)(36),Er:掺钕钇铝石榴石(1.6μ发射)(37),和Nd: YAG (1.1μm和1.3μ(排放)38,39]。

NPRO激光高度紧凑稳定提供低损耗高,可以用于生成大功率SLM输出。此外,慢速和快速调谐激光器的频率可以实现通过控制结晶温度和压电陶瓷的NPRO激光。因此,基于NPRO SLM激光显示领域的良好应用前景相干光通信。

2.3.2。离散环腔(单向操作)

近年来,环谐振腔,开发出了基于离散生成SLM输出。单向操作是最常见的实现通过使用腔内的法拉第旋转器。1972年,clob和Brienza [40)实现单纵模运行Brewster-cut Nd: YAG激光通过使用环腔配置包含一个小的微分损失基于法拉第旋转器的使用。2009年,赵et al。41)使用four-mirror环腔产生13.6 W单频输出和Nd:伊沃₄/沃₄结合晶体作为增益介质。同年,Shardlow和Damzen42报道一个单频输出的17 W三反环腔通过构造一个Nd:伊沃₄板条晶体。2010年,赵et al。43)开发了一个12 W单波长1064纳米的激光通过使用four-mirror环腔与转换效率高达52.7%。

NPROs不同,这个空间行波腔结构也有助于非线性晶体实现高效的插入腔内非线性频率转换,从而延长SLM激光的波长范围。此外,倍频过程中执行行波腔有助于实现稳定的单纵模的基频光操作。介绍了非线性损失可以抑制不活跃的纵向模式的基频光腔,从而减少multilongitudinal模式振荡的可能性或模式跳44]。2011年,刘等人。45)展示了一种连续波单波长532纳米的激光频率6环谐振器和腔内倍压器。在他们的研究中,一个标准量具插入腔狭窄的增益谱和抑制模式跳跃。实验设置如图7。2013年,王等。46)开发了一个25.3 W腔内倍频单频绿光激光器four-mirror环腔,结合控制边界温度。

SLM激光器基于单向操作离散环腔弹性腔设计的优点和泵结构,这是有利于实现更高的输出功率在一个宽的波长范围。

2.3.3。扭曲模腔

扭曲的模式腔是另一种常见的方法来消除SHB效果。SLM激光操作实现了偏振器插入腔和两个四分之一波长板两端的增益介质,分别。这样,光场在增益介质不再是驻波模式,从而消除SHB效果。扭曲的模腔的示意图如图设置8。

2005年,吴et al。47)展示了2.1 W单一频率1.06μm基于扭曲模式腔激光器。2011年,高et al。48]报道扭曲模式SLM激光在2μ以Tm m:掺钕钇铝石榴石作为增益介质。1.46 W单频激光obtainedwith斜率效率19.2%。2019年,罗等。49)设计anLD-pumped SLM公关:林业种植在640 nm激光,直接震荡。图所示图9。低于3.5 W蓝色抽水,403 mW SLM操作线宽为150 MHz,斜率效率为26.8%。

SLM基于扭曲模式腔激光器腔内偏振敏感状态,因此极大地影响thermally-induced增益介质的双折射,这限制了权力扩展。

2.4。卷布喇格光栅(VBG)方法

VBG高衍射效率是一个替代解决方案实现SLM激光。任何波长变化违背了布喇格条件将导致衍射效率显著下降。因此,VBG可以用作“过滤器”实现高反射特定波长或乐队,显示了良好的光谱和角选择性。反射和递送的vbg可用于模式选择。VBG的工作原理如图10。

(一)

(b)

2013年,太阳et al。50)使用系列定时反光卷布喇格光栅(篮板)作为输出镜和主动q开关用于获得一个稳定的1063.9 nm SLM脉冲输出。实验设置如图11,设备的光学腔长度38毫米。在q开关重复频率是5 - 150 Hz,峰值功率为0.66兆瓦,脉冲宽度是645 ps。当光学长度达到100毫米,将生成多个模式。获得晶体长度只有2.6毫米,这限制了进一步增强。2015年,金等。51)使用篮板和石墨烯被动q开关获得单频激光脉冲输出功率724 mW,单脉冲能量为7.5μJ,重复96.2 kHz的频率和持续时间为2.2μ年代。被动q开关脉冲建立时间增加,这有利于SLM的实现。然而,被动的q开关的输出脉冲时间抖动,这限制了其应用范围。

