Гибридный высокостабильный узкоспектральный ближнеинфракрасный лазер 

Недавно исследовательская группа профессора Лу Хуадуна из Института оптоэлектроники Университета Шаньси предложила инновационный метод достижения высокостабильного узкоспектрального ближнеинфракрасного лазерного выхода путем смешивания стимулированного излучения и оптических параметрических процессов. Внедрение оптического параметрического процесса в резонансную полость лазера с переключением усиления позволило значительно сократить долю спонтанного излучения в процессе формирования лазерного импульса, эффективно сузив ширину импульса выходного лазера и уменьшив временной джиттер лазерного импульса. Наконец, был получен наносекундный импульсный 830 нм ближнеинфракрасный лазерный выход с выходной мощностью 7,75 Вт и шириной спектра 400,93 МГц, а стандартное отклонение его временного джиттера составило всего 2,285 нс. Это исследование дает новую идею для реализации компактного, мощного, высокостабильного узкоспектрального лазера без управления блокировкой.

Источники ближнего инфракрасного света (700 ~ 1000 нм) широко используются в обработке материалов, биомедицине, мониторинге окружающей среды и лидарах благодаря их отличным характеристикам проникновения и низкого рассеивания. Благодаря технологии нелинейного преобразования частоты его выходная длина волны может быть дополнительно расширена до терагерцового, среднего инфракрасного, видимого света и ультрафиолетового диапазонов, чтобы удовлетворить потребности разнообразных приложений, таких как обнаружение безопасности, лазерная связь, лазерное проецирование и литография.

В настоящее время титан-сапфировые лазеры с переключением усиления обычно используются для достижения мощного, узкоспектрального наносекундного импульсного ближнего инфракрасного лазерного выхода. Однако кристаллы титан-сапфира будут создавать тепловые эффекты при накачке на высокой мощности, что серьезно ограничивает выходную мощность, эффективность преобразования и качество луча лазера. Когда титан-сапфировый лазер работает на низкой мощности, синхронизация импульса имеет серьезный джиттер из-за низкой скорости накачки. Кроме того, использование лазера 532 нм для накачки оптических параметрических генераторов также является эффективным методом генерации лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона. Хотя этот метод не ограничен тепловыми эффектами, из-за присущей ему большой полосы пропускания процесса фазового согласования спектральная ширина выходного сигнального света велика при накачке с высокой мощностью. Чтобы эффективно сузить его спектральную ширину, его необходимо инжектировать и фиксировать с помощью высококачественных узкоспектральных лазеров, что не только увеличивает стоимость источника света, но и влияет на стабильность системы.

Чтобы преодолеть текущие технические трудности, исследовательская группа предложила метод достижения высокостабильного узкоспектрального лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона путем смешивания стимулированного излучения и оптических параметрических процессов. Во-первых, был теоретически проанализирован динамический процесс выхода лазерного импульса до и после введения оптического параметрического процесса в лазере Ti:sapphire с переключением усиления. Как показано на рисунке 1, в лазере с переключением усиления, когда среда усиления накачивается, легированные ионы быстро развертываются на верхнем энергетическом уровне лазера, а затем выходной лазерный импульс формируется под действием спонтанного излучения и стимулированного излучения; и когда оптический параметрический процесс вводится в резонансную полость, большая нелинейная эффективность преобразования оптического параметрического процесса может повысить скорость стимулированного излучения в процессе формирования лазерного импульса и уменьшить долю членов спонтанного излучения, так что время установления импульса и ширина импульса выходного лазера сокращаются. Более того, поскольку нет задержки между светом накачки и импульсом сигнального света в оптическом параметрическом процессе, джиттер импульса во времени выходного лазера значительно улучшается.

Исследовательская группа разработала лазер ближнего инфракрасного диапазона со смешанными процессами стимулированного излучения и оптического параметрического излучения, как показано на рисунке 2. Кристалл Ti: сапфира и нелинейный кристалл LBO вставлены в одну резонансную полость в качестве среды усиления и оптической параметрической среды соответственно. Для гибкого управления задержкой между Ti:сапфировым лазером и сигнальным светом параметрического процесса в качестве источников накачки используются два набора наносекундных импульсных лазеров 532 нм с частотой повторения 6 кГц, а генератор задержки/импульса используется для синхронного запуска последовательностей импульсов двух источников накачки и управления синхронизацией импульсов. Кроме того, для сужения ширины спектра Ti:сапфирового лазера в резонансную полость вставляются эталоны толщиной 0,5 мм и 10 мм и четыре комбинированных двулучепреломляющих фильтра. Наконец, после выходного зеркала вставляется самоинжекционный отражатель, чтобы гарантировать, что направление распространения колеблющегося света Ti:сапфира в полости соответствует направлению распространения сигнального света оптического параметрического процесса.

В эксперименте синхронизация импульсов двух накачивающих ламп контролируется генератором задержки/импульсов, а характеристики временной области выходного лазера после введения оптического параметрического процесса оптимизируются, как показано на рисунке 3. После введения оптического параметрического процесса в лазер с переключением усиления сигнальный свет, генерируемый оптическим параметрическим процессом, значительно уменьшает долю процесса спонтанного излучения в процессе формирования импульса лазера и в то же время увеличивает скорость стимулированного излучения, так что ширина импульса выходного лазера уменьшается с 66,3 нс до 18,9 нс, а время установления импульса сокращается с 372,9 нс до 310 нс. В то же время, благодаря характеристике отсутствия задержки между светом накачки и импульсом сигнального света в оптическом параметрическом процессе, джиттер синхронизации импульса лазера с переключением усиления также значительно улучшается, а его стандартное отклонение уменьшается с 9,926 нс до 2,285 нс.

После внедрения оптического параметрического процесса в лазер с переключением усиления и оптимизации синхронизации двух импульсов света накачки, наконец, был достигнут выход лазера 7,75 Вт 830 нм, а его стабильность мощности была лучше 0,85% (RMS), как показано на рисунке 4(a); характеристики продольной моды измерялись с использованием сканирующего F-P-резонатора (SA210-8B, Thorlabs), и результаты показали, что он может поддерживать хорошую работу с одной продольной модой при максимальной выходной мощности, как показано на рисунке 4(b); характеристики поперечной моды измерялись с использованием анализатора качества пучка (M2MSBC207VIS/M, Thorlabs), и фактор качества пучка M2 был лучше, чем 1,37 и 1,47 в направлениях X и Y соответственно, как показано на рисунке 4(c). В то же время, путем синхронного сканирования угла настройки двулучепреломляющего фильтра и температуры кристалла LBO был достигнут широкий диапазон настройки длины волны от 764,90 нм до 873,43 нм, как показано на рисунке 4(d). · … Наконец, был создан компактный лазер ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 830 нм, максимальной выходной мощностью 7,75 Вт и спектральной шириной 400,93 МГц, с шириной импульса всего 18,9 нс и стандартным отклонением джиттера синхронизации импульса, уменьшенным до 2,285 нс.