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1、书书书!第!卷!第#期强激光与粒子束$%&!(%#!)*+年#月,-.,/012 3 4 5 6 2 3 5(7/53 8-9 4 2:2 5;65#?)*+#*#*+*+*超短脉冲分布反馈染料激光器稳定工作条件分析张永生!颜立新)!黄!珂!刘晶儒!西北核技术研究所!陕西 西安!*)#$!)!清华大学 工程物理系!北京!*A#!摘!要!利用耦合波理论!分析了一种作为B=C准分子激光;0/5系统的振荡源亚皮秒超短脉冲分布反馈染料激光器7 C 7 4#的输出模式!指出实际的分布反馈染料激光器工作在单纵模状态是周期性增益调制的必然结果%数值模拟结果表明!7 C 7 4输出光谱出现多条谱线的精细结构或
2、调制现象!这是由多个顺序相干脉冲产生的%可以利用这种光谱调制现象来控制激光器的泵浦强度!获得稳定的单脉冲%光谱测量结果表明!在)倍泵浦阈值左右7 C 7 4能够获得稳定的单模单脉冲输出%!关键词!分布反馈染料激光器$!耦合波理论$!纵模$!泵浦阈值!中图分类号!8()#A!文献标识码!5!分布反馈染料激光器7 C 7 4#能够很容易地产生皮秒&亚皮秒的超短脉冲!+(!而且具有良好的光谱分辨率D E F=G=F D H I%=J&K J K G E L#%因此!我们利用6 M F G J F=K型分布反馈染料激光器作为振荡源产生亚皮秒激光!经:0晶体倍频后获得)#AD J的紫外超短脉冲!在加入了
3、一台大口径B=C放大器后!已经建成了一套!*J N&脉宽*+H&波长)#AD J&重复频率!*,M的紫外高亮度源)!(%!在该高功率超短脉冲激光系统中!除了要求7 C 7 4输出光脉冲具有良好的光束质量和稳定的光谱构成之外!还要求振荡源提供稳定的单脉冲%获得良好的光束质量和稳定的光谱构成的最好方法是实现7 C 7 4振荡源单模 单横模!单纵模#输出%分布反馈染料激光器有着不同于砝珀腔激光器的独特纵模特性!B%D O E&D K P和6 Q F D P利用耦和波理论给出了分布反馈激光器模式结构(!但在实验中均没有观察到明显的理论预言的多模振荡)!A!R(!本文对此给出了理论分析%在7 C 7 4
4、中超短脉冲的产生是一个腔的自倒空过程!光脉冲在腔内将激活介质的增益和增益调制完全漂白而输出超短脉冲%因此!在泵浦脉冲的宽度远大于腔的寿命的情况下!能够产生多个超短脉冲输出!*!)(!这在许多应用中是不允许的%本文在分布反馈激光器模式分析的基础上!给出了一种多脉冲输出的测量方法!从而能够针对具体的器件给出合适的泵浦强度!实现超短脉冲分布反馈染料激光器的高质量稳定输出%!超短脉冲分布反馈染料激光器构成!为了从7 C 7 4得到亚皮秒的超短激光脉冲输出!必须使得泵浦光的前沿非常陡或者脉冲宽度足够短%为此使用了一系列的染料激光器来获得合适脉宽的泵浦光%染料激光器和放大器均使用一台4 F J S L F
5、/Q T H K U H公司的V E 9&准分子激光器提供泵浦%V E 9&准分子激光器产生上升前沿为+D H!脉冲宽度C1,;#为)*D H的激光脉冲!由分束片分束后分别用于泵浦染料激光器和相应的放大器%V E 9&激光首先泵浦淬灭腔染料激光器W 9 7 4#!产生脉宽约)*H!波长?#*D J的亚纳秒激光脉冲%顺次用该激光脉冲泵浦短腔染料激光器6 9 7 4#和门控饱和吸收体.6 5#!将激光脉冲宽度压缩到约R H%经放大器放大后!泵浦光通过可调扩束望远镜聚焦入射到透射型衍射光栅上并将X!#级衍射光和Y!#级衍射光聚焦到显微物镜前焦面上!经消色差显微物镜后两个成一定角度!的平面波在染料池内
6、叠加的区域干涉!增益区的直径约!*J!长度约!*J!使用的染料为9?*!溶剂为7;C!染料的浓度为*!J%&)4%干涉条纹产生的周期性增益结构形成动态光栅!即分布反馈染料激光器!通过调节透射光栅的位置和使用合适的泵浦强度!获得波长为#R D J的*H超短脉冲激光输出%顺次通过两级染料放大器并用饱和吸收体滤掉5 6 2后!利用:0晶体倍频获得)#AD J的*+*)?$!修订日期!)*#!)?*基金项目!国家A?计划项目资助课题作者简介!张永生!R?*#!男!硕士!助理研究员!主要从事激光技术和激光应用工作$西安市 R )信箱%书书书!谐波型增益调制分布反馈激光器的耦合波理论!为了分析!#的模式结
7、构并交待文中各符号的物理意义!根据文献$#!简要给出分布反馈激光器的耦合波理论$由两束光干涉泵浦的分布反馈染料激光器可以看作是一个纯粹的空间增益调制结构!即!%!&!#!%&(%)*!&%&式中!是单位长度的平均增益系数(!%是空间增益调制的幅值(*!)#!#是光栅周期$求解波动方程#)#$)%!&#%*%)&省略掉时间关系项+,-%.$&!整理得到$)%!&$)#).!#/%&(%)*!&%0&式中是激光介质中光的传播常数(%是耦合系数!对于纯粹增益耦合的情况!耦合系数%).!%/&尝试将如下形式的解%!&+,-%(.*!&#)%!&+,-%.*!&%1&代入波动方程!得到(*#%!(.&.