由于激光的增益介质的限制,谐振腔的长度不能再缩短。这可能导致光栅带宽超过纵模间隔。是不可能达到与单个VBG SLM操作。因此,多个VBG是必需的,模式选择是由这些光栅的组合。2009年,回族等。52)提出了一种基于SLM激光在VBG相结合,和其结构如图12。相结合的传输和反射光栅用于选择输出光角度和波长,因此激光实现SLM振荡,得到一个输出波长为1053 nm和脉冲能量的2倍木星质量。

布喇格光栅有限精度的模式选择和一般用作复合模式选择结构的一部分。篮板通常用作谐振腔的输出镜。

2.5。种子注入和放大方法

上述的输出大国SLM选择技术在一个腔都相对较低。产生更高的输出功率,提出了种子注入和放大方法。基本原理如下。单频低功耗种子的时间和空间特征注入谐振器。下行边缘附近的空腔长度不断改变抽运脉冲和检测到匹配的种子光和空腔的振荡模式。在这种情况下,种子光共振腔时,问开关打开,从而输出单频脉冲激光器的线宽在傅里叶变换极限。公园等。53)显示的频率SLM种子注入固体激光器输出的不是一模一样的种子光的频率,但纵模频率接近种子光的频率。种子注入技术起着至关重要的作用在能源稳定和频率稳定输出的激光和单纵模激光器的核心技术。常用的种子注入技术包括最低设置时间,共振检测技术,优化磁共振检测技术。这种技术的原理图所示13。

2007年,施罗德et al。54]设计了一个seed-injected Nd: YAG单频紫外激光对机载多普勒风激光雷达使用的技术减少沉降时间。100赫兹脉冲时间35 ns和线宽测量的拍频小于15 MHz经过两级dual-pass放大器和非线性晶体。这导致一个输出355 nm紫外线激光脉冲能量的60倍木星质量和脉冲宽度减少到25 ns。

1986年,亨德森et al。55)提出了一个scan-triggered共振检测技术。2017年,高的研究小组开发了一种seed-injected Ho:单纵模激光掺钕钇铝石榴石(56),使用纤维的线宽大约10 kHz。耦合输出Ho:掺钕钇铝石榴石单片使用非平面环形腔(NPRO)激光器种子源,和驱动空腔是一个声光q开关蝴蝶four-mirror环腔泵的连续波Tm:林业激光。结构如图14。Ramp-fire共振检测技术被用来实现一个稳定的2.09μm SLM激光输出与输出脉冲能量6.24 mJ, 172纳秒的脉冲宽度和重复频率1 kHz。谱线宽测量为2.61 MHz使用光拍频的方法,和能量稳定不到3%。能量稳定指数还有很大的改进余地。

解决问题的输出激光能量抖动造成的不稳定问Ramp-fire共振的切换触发信号检测技术,研究人员提出了一些改进。1997年,弗莱et al。57]提出了scan-hold-fire (Ramp-hold-fire)共振检测技术基于Ramp-fire共振检测技术。这种技术的原理类似于Ramp-fire共振检测技术。不同之处在于,当检测到干扰峰,问立即开关没有打开,但扫描电压应用于压电陶瓷保持在同一水平,当检测到干扰峰。这时,驱动腔的纵模频率保持一致与种子光的频率,直到问开关触发信号到来。技术工作原理如图15。

2016年,张等。59)开发第一个seed-injected Ho:掺钕钇铝石榴石激光陶瓷使用这项技术。2.09使用的激光μ米种子激光器输出脉冲能量为14.76 mJ, 121.6 ns,脉冲宽度和重复频率为200赫兹。小时的操作线宽为3.84 MHz。

