[论文解读] Modeling of mode-locking in a laser with spatially separate gain media

Ruud Oldenbeuving, Chris Lee+3 more|University of Twente Research Information|Aug 27, 2010

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新型锁模方案，利用激光腔内空间分离的增益介质，通过共用的可饱和吸收体镜（SESAM）实现相互锁定的连续波振荡器同步。该方法可实现超短脉冲输出，具备独立可调的重复频率（最高达THz范围）、高平均功率以及动态可调带宽，突破了传统锁模激光器中重复频率与输出功率之间的固有权衡。

ABSTRACT

We present a novel laser mode-locking scheme and discuss its unusual properties and feasibility using a theoretical model. A large set of single-frequency continuous-wave lasers oscillate by amplification in spatially separated gain media. They are mutually phase-locked by nonlinear feedback from a common saturable absorber. As a result, ultra short pulses are generated. The new scheme offers three significant benefits: the light that is amplified in each medium is continuous wave, thereby avoiding issues related to group velocity dispersion and nonlinear effects that can perturb the pulse shape. The set of frequencies on which the laser oscillates, and therefore the pulse repetition rate, is controlled by the geometry of resonator-internal optical elements, not by the cavity length. Finally, the bandwidth of the laser can be controlled by switching gain modules on and off. This scheme offers a route to mode-locked lasers with high average output power, repetition rates that can be scaled into the THz range, and a bandwidth that can be dynamically controlled. The approach is particularly suited for implementation using semiconductor diode laser arrays.

研究动机与目标

• 克服传统锁模激光器中高重复频率与高平均输出功率之间的根本性权衡。
• 开发一种锁模机制，通过在独立增益介质中实现连续波放大，避免群速度色散和非线性效应引起的脉冲失真。
• 通过谐振腔结构而非腔长实现脉冲重复频率的独立控制，并通过增益模块切换实现动态带宽控制。
• 评估该方案在现有半导体器件条件下的可行性，特别是具有高调制度和亚皮秒恢复时间的快速SESAM。

提出的方法

• 在单个腔体内利用多个单频连续波激光器，在空间上分离的增益介质中运行。
• 采用共用的半导体可饱和吸收体镜（SESAM）提供非线性反馈，实现各独立振荡器的相位锁定。
• 通过理论框架建模系统，其中可饱和吸收体的反射率动态由公式 $ R = R_0 + \Delta R \left(1 + \frac{I}{I_{\text{sat}}}\right)^{-1} $ 描述，其中 $ I $ 为光强，$ I_{\text{sat}} $ 为饱和辐照度。
• 通过数值模拟改变SESAM参数（如调制度 $ \Delta R $、恢复时间 $ \tau $ 和辐照度 $ S $）来分析锁模的可行性。
• 评估聚焦光强对SESAM的影响（以 $ S = \Phi / \Phi_{\text{sat}} $ 表征）对锁模稳定性与锁模范围的影响。
• 以输出平均功率49 W的二极管激光阵列为案例研究，目标重复频率为67 GHz，脉冲宽度为300 fs。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在使用共用可饱和吸收体的、具有空间分离增益介质的激光系统中实现锁模？
• RQ2 SESAM的物理参数——特别是调制度（$ \Delta R $）、恢复时间（$ \tau $）和饱和辐照度——如何影响锁模的可行性？
• RQ3 脉冲重复频率在多大程度上可与腔长解耦，转而通过谐振腔结构实现控制？
• RQ4 在当前SESAM技术条件下，是否可行实现高平均输出功率（如20 W）与高重复频率（如67 GHz）及亚300 fs脉冲？
• RQ5 随着SESAM上辐照度（$ S $）的增加，锁模状态如何变化？在何种条件下双光子吸收会限制性能？

主要发现

• 当SESAM具有高调制度（$ \Delta R \geq 15\% $）和快速恢复时间（$ \tau \leq 0.5~\text{ps} $）时，尤其在高辐照度条件下，锁模是可行的。
• 当 $ S = 10 $（即辐照度为 $ 10 \times \Phi_{\text{sat}} $）时，50 $ \mu \text{m}^2 $ 模场面积上实现20 W总功率在当前二极管激光阵列技术范围内可达成。
• 随着 $ S $ 增大，锁模区域扩大，但在极高辐照度下（$ S > 10 $）又因显著的双光子吸收导致反射率调制减弱而缩小。
• 在研究期间，商业上可获得的最佳SESAM（$ \Delta R \approx 15\text{--}30\% $，$ \tau \approx 0.5~\text{ps} $）若能实现 $ S \approx 10 $，则足以支持锁模。
• 该方案可实现67 GHz重复频率、300 fs脉宽与49 W平均功率，证明了其在高重复频率、高功率超快激光中的可行性。
• 该模型具有通用性，可推广至其他激光类型与参数组合，通过开关增益模块的通断实现动态带宽控制。