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具有和不具有法拉第元件的单向单纵模运转Nd：YVO4环形激光器
Benjamin A. Thompson，Ara Minassian和Michael J. Damzen
我们展示了高性能单向和单频环形激光器运转基于二极管侧泵浦的Nd：YVO4 反射放大器，该环形放大器在带有和不带法拉第旋转元件的环形系统中获得。环形激光器腔内含有法拉第单向元件时，在TEM00模式产生了15W的连续激光输出，在35W二极管泵浦功率下，产生的单纵模激光，光束传播参数M2lt;1.1。一种新型非基于法拉第的环形激光器在双折射Nd：YVO4 增益介质中使用偏振相关输出耦合器和非对称偏振态，并被证明30W二极管泵浦时，在TEM00 模式下，可产生14 W的高单向（1200：1）单频激光输出，光束传播因子M2lt;1.2。copy;2004美国光学学会
OCIS代码：140.3480,140.3530,140.3560,140.3570,140.3580。
1.介绍
单频激光器可广泛用于很多领域，包括激光雷达，遥感，相干通信，计量，光谱和非线性频率转换。线性谐振器中空间烧孔的存在限制了激光器的效率和单频特性，因此可以使用单向环形激光器设计来消除这个问题。传统上，已经使用了法拉第旋转器与半波延迟板和偏振元件相结合，尽管在某些情况下，这可以和增益介质本身组合形成单片器件。如果增益材料verdet的常数太小，单片方法则不起作用。声光调制器也被证明可以实现单向性。法拉第隔离器或声光调制器的加入使单向激光器的复杂度和成本高于线性激光器，因此理想的系统不利用这些效应。在过去，已有很多的技术用于方向性控制，但在接近阈值的低输出功率下，其运行效果最好。
在本文中，我们首次描述了一种高增益反射放大器的单向单纵模运行。介绍了基于法拉第的单向单纵模环形激光器的高功率工作原理，该激光器具有反射放大器几何结构，可提供由30W二极管泵浦到15W的输出功率。我们还提出了没有法拉第元件的环形激光器的变体，由于增益介质中极化态与偏振输出耦合器的不对称所以它的工作方式是单向的。我们展示了在Nd：YVO4 平板放大器中，从30W的二极管泵浦到14W时连续单纵模得以输出且单向性高达1200:1。通过简单的连续控制输出耦合水平，可以
作者在英国伦敦SW7 2BW帝国理工学院Blackett实验室工作。BA Thompson的电子邮件地址是b.thompson@ic.ac.uk。
2003年11月18日收到;修订后的稿件于2月9日收到 -
2004年的ruary;2004年3月2日接受.0003-6935 / 04 / 153174-04 $ 15.00 / 0
copy;2004美国光学学会
优化系统效率。
2.隔离的实验系统
我们的实验中用的是基于Nd：YVO4 反射放大器和腔内法拉第器件的单向环形激光器，如图1所示。其增益介质为二极管泵浦的1.1atm％的Nd：YVO4板，尺寸为20times;5times;2mm，c轴垂直于大面
图1.基于法拉第的单向环形振荡器。A，放大介质;OC，输出耦合器; lambda;/2，半波延迟片; FR，法拉第旋转器; VCL1和VCL2，垂直柱面透镜;HCL，水平柱面透镜; P顺时针 和P逆时针分别沿顺时针和逆时针方向输出功率。
（20times;5 mm）。Nd：YVO4板通过一个波长为800nm且侧面为20times;2mm的二极管棒来泵浦，通过圆柱形耦合光学器件，以产生在垂直方向上尺寸约为100mu;m，水平方向约15mm，吸收深度为300mu;m的泵浦体积。激光模式为1064nm通过来自泵面的全内反射使用单次掠入射反射，这产生非常高的小信号增益，并且对增益区域的非均匀性会得到相当大的均匀化。当板的两个5times;2 mm面当角度成5°时，在1064nm处镀抗反射涂层，以最大限度地减少反射和寄生损失。两个垂直柱面透镜VCL1和VCL2，每个都具有50mm的焦距，是为了使基本模式尺寸与小的垂直泵浦尺寸相匹配。由于放大器中热致透镜的泵浦功率依赖性，在较高的泵浦功率下将具有100mm焦距的水平柱面透镜HCL添加到腔体中，以在水平维度上保持稳定的TEM00 操作。通过45°法拉第旋转器FR和半波延迟板h / 2的组合获得环形激光器的单向操作，该半波延迟板h/2仅在顺时针方向上保持共同（垂直）偏振。对于平行于（垂直）c轴(sigma;c=3sigma;a)偏振的辐射，该组合利用更高的增益截面，以确保顺时针方向的单向性。垂直偏振辐射的输出耦合器反射率为50％。在二极管泵浦功率为35 W的情况下，系统在TEM00 和单纵模模式下提供15 W的输出功率，光束传播参数M2 lt;1.1。该系统首次演示了具有反射放大器几何结构的单向环形运转。