为了进一步提高输出激光能量的稳定性和避免外部干扰的影响尽可能Ertel et al。60)在2005年提出了共振检测技术与反馈。2007年,周et al。61年]提出了delay-sweep-trigger (delay-ramp-fire)共振检测技术和这项技术的一种改进方案,双压电陶瓷(压电)共振检测技术偏差反馈(62年]。2016年,高et al。63年)结合实时共振跟踪检测方法,提出了一个新的种子注入技术:双压电正弦扫描共振检测技术与偏置电压反馈。单频激光由这种技术的输出脉冲能量0.7 mJ, 27个ns的脉冲宽度,重复频率400赫兹,和线宽18 MHz。小于9.1 MHz的频率抖动测量30分钟内。2014年,吉波特et al。64年)使用Pound-Drever-Hall (PDH)注入锁定技术开发双波长单频Ho:林业激光。输出激光频率稳定度的标准偏差2 MHz,和频率抖动范围在10年代不到70 kHz,非常适合差分吸收雷达探测大气CO₂浓度。2017年,德国航空航天中心Lemmerz et al。65年)采用scan-delay-trigger (Ramp-delay-fire RDF)共振检测技术开发机载风力测量雷达的全固态紫外激光器。振荡放大结构,结合杠杆收购I型频率双晶体和II型杠杆收购和晶体频率,实现了紫外激光器输出脉冲能量的60 mJ, 20纳秒脉冲宽度和重复频率在50 Hz 355海里。

图16显示了RDF的触发机制的原则共振检测技术。泵启动时间,是压电扫描电压开始时间、峰值检测开始于一个固定的时间吗 ,第一个峰值检测。为了触发雷达回波光探测器在一个精确的时间脉冲生成,触发时间T₆预计下一个脉冲基于之间的区别和确定的时间触发器返回光探测器,改变腔内的延迟时间以补偿腔长度的变化引起的压电陶瓷在此期间(包括脉冲建立时间)。这种方法可以减少脉冲时间抖动造成的外部干涉ramp-fire技术和帮助最终实现单频激光发射源与稳定的频率和时间。

种子注入的方法可以有效地提高激光器的输出功率,和种子激光的光束质量有很大的影响。因此,它是非常重要的使用合适的种子激光器注入技术。在现有技术中,种子注入方法往往是级联非线性晶体形成一个倍频大功率激光器(66年]。

2.6。复合腔的方法

共振腔相比,只有一个光传播路径,复合腔有两个或多个光传输路径,有共同的地方。不同的光传输谐振器被称为subcavities,复合腔由多个subcavities组成。取决于光的传播路径的方向分离,复合腔可分为同一方向复合腔和分岔复合腔。一个典型的复合腔模式选择结构如图17。激光的镜子一端被三个镜子的组合。其中,和全反射镜和吗以适当的透光率是一面镜子。对于传输镜子,这种组合相当于两个谐振腔的耦合:一个共振腔组成和空腔的长度 ,和其他谐振腔组成和空腔的长度。如果和很短,短的耦合共振腔和谐振腔长会形成。纵模频率间隔短的共振腔

长腔的纵模频率间隔在哪里μ腔中气体的折射率。光只有上述两个共振振荡条件达成。因此,只要选择足够小,SLM输出可以获得。

干涉仪复合腔通常是用来生成一个SLM激光。迈克尔逊干涉的复合腔(67年)和狐狸——史密斯干扰仪式复合腔(68年)是两个干扰的复合腔的代表。全光纤激光器中,有许多复合腔通过光纤实现的例子,有更少的化合物的应用在固体激光腔。2016年,白等。69年)展示了一个基于three-plan SLM q开关激光共振反射器,这是一个线性腔复合腔。10倍木星质量的激光将单脉冲能量和脉冲宽度为10.7 ns 10赫兹。

2.7。非线性频率转换方法

非线性频率转换如倍频、受激拉曼散射和受激布里渊散射提供有价值的额外增加增益竞争机制,因此加强SLM稳定(44,70年,71年]。例如,SLM激光手术可以获得简单的蛀牙,即使没有单模限制泵激光器由于SHB自由和喇曼增益均匀的本质。

2019年,盛et al。72年)演示了一个单频腔内喇曼激光器基于光谱清理SHB免费SRS获得媒体的影响。单频喇曼激光器如图18。在他们的研究中,multi-watt稳定SLM斯托克斯(∼1178海里)是来自于多模Nd: GdVO4基本(线宽< 0.1 nm @1.06μ米)通孔燃烧自由拉曼增益。然后,SLM黄色输出波长的589.16 nm通过腔内倍频的斯托克斯波的时候调到1178.32纳米。