8、%)!)*#%!(.&).%2&式中&334*$设%2&式具有如下形式的通解%!&+%+,-%(!&#+)+,-%(!&!)%!&,%+,-%(!&#,)+,-%(!&%$&其中(是复传播常数!并且满足色散关系()%)#%!(.&)%5&(的本征值方程可以通过边界条件来获得$作为振荡器!边界条件为%(-)&)%#-)&*%6&-是增益介质的长度!并取激光器中心为坐标原点$这个边界条件说明腔内振幅空间分布形式为%!&%*(7 8%!#%-)&#!)%!&.%*(7 8!(%-)&#%*&这种空间分布形式表明激光器中存在驻波解$本征值(由下式得到%.()(7 8 9%(-&%&对应每一个(值!都能
9、够得到相应的共振频率和阈值增益大小!并满足关系式!(.%&(9%(-&(&:9%(-&%)&!根据耦合波理论得出的增益型周期结构色散关系*分布反馈激光器不同模式的本征值和阈值增益!我们将具体分析谐波型增益调制!#的工作模式$!分布反馈染料激光器的振荡模式!单横模工作条件可以通过限制增益区的尺寸来实现$例如!对于使用的!#!在工作波长为*;1#;?9 8 A等人在很高的泵浦强度下获得了窄带但明显多线的激光输出!并认为激光器具有多模输出$%6$6年B(;C D指出实验结果与耦合波理论给出的结果不符!他将这种实验中观察到的光谱结构不稳定性解释为热量沉积引起的波长漂移!后来进一步认为是不存在类似砝珀腔
10、的确定边界条件或者是时间太短而导致模式没有形成的结果6!%/#$%6 5 5年!E&7 8:F D+等人研究了!#的线宽!认为泵浦过程中折射率的变化是光谱出现多根谱线的原因%1#$同年!B D D 7在亚皮秒超短脉冲!#实验中也在提高泵浦强度条件下观察到了光谱不规则调制现象!当时认为可能是多模输出的结果)#$%6 5 6年!?7 G 8正确地指出了出现光谱调制的原因是!#输出多个脉冲引起的%*#!但是!他没有回答!#是否存在多模输出的问题!这样就使得理论分析失去了基础!而且缺乏普适性$2*1强激光与粒子束第%$卷 7 H;%!7 H D I:9+H 7 8:9 D+(9 J K/,&L-J 7
11、 8 H(:D+8 H:9I DM D 7 L(J H 7:L K 7 8 J K+(图%!对于不同纵模的耦合强度与阈值增益关系曲线 7 H;)!N D 8(7(7 8 8 KD+I J+&:7 8(-+&:D L IK 7(:D 7 O L:+KI+K O&AD+I J+&:7 M+I 7 J:+D8+D:9+&+8:D JC D H HI D+P L+8&F图)!分布反馈反射滤波器的透射和反射系数在布喇格中心频率附近的变化关系!图%不能完全说明分布反馈激光器的模式特性!满足%#和%)#式条件只是说明各个模式具有无穷大增益的可能$实际的激光器中!振荡模式的建立还必须有足够的反馈来保证$在砝珀
12、腔激光器中!谐振腔提供给各个纵模的反馈是相同的!在分布反馈激光器中!动态光栅结构本身作为一个反射滤波器提供给各个纵模的反馈是不同的!如图)所示$从图中可以看出!除了在中心布拉格频率上有反射外!对应其他纵模 透射谱峰值位置#的反射率均为零$同时!当腔内的光强足够强的时候!分布反馈激光器两端的增益和增益调制将完全被%漂白&!从而获得一个自倒空脉冲输出!这种破坏性的%自倒空&过程也进一步减小了其他纵模获得足够增益的几率$由此可见!虽然通过阈值条件的分析得出分布反馈激光器具有和砝珀腔类似的模式结构!但是只可能在布拉格中心频率处获得振荡!即单纵模工作$7 H;0!7(-+D(7 8D+J :7 8(I-
