微芯片激光器 Microchip lasers

2022-11-09 10:56:06 浏览:232

定义

具有准单片设置的固态激光器。

微芯片激光器是无对准的单片固态激光器[1],其中激光晶体(或玻璃)直接与激光谐振器的端镜接触(见图1)。 这种激光器通常直接或通过光纤泵浦激光管(→二极管泵浦激光器)。 它们通常发出几百毫瓦的平均功率,即使有时会达到 1 W >。

图1:微芯片激光器,由两端面带有介电镜涂层的激光晶体组成。

用于微芯片激光器的常用激光晶体类型是Nd:YAG和Nd:YVO4用于 1 μm 或 1.3 μm 区域的发射,有时在 0.95 μm 左右。 最近,高掺杂陶瓷激光增益介质也越来越受到关注。掺铒晶体或玻璃作为增益介质,可在1.5μm区域实现人眼安全的发射波长[7]。 通过非线性频率转换获得较短的波长(见下文)。

在某些情况下,激光介质和端镜之间可能存在另一种光学器件,例如用作Q开关或腔内倍频的电光调制器的非线性晶体,或用于提高功率处理能力和增加有效模面积的未掺杂透明板。

术语微激光有时也用于具有非常紧凑谐振器设置的激光器(即微型激光器),但并不总是在微芯片激光器的上下文中。

谐振器模式

大多数微芯片激光器没有任何故意弯曲的谐振镜。 谐振器模式通常由激光晶体中的热透镜确定(包括晶体端面可能凸起),在某些情况下,增益引导也会产生重大影响[12]。 简单谐振器的稳定区从零屈光度功率延伸到某个最大值,该最大值由谐振器长度决定。 这也决定了基波模的最小波束半径,由于谐振器较短,基波模的最小波束半径相对较小。 通常通过在基波谐振器模式下泵送体积来获得稳定的衍射极限光束质量。

使用热透镜形成谐振器模式引入了严重的限制,例如关于泵浦功率的可能范围或使用具有负dn/ dT的增益介质。

偏振发射

对于各向同性增益介质(如Nd:YAG)或玻璃,两个偏振方向的增益基本相同。 然而,如果泵浦光束没有精确的圆形轮廓,则由于热感应双折射等弱效应,激光输出可能会偏振。

单频激光器

如果没有特殊措施,微芯片激光器通常表现出单频操作。 这是因为谐振器长度短导致自由光谱范围大。 当激光晶体的温度发生变化时,发射频率可能会在很大的范围内漂移(几千兆赫兹宽),直到发生模式跳跃。

使用微芯片激光器产生短脉冲

图2:调Q微芯片激光器。激光晶体的左侧有一个介电涂层,用作输出耦合镜。

由于其激光谐振器短,往返时间非常短,微芯片激光器非常适合产生相当短的脉冲。 最简单的方法是增益切换[2],这已经足以获得亚纳秒脉冲。

调Q微芯片激光器还允许产生持续时间低于1 ns的异常短脉冲,在极端情况下甚至低于100 ps[10]。 这尤其适用于使用SESAM的无源Q开关(图2),但也可以使用可饱和的吸收晶体,例如Cr:YAG或一些Cr掺杂陶瓷[14],或使用集成的Pockels电池进行主动Q切换。

特别是对于无源Q开关,微芯片激光器通常允许超过100 kHz的非常高的脉冲重复率,有时甚至几兆赫兹。 对于较低的重复率,脉冲能量通常为几微焦耳,脉冲持续时间为几纳秒,峰值功率为数千瓦。 典型的权衡在参考文献[10]中讨论。

具有非线性频率转换的微芯片激光器

调Q微芯片激光器(见上文)允许使用外部非线性晶体进行简单高效的单程非线性频率转换,因为峰值功率非常高。 在连续波操作的情况下,可以选择高效的腔内倍频。 后者可以通过与激光晶体键合的非线性晶体来实现,也可以通过使用自频倍增激光晶体来实现χ(2)非线性,如Nd:YCOB。 通常,这会导致绿色激光,例如在 532 nm 处发射。

