皮秒二极管激光器 Picosecond diode lasers

2022-10-31 13:25:58 浏览:355

定义

发射皮秒光脉冲的二极管激光器。

有两种根本不同的二极管激光器(基于激光二极管的激光器),它们的制造使得它们不连续发光,而是以超短脉冲的形式,脉冲持续时间在皮秒范围内。 以下各节将介绍这些激光类型。

锁模二极管激光器

合适的二极管激光器(通常是边缘发射单模激光器)可以使用有源、无源或混合技术进行锁模。 在任何情况下,锁模操作意味着单个超短脉冲(或在某些情况下是几个等距脉冲)在激光谐振器中循环。 每次脉冲撞击输出耦合器镜时,都会在输出端获得一个脉冲,这会导致高重复率脉冲序列。 电泵送可以使用恒定或调制泵电流完成,具体取决于模式锁定的类型。

有关更多详细信息,请参阅有关锁模二极管激光器的文章。

图1:不同种类的外腔混合锁模二极管激光器。版本(a)使用调制注入电流和氮气注入的可饱和吸收器,而版本(b)具有调制吸收器部分。

脉冲属性

由于二极管激光器的激光谐振器通常很短(某些外腔二极管激光器除外),因此产生的脉冲重复率很高 - 通常在高千兆赫兹区域(具有相对较短的外腔)。

锁模二极管激光器原则上也可以发射飞秒脉冲,但脉冲持续时间为几皮秒更为常见。

锁模操作中可实现的平均输出功率通常远低于连续波操作,因为具有形状良好的输出脉冲的稳定模式锁定可能无法在最大功率水平下工作。 由于中等的平均输出功率和高脉冲重复率,脉冲能量通常非常小 - 最多在低皮焦耳区域,但通常甚至远低于1 pJ。

在大多数情况下,与增益开关激光器相比,获得的脉冲与提供的电信号同步,并且表现出相对较小的定时抖动(见下文)。 输出脉冲是相互相干的,因为它们通常来自单个循环脉冲。

应用

锁模二极管激光器主要适用于光纤通信中的应用,例如在1.5μm光谱区域。 如果需要,使用光纤放大器可以获得的平均功率和脉冲能量。

其他可能的应用是光学计量等领域,例如距离测量。 在这里,也可以利用不同的光谱区域,例如大约0.8μm或1μm。 然而,并非适用于所有波长区域,锁模二极管激光器都可用;例如,可能很难找到在紫外线或中红外区域发射的此类设备。

增益开关半导体激光管

工作原理;脉冲能量的极限

从二极管激光器获得短脉冲的一种相对简单的技术是增益开关。 在这里,人们将短电流脉冲施加到二极管激光器 [2, 4] – 在这种情况下,是没有外腔的半导体激光管。 每个电流脉冲(持续时间为例如几百皮秒)使半导体激光管有效区域的载流子密度高于激光阈值的值,因此激光操作开始。 如果条件选择正确,这将导致产生具有一定时间延迟的单个形状良好的光脉冲;这是由于需要从自发发射开始,在一定数量的谐振器往返行程中建立激光辐射。 由于该时间延迟,可以获得比电泵浦脉冲短得多的光脉冲:它创造了在光功率仍处于非常低水平时提供额外激发能量的机会。

请注意,半导体激光管中的条件远非稳态;脉冲期间增益(通过载流子密度)存在很大变化,这与产生更长光脉冲的准连续波操作形成鲜明对比。

由于对半导体激光管没有特别的特殊要求,因此可以在广泛的光谱区域进行增益切换,例如紫外线。

这种皮秒激光头可以非常紧凑,因为除了激光二极管之外,不需要任何光学元件,也许还需要光束准直器透镜或光纤发射系统。 然而,通常需要集成电子驱动器,因为这种短电流脉冲无法通过长长的电缆传输。

如果电泵浦脉冲仅使激光略高于激光阈值,则肯定会获得干净的脉冲,但脉冲能量相当低,持续时间也不理想。 对于更强的电流脉冲,脉冲能量增加,脉冲持续时间减少,因为往返增益变高,导致脉冲更快地建立。 这意味着光学峰值功率大幅增加。 但是,如果电流脉冲变得太强,则在电流脉冲结束之前达到脉冲峰值(因为增益很高),这很容易导致第二个脉冲或主脉冲之后更复杂的时间结构。 此外,如果半导体激光管的波导不是单模的,则在高阶模式下可能会获得一些功率;这也会导致光束质量降低。 时间和/或空间形状的这种扭曲可能对应用程序有害。 一些供应商可能会容忍脉冲形状的较大失真,以呈现高脉冲能量和峰值功率。

