可饱和吸收器

2021-04-27 13:44:51 浏览:356

定义

具有一定程度吸收的光吸收器,且吸收程度随光强增大而降低。

可饱和吸收器是具有一定光学损耗的光学元件,且损耗在高光强下会减小。这在掺杂吸收离子的介质中能够实现,因为强光会引起消耗掺杂离子的基态。半导体中存在类似的效应,其中电子从价带往导带的激发会减小对大于带隙能量光子的吸收。

可饱和吸收器最主要的应用是在调Q激光器中进行无源模式锁定,即产生短脉冲。在光学信号处理中也需要用到可饱和吸收器,可用在激光器谐振腔外面进行非线性滤波。

图 1 可饱和吸收器的反射率随饱和参数S的变化曲线,S为脉冲能量密度除以饱和能量密度。调制深度(反射率峰值变化量)为1%,非饱和损耗为0.5%

可饱和吸收器类型

由于不同的应用需要可饱和吸收器具有不同的参数,因此需要采用不同的器件:

1、尤其是在无源模式锁定(还有Q开关),通常采用半导体饱和吸收反射镜(SESAMs)[5]。它们也适用于无源Q开关,尤其是脉冲能量较低时。

2、其它的半导体饱和吸收器用于模式锁定或者Q开关的采用的是悬浮在玻璃中的硫化铅量子点[9]

3、砷化镓有时也用做1-μm激光器中的Q开关,尽管这种激光器的光子能量小于带隙能量。晶体缺陷在吸收中起了很重要的作用。

4、薄层碳纳米管也可用于激光器的模式锁定,尤其是单壁纳米管[12,15,16 ]。这种吸收器具有很宽的吸收带宽,这在宽带激光器中需要。例如,可以在光纤端面放置薄层纳米管,然后用来对小型光纤激光器进行模式锁定,提供高脉冲重复速率[19]。纳米管吸收器的恢复时间很短,但是非饱和吸收在有些应用中是一个问题。

5、类似的,也可以采用单层或者多层石墨烯作为宽带饱和吸收器。单层石墨烯具有相对较低的调制深度。

6、在有些锁模二极管激光器中,可简单的不在该区域泵浦就可以得到饱和吸收区域。如果注入氮离子可以得到更快的恢复时间。

7、1-μm光谱区域固态激光器的无源Q开关最常采用是Cr4+:YAG可饱和吸收器[11,13]。(Cr4+:YAG晶体也作为增益介质。)对于1.3-μm激光器,可以采用V3+:YAG [10],而Co2+:MgAl2O4及其它掺钴晶体材料以及Cr2+:ZnS和Cr2+:ZnSe可以用于1.5-μm光谱区域。还有的激光晶体加入了饱和吸收掺杂物,例如,在掺镍激光晶体(例如Nd:Cr:YVO4)中具有Cr4+

8、很少的情况下,饱和吸收材料以光纤的形式应用。例如,铬,钐和铋掺杂可用于Q开关光纤激光器中[4]

人工饱和吸收器

有很多种人工饱和吸收器。同样的,它们也随着光强的增加,光学损耗降低,但是并不是利用饱和吸收。这些器件的原理包括:

1、克尔透镜与其它孔径相结合

2、非线性反射镜器件,包括一块倍频晶体,有时用于固态体激光器中的无源模式锁定[2]

3、在辅助型谐振腔中的非线性光纤[7]

4、光纤中的非线性偏振态旋转,与一个偏振器件结合,通常用于光纤激光器的无源模式锁定[8]

5、非线性光纤环反射镜,也用于光纤激光器的模式锁定[3]

6、波导阵列,利用非线性耦合[17]

可饱和吸收器的性质

可饱和吸收器最重要的性质包括:

1、调制深度,是光学损耗最大变化量,由百分比表示。

2、非饱和损耗是指不会发生饱和的损耗部分(通常是不需要的)。它可能来自于SESAMs中的缺陷或者掺杂绝缘吸收器情况下的激发态吸收。

3、恢复时间是指激发脉冲之后激发过程的延迟时间。在无源模式锁定情况下它需要非常短,但是无源Q开关中则无需很短。

4、饱和能量密度是初始能量密度下降到1/e(约37%)时的能量密度。采用吸收器中采用紧聚焦光束可以补偿掉饱和能量密度。

5、饱和能量等于饱和能量密度乘以模式面积。当入射光能量大于饱和能量时,会发生很强的饱和效应。

6、饱和光强是指在稳态情况下,吸收降低到一半时的光强。需要注意的是,许多吸收器不会工作在稳态,并且在长时间保持饱和态的情况下甚至会引起损伤。

7、饱和功率是饱和光强乘以模式面积。

8、损伤阈值(强度或者能量密度)是参数工作的上限。

当处理脉冲的情况时,快饱和吸收器是指恢复时间小于脉冲长度,而慢吸收器则是指恢复时间大于脉冲长度。这表明同一个器件可能是快吸收器或慢吸收器,与采用的脉冲长度有关。快吸收器并不适用于无源模式锁定,实际上采用慢吸收器更容易实现自启动锁模。

饱和吸收器的饱和参数(例如,在锁模激光器中)是入射脉冲能量密度与饱和能量密度的比值。

选取合适的可饱和吸收器

需要什么样的可饱和吸收器很大程度上取决于具体的应用环境。尤其是,激光器的Q开关和锁模有很大的不同。

无源调Q激光器对饱和吸收器的要求包括:

1、总的非饱和吸收需要非常高—如果需要高的脉冲能量和短脉冲长度,则通常比激光器介质的小信号增益稍小。

2、需要低饱和能量密度和低非饱和损耗可使功率损耗最小。

3、恢复时间不应太长(这种问题很少发生)。但是,也不应小于脉冲长度。然而,后者通常不是主要的,尤其是饱和能量密度远小于脉冲能量密度情况下。

4、损伤阈值需要足够高。

而在无源锁模激光器中的要求则不同,如下:

1、最大调制深度通常较小,通常小于1%,与激光器类型有很大关系。对于激光器具有较高的谐振腔损耗的情形该值需要更高。

2、饱和能量密度需要比正常工作时的脉冲能量密度小几倍。(吸收器中的脉冲能量密度可通过调整激光器谐振腔设计改变光束半径来实现。)

3、根据采用的锁模机制,得到短脉冲时恢复时间可能重要也可能不重要。对于具有双时态相应的吸收器,慢响应的器件更易得到自启动的特性。

4、最大化激光器输出功率和效率也同样需要低非饱和损耗。

5、为了避免吸收器损伤,正常工作条件下的饱和条件通常无关紧要。但是,它对于抑制Q开关不稳定性非常重要。然而,还有的情况下,通过将腔内光束强聚焦到吸收器上可以避免对吸收器的损伤,因为这会抑制Q开关不稳定性。有些情况下,尤其是高功率和高脉冲重复速率情况下,需要考虑热效应。

一般来说,决定吸收器的参数需要理解激光器设计过程,需同时考虑脉冲产生的动力学过程和吸收器对高光强或脉冲能量的承受能力。

参考文献

[1] B. K. Garside and T. K. Lim, “Laser mode locking using saturable absorbers”, J. Appl. Phys. 44 (5), 2335 (1973)
[2] K. A. Stankov, “A mirror with an intensity-dependent reflection coefficient”, Appl. Phys. B 45, 191 (1988)
[3] M. E. Fermann et al., “Nonlinear amplifying loop mirror”, Opt. Lett. 15 (13), 752 (1990)
[4] T. Brabec et al., “Kerr lens mode locking”, Opt. Lett. 17 (18), 1292 (1992)
[5] U. Keller et al., “Semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) for femtosecond to nanosecond pulse generation in solid-state lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2, 435 (1996)
[6] A. Sennaroglu, “Continuous wave thermal loading in saturable absorbers: theory and experiment”, Appl. Opt. 36 (36), 9528 (1997)
[7] J. Mark et al., “Femtosecond pulse generation in a laser with a nonlinear external resonator”, Opt. Lett. 14 (1), 48 (1989)
[8] M. E. Fermann, “Passive mode locking by using nonlinear polarization evolution in a polarization-maintaining erbium-doped fiber”, Opt. Lett. 18 (11), 894 (1993)
[9] P. T. Guerreiro and S. Ten, “PbS quantum-dot doped glasses as saturable absorbers for mode locking of a Cr:forsterite laser”, Appl. Phys. Lett. 71 (12), 1595 (1997)
[10] A. M. Malyarevich et al., “Y:YAG – a new passive Q-switch for diode-pumped solid-state lasers”, Appl. Phys. B 67, 555 (1998)
[11] Z. Burshtein et al., “Excited-state absorption studies of Cr4+ ions in several garnet host crystals”, IEEE J. Quantum Electron. 34 (2), 292 (1998)
[12] S. Y. Set et al., “Laser mode locking using a saturable absorber incorporating carbon nanotubes”, J. Lightwave Technol. 22, 51 (2004)
[13] H. Ridderbusch and T. Graf, “Saturation of 1047- and 1064-nm absorption in Cr4+:YAG crystals”, IEEE J. Quantum Electron. 43 (2), 168 (2007)
[14] Y. Y. Dvoyrin et al., “Yb-Bi pulsed fiber lasers”, Opt. Lett. 32 (5), 451 (2007)
[15] A. Schmidt et al., “Passive mode locking of Yb:KLuW using a single-walled carbon nanotube saturable absorber”, Opt. Lett. 33 (7), 729 (2008)
[16] F. Shohda et al., “147 fs, 51 MHz soliton fiber laser at 1.56 μm with a fiber-connector-type SWNT/P3HT saturable absorber”, Opt. Express 16 (25), 20943 (2008)
[17] D. D. Hudson et al., “Nonlinear femtosecond pulse reshaping in waveguide arrays”, Opt. Lett. 33 (13), 1440 (2008)
[18] T. Tsai et al., “Passively Q-switched erbium all-fiber lasers by use of thulium-doped saturable-absorber fibers”, Opt. Express 18 (10), 10049 (2010)
[19] A. Martinez and S. Yamashita, “Multi-gigahertz repetition rate passively modelocked fiber lasers using carbon nanotubes”, Opt. Express 19 (7), 6155 (2011)
[20] M. N. Cizmeciyan et al., “Graphene mode-locked femtosecond Cr:ZnSe laser at 2500 nm”, Opt. Lett. 38 (3), 341 (2013)

参阅:半导体饱和吸收反射镜、无源模式锁定、锁模激光器、Q开关、调Q激光器、增益饱和

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/759

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交