13、L D+H 7 8 K L J :+K-+D 7 K 7&(:D L&:L D+L 8 K+DQ+A K L J :7 8!&L D M+($!%8 K&D D+(-8 K:9+D+H 7 8(7 8 7 H;%;图0!弱纯粹增益调制周期性结构的色散曲线!图中的$!%和&分别对应图%中相同标号的区域!为了进一步说明!#中的模式问题!我们画出纯粹增益调制周期性结构的色散曲线!如图0所示!并在图中用相同的符号标出对应图%中的增益系数和调制系数比值相同的区域$在忽略腔的各种损耗的情况下!分析%#式!此时有平均 阈值#增益系数和调制系数相等!即!3!%3)%!对应图%中最上面的直线$这样!$区域中!%
14、!%!类似于一个在整个腔长-上都有增益的普通砝珀腔激光器!调制的产生可以看作是由腔内驻波形成的!这种情形对应图)所示的情况!在图0中可以看到对应的R区简并为一条直线!显示没有明显的频率牵引效应$从进入%区域开始!可以认为腔内出现了周期性的损耗!此时有!%!图%中零阶纵模和其他纵模间的增益阈值差别开始变得明显%0(!从图0色散曲线可以看出!频率牵引效应变得越来越显著$当损耗进一步增大!进入&区域!从图%上看到!差别变得很大!从图0上可以看到!对于同一布喇格频率!在传播常数上出现了%禁带&!也可以说是有一个连续的传播常数带与之对应$在&区域中布拉格中心频率出现传播常数的%禁带&说明!周期性增益调制
15、结构中存在的模式只能是满足布拉格条件的驻波$在周期性增益和损耗相等的情况下!光栅结构成了一个典型的增益分布反馈滤波器!此时在布拉格中心频率处的反射将会变为无穷大!$*1第/期张永生等)超短脉冲分布反馈染料激光器稳定工作条件分析对其他纵模的反射仍维持为零!%2#这种情况对应图%中调制强度为!$)%阈值增益为零的情形#由于分布反馈周期性结构的对称性&在反射率为无穷大的情况下激光输出只能通过腔的自倒空来完成#一个看起来矛盾的情况是&在图%中&随着周期性损耗的增加&阈值增益却在减小#这一方面说明只有和光栅结构相同的驻波才能获得增益&另一方面说明周期性损耗的引入对这种结构的反射特性有显著影响&只有在图)
16、中布拉格频率附近反射曲线形状变窄时&反射率的增加才能够实现&这也表明在%区域中&频率牵引同样并不能导致多模振荡#!$%$&单脉冲输出的获得!通过上节的分析&纯粹增益调制分布反馈染料激光器均工作在单纵模状态&因此&在报道的实验中都不可能观察到耦合波理论给出的多模结构#!#在单纵模条件下工作应该得到变换受限的光滑光谱结构!%&/&6&但是&实验中发现在非常窄的线宽内&还存在着多条谱线&即光谱存在着精细结构&而且发现这些结构在不同泵浦条件下&甚至在不同脉冲中都不尽相同#以!#的模式特性分析为基础&通过速率方程给出的超短脉冲!#的时间特性!%&%)&我们就能够给出产生多条精细光谱或者光谱调制的原因#在
17、下面的分析中会发现&出现多条精细谱线和光谱中出现调制都和!#的时间输出特性有关#!#在各种条件下均能够实现单纵模输出&说明这种激光器输出的两个或者多个脉冲是相干的#对于相干的两个或者多个脉冲&通过如光谱仪%砝珀标准具等光谱测量仪器时&后面阵列探测器接收到的光谱就是多个脉冲变换到频率域中的结果#这里需要探测器的积分时间足够长&能够在一个积分时间段内接收到多个脉冲#一般情况下&!#的泵浦光脉冲都在8(量级&对于超短脉冲!#&泵浦脉冲更是短到几个-(&这很好地满足假设条件#7 H;/!#S(L:-L:(-+&:D L Q 7:9K 7 I I+D+8:-L -7 8 H:9 D+(9 J K&):7
18、 +(8 K0:7 +(O(图/!#在不同泵浦阈值下输出光谱&)倍泵浦阈值(和0倍泵浦阈值O(7 H;1!?7 L J :+K(-+&:D L I:Q&9+D+8:-L J(+(图1!两个顺序相干脉冲的傅里叶变换谱!应用中一般要求在泵浦强度变化较大的情况下仍保证振荡源的稳定输出#但是在增益调制型分布反馈激光器中超短脉冲的输出是一个腔倒空的过程&泵浦越强&腔倒空过程发生得越快&最短的倒空时间取决于腔的长度#对于超短脉冲染料激光器&泵浦脉冲的宽度远大于!#输出的脉冲宽度&在强泵浦下会产生多个脉冲&且脉冲之间的间隔随着泵浦脉冲形状的变化而随机变化#图/是亚皮秒!#在不同泵浦强度下用光谱仪测量得到的输