总之,有一个最大的脉冲能量,通常受到上述太强电流脉冲失真的限制。 通常,人们获得峰值功率为1 W量级,脉冲持续时间为几十皮秒的脉冲,这意味着脉冲能量约为数十皮焦耳。 人们可以尝试通过选择理想合适的半导体激光管和电子电路来优化性能,以实现最佳的驱动条件。 通常,将电流脉冲与恒定偏置电流一起施加。

即使以相对较高的脉冲重复率(例如100 MHz)驱动这种激光器,平均输出功率也会远低于连续波操作,因为峰值功率并不比可能的连续波功率高多少,而占空比相当小。

可实现的脉冲重复率从根本上受到以下条件的限制:需要将激发的载流子几乎完全复合到泵浦脉冲开始的时间点。 否则,脉冲积聚可能会过早发生。 然而,在实践中,限制通常由使用的驱动器电子设备设定,例如50或100 MHz。

脉冲持续时间

可实现的脉冲持续时间通常为几十皮秒。 虽然原则上使用具有特别短谐振器的半导体激光管可能有助于减少激光脉冲的建立时间,但还需要非常短的电流泵浦脉冲。 因此,一些不太小的谐振器往返时间在实践中通常会更好,并且可能没有实现更短脉冲持续时间的实际潜力。

然而,通过在激光外部进行额外的脉冲压缩,可以将脉冲持续时间进一步减少到几皮秒[9]

在工作过程中,可以通过改变电流脉冲的能量来在一定程度上调整脉冲持续时间和脉冲能量。

相干性和时序抖动

由于每个脉冲都是从自发发射开始产生的,因此后续脉冲之间没有固定的相位关系。 这意味着缺乏时间相干性,即使是通过增益切换产生的高度规则的脉冲序列通常也不会与频率梳相关联。 这主要是因为激光操作在两个脉冲之间完全消失,因此相位信息丢失。 只有在重复率极高(以及相应的更高占空比)的情况下,情况才可能有所不同。

此外,使用的电流脉冲和产生的光功率之间的相对时序会受到一些波动(时序抖动)的影响。 电脉冲参数的波动被转换为时序波动,即使对于几乎无噪声的电泵系统,光场的量子噪声也会产生一些时序波动。

应用

除了脉冲生成方法的简单性外,增益切换的一个主要吸引力是可以根据需要生成脉冲,只需基于合适的电子驱动器即可。 例如,人们可以以可变的脉冲重复率或脉冲突发产生规则的脉冲序列,即使脉冲能量在一堆脉冲中根据需要演变。 这为某些应用创造了高度的灵活性。

例如,可以将这种灵活的脉冲源与多级光纤放大器相结合,以获得足够高能的脉冲,用于激光微加工,例如用于精细激光切割。 为了考虑放大器中的增益饱和,可以使用脉冲能量,该能量在每个脉冲期间从一个脉冲上升到另一个脉冲。 但请注意,从皮焦耳到微焦耳域的放大需要相当大的放大器增益,因此单级光纤放大器通常是不够的,必须在放大器级之间应用适当的措施,以避免放大自发发射的问题。 此外,这种高增益系统对背反射高度敏感,即使使用法拉第隔离器也是如此。

在这方面,使用不同类型的种子激光器(例如,被动锁模固态激光器和脉冲拾取器)的放大器系统可以简单得多,因为种子脉冲能量越高,需要的放大器增益就越少。 因此,在种子激光器的复杂性和放大器系统之间需要权衡。

增益开关半导体激光管也可用作光参量放大器的种子激光器。 与光学参量发生器相比,可以获得更高的输出脉冲能量和更一致的脉冲参数。 由于这种增益切换种子源的简单性,总体成本可能不会大幅增加。 然而,波长调谐范围将受到二极管激光器的限制,因此该技术不适用于宽波长可调光源。

来自增益开关半导体激光管的脉冲也可以直接用于某些测量,例如荧光寿命测量和成像、光谱学、光学断层扫描和光学时域反射计。

参考文献

[1] P.-T. Ho et al., “Picosecond pulse generation with a cw GaAlAs laser diode”, Appl. Phys. Lett. 33 (3), 241 (1978), doi:10.1063/1.90312
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[9] L. Chusseau and C. Kazmierski, “Optimum linear pulse compression of a gain-switched 1.5 μm DFB laser”, IEEE Photon. Technol. Lett. 6 (1), 24 (1994), doi:10.1109/68.265878
[10] S. Arahira et al., “Mode-locking at very high repetition rates more than terahertz in passively mode-locked distributed-Bragg-reflector laser diodes”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 32 (7), 1211 (1996), doi:10.1109/3.517021
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[12] K. Sato, “Semiconductor light sources for 40-Gb/s transmission systems”, J. Lightwave Technol. 20 (12), 2035 (2002)
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脉冲

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