[论文解读] Passively mode-locked diode-pumped Nd:YVO4 oscillator operating at ultra-low repetition rate

Dimitris N. Papadopoulos, Sébastien Forget+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2006

Solid State Laser Technologies参考文献 9被引用 7

一句话总结

该论文展示了一种无源锁模、二极管泵浦的Nd:YVO4激光振荡器，在1.2 MHz的超低重复频率下工作，脉冲宽度为16.3 ps，平均功率470 mW，峰值功率24 kW，通过一种新颖的多程腔（MPC）设计实现，该设计利用两个平面镜实现稳定、长期运行，无需腔内抽运。MPC可精确控制腔长和往返次数，实现低于1 MHz的重复频率，同时保持高光束质量和高效频率倍频至532 nm，转换效率达50%。

ABSTRACT

We demonstrate the operation of an ultra low repetition rate, high peak power, picosecond diode pumped Nd:YVO4 passively mode locked laser oscillator. Repetition rates even below 1 MHz were achieved with the use of a new design multiple-pass cavity and a semiconductor saturable absorber. Long term stable operation at 1.2 MHz, pulse duration of 16.3 ps and average output power of 470 mW corresponding to 24 KW peak power pulses is reported. This is, to our knowledge, the lowest repetition rate high peak power pulses ever generated directly from a picosecond laser resonator without cavity dumping.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、稳定、高脉冲峰值功率的飞秒激光源，工作在低于1 MHz的超低重复频率，适用于荧光寿命成像应用。
• 克服在无腔内抽运或复杂放大级的情况下实现低重复频率锁模激光的挑战。
• 设计一种基于两个平面镜的多程腔（MPC）结构，以实现对往返次数和腔长的灵活且稳定的控制。
• 在1.2 MHz下实现长期稳定运行，同时保持高光束质量和高腔内功率，适用于高效倍频至可见光波段。
• 验证半导体可饱和吸收体镜（SESAM）在足够调制深度和损伤阈值下，可在超低重复频率下实现稳定锁模。

提出的方法

• 采用折叠式多程腔（MPC），使用两个曲率半径为2 m的凹面镜和两个平面镜，使有效腔长达到约121 m，经过56次往返。
• 使用一根5 mm长、掺钕浓度为0.1%的Nd:YVO4晶体，由波长为808 nm的15 W光纤耦合二极管激光器泵浦产生增益。
• 采用调制深度为6.1%的半导体可饱和吸收体镜（SESAM）实现无源锁模。
• 利用ABCD矩阵分析优化腔体设计，确保稳定光束传输，并在多次往返中最小化光束参数的退化。
• 通过调节平面镜与凹面镜的对准，控制往返次数和重复频率，实现从2.3 MHz至1.2 MHz的调谐。
• 通过1:1双透镜聚焦系统对泵浦光束（Aeff,L ≈ 1.3×10⁻³ cm²）和SESAM上的2 m聚焦镜（Aeff,A ≈ 4.7×10⁻³ cm²）实现模式重叠和最优模场面积。

实验结果

研究问题

• RQ1 无源锁模的Nd:YVO4振荡器是否能在不使用腔内抽运或外部放大级的情况下，实现低于1 MHz重复频率的稳定运行？
• RQ2 如何优化多程腔设计，在实现极长有效腔长的同时保持光束质量和稳定性？
• RQ3 在超低重复频率下，为防止Q开关锁模和多重脉冲不稳定性，SESAM和腔体结构的关键设计参数是什么？
• RQ4 通过镜面调节，能否精确控制MPC中的往返次数以调节重复频率？
• RQ5 在保持高光束质量和高效频率转换的前提下，超低重复频率下可实现的最大平均功率和峰值功率是多少？

主要发现

• 激光器在1.2 MHz重复频率下实现稳定连续波运行，脉冲宽度为16.3 ps，自相关 trace 中全宽半最大值（FWHM）为23 ps。
• 测得平均输出功率为470 mW，对应脉冲能量为392 nJ，峰值功率为24 kW。
• 光束质量接近 diffraction-limited，M²值略高于1.1，表明具有高空间相干性。
• 系统在数周内表现出长期稳定性，未观察到显著漂移或模式跳变。
• 在10 mm周期性极化KTP晶体中实现倍频，532 nm处转换效率最高达50%，证实其适用于可见光应用。
• MPC结构在884 kHz和650 kHz下也实现了稳定运行，但多重脉冲不稳定性导致无法长期稳定运行。