19、出光谱#在0倍泵浦阈值下&光谱出现了调制#调制光谱曲线的包络和没有出现调制时基本相同&说明光谱的调制不大可能来自于多模振荡#设在0倍泵浦阈值下&!#输出两个脉冲&图1是对于两个脉冲情况下的模拟结果&可以看出&模拟结果和测量结果符合得较好#当然&由于脉冲之间的间隔和每个脉冲的幅值是随机的&模拟得到的一种结果对应着多种可能的情况&但是光谱的调制总能对应!#有多个脉冲输出的情况#相干多脉冲的光谱调制现象能够非常灵敏地反映超短脉冲!#的多脉冲输出状况&因此&可以用来控制泵浦强度&获得稳定的单脉冲输出#!我们原来也认为!#光谱中出现调制是多模振荡的结果&但是深入分析后发现在处理阈值增益时将各5*1强激光
20、与粒子束第%$卷个纵模等同来处理是不妥的!虽然利用一个简化的速率方程模型给出了!#的泵浦强度范围 但这只适用于阈值附近且基于!#是单模工作假设上的 在强泵浦下不能给出正确结果!实验结果!在!#的放大器后放置一块反射光栅 将!#输出光束尽可能靠近光栅面掠入射 在后面观察较高衍射级次的光斑大小!只有染料荧光发射时会观察到一条细长的光斑!#单模激光输出时基本上为一个点 改变光路中成像透射光栅的位置 衍射光斑的位置会有显著的改变 此时即获得稳定的!#激光输出!由于泵浦光脉冲能量的抖动 在%倍泵浦阈值条件下不能保证!#每次都有输出!在0倍泵浦阈值以上 观察到了光谱调制现象 如图/所示 说明已经有多个脉冲
21、产生!通过在!#前放置一个*;1倍的中性衰减片 调节泵浦光脉冲的能量 使得分布反馈染料激光器刚好实现激光输出 然后去掉中性衰减片 这时!#即工作在)倍泵浦阈值附近!图2是在)倍泵浦阈值条件下 用紫外自相关仪在C C T倍频晶体后测量得到的结果 设脉冲为高斯线型 计算得到半宽度为1*I(!图$是同时在C C T倍频晶体后测量得到的)/58 G L:&D D+J :7 8I L 8&:7 8图2!紫外自相关函数曲线 7 H;$!?-+&:D L L J:D G(9 D:-L J(+图$!超短脉冲种子光信号的光谱(!结!论!针对具体的谐波增益调制分布反馈染料激光器 利用耦合波理论 给出了增益调制周期
22、性结构的色散关系和分布反馈染料激光器的模式结构 阈值增益!分析表明 实际的分布反馈染料激光器均工作在单纵模状态!以此分析为基础 说明在提高泵浦强度的情况下!#输出光谱出现精细结构和调制现象是!#输出多个相干脉冲的结果 并给出了数值模拟结果!可以利用!#输出光谱出现调制的现象来控制泵浦强度 从而实现稳定的单脉冲输出!实验结果表明V D 准分子激光ET W X系统的振荡源G亚皮秒超短脉冲分布反馈染料激光器在)倍泵浦阈值下能够实现稳定的单模单脉冲输出!参考文献!#%$!C DBE Y J J+DX;W 7&G(+&8 KK 7(:D 7 O L:+KI+K O&AK F+J (+D#Z$;0%1 2
23、 3+4 5 6 2 78 3 5 4&3 9%6:;&+2 4 ;,%6 5 2!%5&%1)/(%1 0 0;#)$!?:6?A,B%6 5 5#(0*1(0%;#0$!K(Q D:9ZE&A 7 8 8 7+RN J 9 L(+X!+:J;I I 7&7+8:K 7(:D 7 O L:+KI+K O&A(J 7 K(:+K F+J (+DQ 7:9K F 8 6?A,B%6 6 6()%2 0(%2 1;#/$!E L J J+DX;N Q 7 8 K+-+8 K+8:J F:L 8 O J+K 7(:D 7 O L:+K I+K O&AK F+J (+D(-L 6?A,B%6 6 2(