通过进一步的频率转换,例如通过总和频率混合,紫外光谱区域中的更短波长变得容易获得。 也可以泵浦紧凑型光学参量振荡器,为光谱应用产生例如.mid红外脉冲。

应用

微芯片激光器有许多应用,其中许多应用受益于紧凑坚固的设置以及小的电力消耗。 在其他情况下,Q开关微芯片激光器的短(亚纳秒)脉冲持续时间和/或可能的高脉冲重复率是值得关注的。 一些应用程序示例包括:

  • 由于脉冲持续时间短,使用飞行时间方法进行激光测距可以实现非常高的空间分辨率(低至10厘米或更小)。
  • 高峰值功率也可用于光纤中的超连续体生成,从而产生一种空间相干的白光源。
  • 许多应用需要具有中等光功率的各种波长的相干光,并从短微芯片激光脉冲的简单高效的非线性频率转换中受益。
  • 光谱应用和LIDAR(中等范围)受益于小封装和短脉冲持续时间。
  • 与该领域的其他激光源相比,微芯片激光器允许以非常紧凑的设置进行激光微加工。

参考文献

[1] J. J. Zayhowski and A. Mooradian, “Single-frequency microchip Nd lasers”, Opt. Lett. 14 (1), 24 (1989), doi:10.1364/OL.14.000024
[2] J. J. Zayhowski et al., “Gain-switched pulsed operation of microchip lasers”, Opt. Lett. 14 (23), 1318 (1989), doi:10.1364/OL.14.001318
[3] J. J. Zayhowski, “Q-switched operation of microchip lasers”, Opt. Lett. 16 (8), 575 (1991), doi:10.1364/OL.16.000575
[4] J. J. Zayhowski and C. Dill III, “Diode-pumped passively Q-switched picosecond microchip lasers”, Opt. Lett. 19 (18), 1427 (1994), doi:10.1364/OL.19.001427
[5] J. J. Zayhowski and C. Dill III, “Coupled-cavity electro-optically Q-switched Nd:YVO4 microchip lasers”, Opt. Lett. 20 (7), 716 (1995), doi:10.1364/OL.20.000716
[6] D. G. Mathews et al., “Blue microchip laser fabricated from Nd:YAG and KNbO3”, Opt. Lett. 21 (3), 198 (1996), doi:10.1364/OL.21.000198
[7] R. Fluck et al., “Eyesafe pulsed microchip laser using semiconductor saturable absorber mirrors”, Appl. Phys. Lett. 72, 3273 (1998), doi:10.1063/1.121621
[8] R. S. Conroy et al., “Self-Q-switched Nd:YVO4 microchip lasers”, Opt. Lett. 23 (6), 457 (1998), doi:10.1364/OL.23.000457
[9] J. J. Zayhowski, “Passively Q-switched microchip lasers and applications”, Rev. Laser Eng. 26, 841 (1998), doi:10.1016/S0925-8388(00)00647-2
[10] G. J. Spühler et al., “Experimentally confirmed design guidelines for passively Q-switched microchip lasers using semiconductor saturable absorbers”, J. Opt. Soc. Am. B 16 (3), 376 (1999), doi:10.1364/JOSAB.16.000376
[11] T. R. Schibli et al., “Continuous-wave operation and Q-switched mode locking of Cr4+:YAG microchip lasers”, Opt. Lett. 26 (12), 941 (2001), doi:10.1364/OL.26.000941
[12] N. J. van Druten et al., “Observation of transverse modes in a microchip laser with combined gain and index guiding”, J. Opt. Soc. Am. B 18 (12), 1793 (2001), doi:10.1364/JOSAB.18.001793
[13] D. Nodop et al., “High-pulse-energy passively Q-switched quasi-monolithic microchip lasers operating in the sub-100-ps pulse regime”, Opt. Lett. 32 (15), 2115 (2007), doi:10.1364/OL.32.002115
[14] J. Dong et al., “Composite Yb:YAG/Cr4+:YAG ceramics picosecond microchip lasers”, Opt. Express 15 (22), 14516 (2007), doi:10.1364/OE.15.014516
[15] R. Bhandari and T. Taira, “>6 MW peak power at 532 nm from passively Q-switched Nd:YAG/Cr4+:YAG microchip laser”, Opt. Express 19 (20), 19135 (2011), doi:10.1364/OE.19.019135
[16] R. Bhandari et al., “Efficient second to ninth harmonic generation using megawatt peak power microchip laser”, Opt. Express 21 (23), 28849 (2013), doi:10.1364/OE.21.028849

激光器

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