2019年,杨et al。73年)开发了一个钻石喇曼激光器单纵模输出大国的38个W 620 nm和11.8 W 1240海里。拉曼腔是基于一个简单的驻波结构由multilongitudinal模式激光泵。随后,同一组(5]证明了SLM和near-diffraction有限波长589纳米的激光光束质量产生驻波钻石喇曼谐振器与腔内二次谐波的一代。63 W 1018海里泵,589 nm激光输出功率高达22 W。实验配置如图19。

SLM激光操作基于非线性频率转换可以导致更多类型的激光频率。然而,这种方法有一个高要求的非线性晶体,和它的输出模式质量是有限的材料质量和晶体的非线性性质。

2.8。Multistructure组合

在实践中,由于零件的加工工艺和结构本身的特点,选择单模结构越来越无法满足SLM的要求选择。克服这一点,多个结构结合起来提高SLM选择水平。2014年,张等。74年)上海光学和力学研究所使用的扭力腔结构,结合共振检测技术,获得双脉冲SLM脉冲输出,如图20.。当使用dual-crystal RTP电光调制,单脉冲能量将达到10倍木星质量。生成的输出的脉冲宽度是20 ns,重复的频率是50赫兹,光电转换效率和斜率效率分别为22.4%和33%,分别。然而,如果压电控制腔长度以满足共振条件下,会发生波动,滞后效应的压电陶瓷将减少稳定。为了克服压电的缺点,Zhang et al。75年2017年)取代压电电光晶体。scanning-delay-triggered共振检测技术是用来控制腔长度,提高激光器的稳定性。脉冲能量增加到13个乔丹,脉冲宽度是20 ns,重复的频率是50赫兹,光电转换效率和斜率效率分别为27%和34%,分别。

2019年,胡锦涛等。76年)和其他人使用了篮板和FP校准器,共同选择的模式和使用加压q开关的方法。结构如图21。可以实现稳定的单频腔长度为145.7毫米。一个脉冲输出功率750兆瓦,75年的单脉冲能量μJ、频率10 kHz和脉冲宽度8.3 ns可以使用这种技术获得。

2020年,金等。77年)提出了一个结构的主动和被动双q开关结合多个纵模选择技术。这个结构如图22。使用饱和吸收水晶调整腔损失,结合共振反射器(标准量具)和twisted-mode技术、对称脉冲激光器输出单脉冲能量10.8 mJ,脉冲宽度9.8 ns和SLM率为96.2%。

3所示。总结与展望

本文概述了主要的SLM选择方法应用于激光,主要是短腔方法,标准量具的方法,行波谐振器的方法,VBG方法,种子注入方法,复合腔方法,非线性晶体的方法。不同方法的优缺点比较表1。


方法	优势	缺点

短腔方法	最直接的方法,结构简单	低功率、低稳定性
校准器方法	结构简单能产生相对较高的权力	介绍插入损耗,阈值的依赖
行波腔方法
非平面的	结构紧凑、稳定性强	高加工需求,有限的调谐范围
离散的环	各种各样的组件可以插入,具有良好的模式选择的效果	复杂的结构
扭腔	结构紧凑,易于实现	对偏振敏感,极大地影响热效果
VBG方法	低温影响,高稳定性	精度低,操作光谱范围有限
种子注入	大功率操作可以实现	种子光对产量有很大影响
复合腔的方法	低温影响,高稳定性	可怜的单一结构的选择
非线性晶体的方法	变频	继电器的特性非线性光学材料、量子缺陷
Multistructure组合	精度高	复杂的结构,稳定性差

科学研究的进步,增加实际需求的驱动下,SLM激光器的性能将逐步成为更好的未来。小型激光具有高稳定、效率高、窄线宽、大能源将在未来成为现实。种子注入方法,非线性晶体的方法,和复合结构的方法是技术领先的未来选择。种子的利用高功率注入方法,非线性晶体的非线性频率转换特点,和精度高的复合结构在实际应用的重要因素。此外,使用纤维在固体激光谐振器也可以帮助使复合谐振器的使用更加广泛。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2017 yfb1104503),关键领域的研究和发展项目广东省(2018 b090904003),河北省自然科学基金(F2019202337),河北返回海外学者基金会(C20190177),河北科技创新战略资助项目(20180601)、光电信息技术教育和重点实验室(天津大学)(2020 kfkt005)。作者要感谢支持创新和创业培训项目的河北科技大学。

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