24、/0(/1*;#1$!E +K ET A 7_R L D V;U J:D (9 D:-L J(+H+8+D :7 8I D 8 7 8:+H D :+K(7 8 H J+G&9 7-K F+J (+D#Z$;0%1 2 3+4 5 6 2 78 3 5 4&3 9%6:;&+2 4 C;,%6 6$%)&)%/2()%/6;#2$!张永生 黄珂 颜立新 等;基于?H 8&干涉仪的紫外超短脉冲放大技术#Z$;强激光与粒子束)*/*(%/&/1(/5;%B 9 8 H_?a L 8 H6*1第/期张永生等超短脉冲分布反馈染料激光器稳定工作条件分析V!_ 8#b!+:J;U J:D G(9 D:-L
25、 J(+-J 7 I 7&:7 8O (+K 8?H 8&7 8:+D I+D +:+D;D E?2 F:+-5,:+5 4 G?5+&;=L-J+KQ M+:9+D F IK 7(:D 7 O L:+KI+K O&AK F+J (+D(&Z;1=6?A,!%6$)!#1#$)0)$%)0 0 1;&5!?9 8 A=!C.D A 9 J 6?A,-:&!%6$%!*+5#$0 6 1%0 6 2;&6!C DB(!E Y J J+DX!c&C;U 8 KO J L+-7&(+&8 K-L J(+H+8+D :7 8O F8 7:D H+8 D G J (+D G-L&I 2 9 C9 3 4
26、!%6 5)!#,/#$)6/%)6 2;&%*!?7 8W!+D 9 D K:a!?:D 7?;?7 -J+:9 KI D:+&I 2 99 3 4!%6 5 6!-*1#$0*1%0%*;&%!C DB!E Y J J+DX!c&C!+:J;U J:D (9 D:-L J(+H+8+D :7 8O FK 7(:D 7 O L:+KI+K O&AK F+J (+D(&Z;=6?A,B!%6 5)!-$6%/;&%)!L J B!_ L.7T!E 7:(L E +K ;L +D 7&J(7 L J :7 8 I-L J(+KJ (+D-L -+KK 7(:D 7 O L:+K G I+K O&
27、AQ M+H L 7 K+K F+J (+D(O F&L-J+KQ M+:9+D F&Z;0%1 2 3+4 5 6 2 78 3 5 4&3 9%6:;&+2 4 ;,!)*0!)1#$2$0%2 5*;&%0!张永生!颜立新!黄珂!等;分布反馈染料激光器实验研究&Z;红外与激光工程!)*1!#)#$%1$%2*;B 9 8 H_?!_ 8#b!a L 8 HV!+:J;,-+D 7 +8:J 7 8 M+(:7 H :7 8 IK 7(:D 7 O L:+KI+K O&AK F+J (+D(;0 4 7+5+:G5 4 G-5,:+%4 E 4:+4 E!)*1!#)#$%1$%2*#&%
28、/!C DB(;R 8:D -L J(+:9+D 6?A,!%6$6!*)$0 6%/%;&%1!E&7 8:F D+RX!#L(:FE!L 8 8E a;#7 8+Q 7 K:9 G K+:+D&;,!%6 5 5!0#$0)1%0/0;&%2!a L(a X!V 9 8EZ;7 8 G K 7(:D 7 O L:+KI+K O&AI 7 J:+D(&Z;1 2 3+4 5 6 2 7-E&F 5/:K:;4 2 6 2 E A!%6 6 1!*)#$)2%)$/;./0 1 2 3 4 35 6 3 7 0 8 1 95:9;0 7 4 5/5 6 1 7;0 3=5;7:4 3 7;4
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