空间洞燃烧 Spatial hole burning

2022-10-26 10:12:45 浏览:301

定义

由驻波的饱和效应引起的激光介质中增益形状的失真(或可饱和吸收介质中的损耗光谱)

当两个反向传播的准单色光波叠加时,它们形成所谓的驻波干涉图案,其周期是波长的一半。当激光在激光增益介质中发生这种情况时,会产生两种影响:

  • 增益优先在图案的反节点中饱和。在那里,受激发射使激光活性离子的激发保持在较低的水平。因此,激励形成具有周期性调制的模式。
  • 对于具有特定波长的光(可能偏离激光波长)的最终放大取决于其自身的驻波模式如何适应增益介质的调制激发。总(单通或双通)增益在激光波长本身处最强饱和,其中光的节点恰好位于最强饱和的区域。其他波长的光经历较少的增益饱和度。

这可能导致增益的光谱形状变形,即一种不均匀的增益饱和。

图 1:激光晶体中空间孔燃烧的插图。具有蓝色驻波强度模式的强光束使增益饱和(红色曲线)。与波长稍长的较弱光束相比,它的增益降低更强,绿色曲线表示。

类似地,可饱和吸收介质的损耗谱可以由于空间孔燃烧而获得浸渍。例如,这可能发生在稀土掺杂光纤中,并且是例如构建自动跟踪滤波器的基础,例如,有时用于单频光纤激光器。

空间孔燃烧会对激光器的操作产生各种影响:

  • 这种效应使得使用驻波激光谐振器难以实现单频操作,因为激光模式比竞争的非激光模式经历更强的增益饱和。
  • 当增益介质靠近激光谐振器的末端时,自由运行激光器的光带宽(具有多种轴向模式的激发)可能要大得多,而不是例如在中间。这是因为具有相似光学频率的谐振器模式在谐振器末端附近具有强烈重叠的强度模式,而不是在谐振器的中间。当假设高斯光谱时,可以很容易地计算出干涉对比度的空间变化[9]。
  • 增益频谱的有效拓宽(增益带宽增加)可能允许在锁模激光器中产生更短的脉冲[9]。
  • 当空间孔燃烧发生在可饱和吸收器部分,例如光纤激光器时,这种效应往往会稳定单频操作[7]。
  • 空间孔燃烧会降低激光效率,当节点中的激发不能被利用时。然而,如果发生通过离子间能量转移的能量迁移,则可以避免这种效应。

请注意,环形谐振器通常可以避免激光介质中的反传播波,从而消除空间孔的燃烧。即使在驻波(线性)谐振器中,也可以通过使用特殊的极化态(→扭曲模式技术)来抑制空间孔的燃烧。另请注意,对于具有足够大带宽的激光,孔燃烧效应被抑制。例如,在模式锁定激光器中经常出现这种情况;在这里,在时域中已经很明显,循环脉冲不能在增益介质中与自身重叠(干扰),除非从增益介质到端镜并再次返回的时间与脉冲持续时间相当或更短。

参考文献

[1] C. L. Tang et al., “Spectral output and spiking behavior of solid-state lasers”, J. Appl. Phys. 34 (8), 2289 (1963) (first mention of spatial hole burning)
[2] T. Kimura et al., “Spatial hole-burning effects in a Nd3+:YAG laser”, IEEE J. Quantum Electron. 7 (6), 225 (1971), doi:10.1109/JQE.1971.1076746
[3] W. S. Rabinovich and B. J. Feldman, “Spatial hole burning effects in distributed feedback lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 25 (1), 20 (1989), doi:10.1109/3.16236
[4] J. J. Zayhowski, “Limits imposed by spatial hole burning on the single-mode operation of standing-wave laser cavities”, Opt. Lett. 15 (8), 431 (1990), doi:10.1364/OL.15.000431
[5] B. Braun et al., “Continuous-wave mode-locked solid-state lasers with enhanced spatial hole burning, part I: experiments”, Appl. Phys. B 61 (5), 429 (1995), doi:10.1007/BF01081271
[6] F. X. Kärtner et al., “Continuous-wave-mode-locked solid-state lasers with enhanced spatial hole-burning, part II: theory”, Appl. Phys. B 61, 569 (1995), doi:10.1007/BF01091215
[7] R. Paschotta et al., “Single-frequency ytterbium-doped fiber laser stabilized by spatial hole burning”, Opt. Lett. 22 (1), 40 (1997), doi:10.1364/OL.22.000040
[8] J. Y. Law and G. P. Agrawal, “Effects of spatial hole burning on gain switching in vertical-cavity surface-emitting lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 33 (3), 462 (1997), doi:10.1109/3.556016
[9] R. Paschotta et al., “Passive mode locking of thin-disk lasers: effects of spatial hole burning”, Appl. Phys. B 72 (3), 267 (2001), doi:10.1007/s003400100486
[10] C. Schäfer et al., “Effects of spatial hole burning in 888 nm pumped, passively mode-locked high-power Nd:YVO4 lasers”, Appl. Phys. B 102, 523 (2011), doi:10.1007/s00340-011-4409-3

基础光学

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