[论文解读] A 1 W injection locked cw titanium:sapphire laser

E. A. Cummings, M. Hicken+1 more|ArXiv.org|Dec 5, 2001

Solid State Laser Technologies参考文献 23被引用 3

一句话总结

本论文展示了一种在846 nm波长下实现连续波、单频、1 W注入锁模的钛蓝宝石环形激光器，通过将高功率钛蓝宝石振荡器锁定至低功率、频率稳定的半导体激光器实现。该系统仅需数毫瓦的注入功率即可实现单频运转，从而实现高功率、可调谐、线宽极窄的输出，具有优异的频率稳定性和低噪声特性。

ABSTRACT

We report an injection-locked cw titanium:sapphire ring laser at 846 nm. It produces 1.00 W in a single frequency when pumped with 5.5 W. Single frequency operation requires only a few milliwatts of injected power.

研究动机与目标

• 开发一种无需使用偏振片滤波器或光隔离器等复杂频率稳定组件的高功率单频钛蓝宝石激光器。
• 通过注入锁定技术提供一种成本效益更高的替代方案，以应对特定波长下高功率单频半导体激光器日益增长的成本与稀缺性问题。
• 证明注入锁定可实现稳定、高功率、单频运转的连续波钛蓝宝石激光器，该配置此前未见报道。
• 通过利用商用可调谐半导体激光器作为主振荡器，实现覆盖钛蓝宝石增益带宽的可调谐、窄线宽输出。

提出的方法

• 将532 nm泵浦激光器（最大5.5 W）聚焦至10 mm长、Brewster角切割的钛蓝宝石晶体中，形成四镜折叠环形腔。
• 钛蓝宝石腔采用96.6%反射率输出耦合镜，以及反射率大于99.5%的镜片，短臂长114 mm，长臂长1020 mm，以补偿晶体引起的像散。
• 采用波长为846 nm的扩展腔半导体激光器（ECDL），通过Pound-Drever-Hall技术（37.15 MHz调制）实现频率稳定，作为主振荡器。
• 主激光器输出（最高30 mW）通过单模光纤耦合，并以75%的耦合效率将模式匹配至钛蓝宝石腔的TEM₀₀模式。
• 在其中一个腔镜上安装压电陶瓷促动器，实现约8 GHz的连续波长调谐，实现注入锁定后的精细波长控制。
• 通过光电二极管检测输出光束中未镀膜熔融石英平面镜的微弱反射，利用双级积分器电路实现反馈锁定。

实验结果

研究问题

• RQ1 注入锁定是否可成功应用于连续波钛蓝宝石环形激光器，以实现单频、高功率运转？
• RQ2 在该系统中，维持单频运转所需的最小注入功率是多少？
• RQ3 与自由振荡情况相比，注入锁模激光器的阈值泵浦功率和斜率效率有何差异？
• RQ4 注入锁模激光器在多大程度上保持了主半导体激光器的光谱纯度与频率稳定性？
• RQ5 腔体设计（如镜片曲率半径与腔长）如何影响稳定锁模所需的最小注入功率？

主要发现

• 注入锁模的钛蓝宝石激光器在846 nm波长下实现最大输出功率1.00 W，斜率效率为23%，与理论预测值高度一致。
• 注入锁模运转的阈值泵浦功率约为1.2 W，低于理论估算值0.3 W，可能由于热透镜效应与光束腰失配所致。
• 在低泵浦功率下，仅需3 mW的注入功率即可维持单频运转，全功率输出时增至15 mW。
• 使用自由光谱范围（FSR）为2 GHz、精细度为400的扫描法布里-珀罗标准具测量的放大激光光谱未显示显著边带，表明光谱纯度极高。
• 法布里-珀罗标准具与钛蓝宝石激光器之间相对频率的功率谱密度与主激光器的功率谱密度无法区分，证实了优异的频率稳定性。
• 将腔长缩短至360 mm（往返光程），曲率半径为50 mm的较小腔体，使最小注入功率降低为原大腔的1/3，表明锁模效率显著提升。