基于角锥棱镜的单频Nd：YAG环形激光器外文翻译资料

 2022-11-14 04:11

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基于角锥棱镜的单频Nd：YAG环形激光器

Wu Ke-Ying(吴克瑛)，YANG Su-Hui（杨苏辉），ZHAO Chang-Ming(赵长明)，WEI Guang-Hui(魏光辉)

北京理工大学光电工程系，北京 100081

(收于2000年2月4日)

摘要：我们提出了另一种形式的非平面环形激光器，其中角锥棱镜是关键元件，并且Nd：YAG晶体用作保罗棱镜来封闭环形谐振器。由角锥棱镜的三个不同取向的反射面的全内反射引起的相移，磁场中的Nd：YAG晶体中的法拉第旋转和S和P偏振中的不同输出耦合形成光学二极管并且强制单频。通过琼斯矩阵的评估来进行谐振器的极化特性的往返分析。

据Kane和Byer在1985年首次报道[1]，单片非平面微型环形激光器可以产生可靠和高效的单频输出。但是，增益量和末端泵浦形式限制了其最大输出功率[2][3]。我们提出了另一种形式的非平面环形激光器，它由一个角锥棱镜（corner cube），一个用作保罗棱镜(Porro prism)的Nd：YAG晶体组成，用于构成环形谐振器，如图1所示.

图1谐振腔装置

Nd：YAG晶体由20W激光二极管从侧面泵浦。 由于保罗棱镜的顶部边缘周围的倾斜以及围绕垂直于光轴的任何轴的角立方体的倾斜，实现了未对准灵敏度的降低[4]。

由角锥棱镜反射面（取向不同）上的全反射，置于磁场中的Nd：YAG晶体内的法拉第旋转，以及布鲁斯特板的偏振器（带预设S和P偏振分量耦合输出）所引起的相移形成光学二极管并强制执行单向行波，因此产生单频发生功率。琼斯矩阵可以描述极化状态的变化。如图2所示，当角锥棱镜中的光线从A传播到E时，输出波场以及输入波场的偏振分量应为：

以及：

这里，alpha;是平面CDE和BAED之间的夹角，并且600-alpha;是平面BAED和ABC之间的夹角。注意在M1表达式的推导过程中，用到了左手坐标系且要考虑角锥棱镜的以下特征[3]：

  1. 角锥棱镜的输入和输出光线是中心对称的。
  2. 两个全反射面ABC和BCD之间的夹角是600，平面CDE和BCD之间的夹角也是600
  3. 不论角锥棱镜的全反射界面是什么，光线的入射角始终是54.40，

图2.一束光线在角锥棱镜中的反射

P偏振分量和S偏振分量间的全反射导致的相移delta;1由下式给出：

这里，theta;是等于54.40的入射角而n是角锥棱镜的折射系数。包括角锥棱镜、保罗棱镜、Nd：YAG晶体中的法拉第旋转效应和布鲁斯特板的环形谐振器的琼斯矩阵是：

这里delta;2是由光保罗棱镜中的全反射造成的相移，ϕ是Nd：YAG晶体的法拉第旋转角，ε是反射面和布儒斯特板以及平面BAED之间的夹角，ts和tp分别是布鲁斯特板的S和P透射率。

为简单起见，角度alpha;设定为30°。在这种情况下，当光线从E逆时针传播到A时，琼斯矩阵仍然是M1，符合右手系统。但是法拉第旋转角应该变为原来的负值，因此，从布鲁斯特板到自身的逆时针循环的琼斯矩阵是：

Mc和M法拉第旋转角度的差异使得Mc和M的本征极化状态不同。一个循环的本征极化状态是两个长椭圆状态，它们的主要部分分别接近布鲁斯特板的S和P方向，而另一个循环的特征极化状态是两个较小的椭圆状态，其主要部分远离S和P方向。S和P极化中输出耦合的差异仅选择一个循环方向的一个本征极化状态进行谐振和输出，从而消除了烧孔并获得了单频。

在本实验中，输出耦合系数分别是Ts=|ts|2=0.64并且Tp=|tp|2=0.98，因此，其主要最接近P方向的本征极化状态谐振。图3是当角度ε等于零时，不同方向上P极化附近的两个本征光的特征值平方（Eigenvalue square）随法拉第旋转角度(Faraday rotational angle)的变化。由输出耦合会引起损耗，特征值平方实际上会小于1，较大的特征值平方意味着更少的损失和更容易的共振。

图三.特征值的平方与法拉第转角的关系

谐振器由20 W相干激光二极管侧面泵浦。808nm的泵浦激光器通过包括柱状透镜的耦合系统耦合。由Nd：YAG制成的Porro棱镜，其尺寸为18times;4times;10mm，由热电冷却器（TEC）冷却，放置在约0.15T的磁场中。布鲁斯特板是1毫米厚的无涂层玻璃板。我们将轴和玻璃之间的角度调整为与布鲁斯特角稍微偏离，以实现不同的输出耦合系数。由于布鲁斯特板未涂覆，因此在板的每一侧都发生输出耦合。图4是示波器和F-P激光光谱分析仪检测到的激光光谱，其精细度超过100，自由光谱范围约为5.6 GHz。频道1（Ch1）用于跟踪F-P的驱动电压，频道2（Ch2）用于检测激光光谱的信号。谐振器中一个圆的光程约为0.2m，轴模距离约为1.5GHz。因此，我们得出结论，输出激光器处于单轴模式由于风吹到TEC下方的散热器上，因此空腔中的气流引起共振频率偏移。结果，图4中的信号不是非常尖锐。图5展示的是没有磁场时由F-P激光光谱分析仪检测到的激光光谱，检测到了共轴的多个模式。

图4.轴向单模式.1为F-P的驱动电压，

2为激光光谱的信号。

图5轴向多模式。1为F-P的驱动电压，

2为激光光谱的信号。

当泵浦功率约为15W时，系统的斜率效率较低，单频输出功率仅约为100mW。由于侧泵浦的泵送效率低且每个反射表面都是平面，因此谐振器的稳定性仅取决于热致镜头。我们证明了具有角隅棱镜的非平面环形激光器可以产生单频输出激光器。由于耦合系统泵浦激光器不合适，因而效率低。接下来我们要做的是使系统更加稳定和高效，然后将系统整合为准单片激光器。

我们非常感谢Liu Anhan，Jiang Tengyu，Zhu Zhen，Cui Lianrong和洪东华华北光电研究所提供的棱镜和Nd：YAG晶体；中国钢铁研究的Li wei，Zhang Jikai院提供的永磁体。

参考文献

[1]T.J. Kane and R.L. Byer, Opt. Lett. 10 (1985) 65.

[2]yj. Kane, A.C. Nilsson and R.L. Byer, Opt. Lett. (1987) 175.

[3]I. Freitag, A. Tuuml;nnermann and H.Welling, Opt. Commun 15 (1995) 511.

[4] N. Hodgson, H. Weber, Optical Resonators, (Springer- Verlag, London, 1997), Chap. 16.

[5] ZHOU Xiao-ji, CAO Li and WU Da-jin, Chin.Phys.Lett15(1998) 183.

[6] WANG Zhong-long, CAO Li and QIU Jun-lin, Chin. P Lett. 15 (1998) 498.

[7] LONG Quan, CAO Li, WU Da-jin and LI Zai-guang, Chin.Phys. Lett. 15 (1998) 266.

[8] CHEN Bao-zhen, Chin.Phys.Lett.15 (1998) 416.

[9] WANG Kai-ge, Chin. Phys. Lett. 16 (1999) 510.

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