3.非隔离实验系统
在上述环形激光系统中，当法拉第旋转器FR和半波片从谐振器中移除时，系统以双向方式运行模式，如预期的那样。输出为TEM00 ，但在多个纵向模式下运转，每个输出方向的功率不稳定。然而，仅当半波片保留在谐振器中（在图1所示的位置），但法拉第旋转器被移除时，发现谐振器在顺时针方向上以强偏振（4：1）方向运转。这种行为是出乎意料的，因为半波片是一种互易装置。这种令人惊讶的结果归因于波片，增益介质和光学谐振器内的输出耦合器的相对顺序。通过将半波片重新定位到输出耦合器的另一侧，输出偏振反转到逆时针方向。值得注意的是，输出耦合器对于垂直（s偏振）激光具有50％的偏振反射率，对于水平（p偏振）激光具有26％的偏振反射率。为了进一步研究这种效应并提高单向性的有效性，我们基于图2所示的实验系统演示了第二个环形谐
图2.非基于法拉第的单向环形振荡器。A，Nd：YVO4 放大介质基; lambda;/2，半波延迟片; P，薄膜偏光镜;VCL1和VCL2，垂直柱面透镜;HCL，水平柱面透镜;P顺时针 和P逆时针分别沿顺时针和逆时针方向输出功率。
振器。输出耦合器被一个具有高反射率的垂直偏振和高透射率水平偏振的膜偏振器P取代。Nd：YVO4腔 放大器A和其他腔内光学器件（VCL1，VCL2，HCL）与先前的系统相同。发现激光器在顺时针方向以高度单向模式运行。研究了激光输出与腔内半波片相对于垂直极化的角度的函数，结果如图3所示，二极管泵浦功率为30W。
图3. 二极管泵浦功率30 W下，顺时针（方形点）和逆时针（圆点）方向的输出功率P与波片角度0的函数关系.
在此泵浦功率下，顺时针方向最大输出功率P连续为11.4W，尽管在该泵浦功率下观察到高达14W的输出。单向性程度非常高：P连续：P逆时针= 1200：1。TEM00模的光束传播参数M2lt;1.2。用具有自由光谱范围3.4GHz，精细度50的法布里-珀罗干涉仪分析顺时针激光的光谱输出，观察到的环形干涉图案记录在图4中，结果表明
图4.法布里 - 珀罗干涉仪的光谱环图案，表明单纵模运转
系统运行在单纵模（腔模间距约为500 MHz;标准具分辨率约为70 MHz）。当半波片的腔内位置反转到P的相反侧时，激光振荡的方向性反转，从而在逆时针方向上产生更高的输出功率。
要深入了解此系统的单向性，需要注意一些关键特性。腔内波片的角度控制输出耦合传输（)，其中是偏振角波片产生的旋转。通过波片，偏振器和增益介质的排序导致系统的不对称性。对于图2所示的顺序，顺时针模式入射在Nd：YVO4 放大器上光的是纯线性垂直偏振，而逆时针模式将具有垂直和水平偏振分量其比例为，这取决于波片角度。Nd：YVO4 是一种双折射材料（激光波长为1064nm，nc=2.1652; na=1.9572,delta;n=nc-na=0.208）及其受激发射增益截面（sigma;c~3sigma;a），其中c轴对应于该实验系统中的垂直偏振。折射率的温度依赖性也是偏振相关的dnc/dT=3.0times;10—6K—1和dna/dT=8.5times;10—6K—1。在图3中，在零半波片角度= 0°时，系统将以线性垂直偏振为主的方式工作从而获得高增益截面sigma;c，由于薄膜偏振器P的不完美而导致输出耦合T透过率较小(lt;1%)。波片角度的旋转使输出耦合透过率增加，在图3中，对应于T=sin2 2的波片角度为32°和58°，有效反射率R=1-T=19％下，提供了最佳输出功率。在= 45°时，输出耦合应为100％，激光器应低于阈值。此角度的非零输出归因于此二极管泵浦下该反射放大器几何结构的极高单通增益（大约数千倍），并且可能是由于波片或偏振器的不完美导致的弱激光引起的，或由于放大自发发射。图5显示了激光器在较低的10W二极管泵浦功率下的输出功率，
图5. 二极管泵功率为10 W，顺时针（方形点）和逆时针（圆点）方向下输出功率P与波片角度的函数。
再次看到高度单向顺时针输出，但这种低增益系统有一个最佳波片角度为26°，并清楚地表明激光在波片的高输出耦合角（39°-51°）范围内低于阈值。由于振荡的方向仅基于lambda;/2相对于A和P的位置，似乎单向效应必须是偏振态的结果，而不是其他技术（例如，不稳定的谐振器或不对称反馈效应）。偏振相关输出耦合器的存在破坏了系统的对称性。在顺时针方向上，仅存在垂直偏振，而在逆时针方向，将存在偏振状态的组合。由于高双折射Nd：YVO4 晶体中的双折射，辐射的水平分量将与垂直方向相比，经历空间位移，并且由于更高的dn/dT，还具有更大的热致透镜。此时认为水平偏振分量的不对称，提供了逆时针模式的寄生损失，导致振荡器的方向辨别。还存在顺时针模式的自发噪声增强的可能性，由于在A中产生的沿顺时针方向传播的水平偏振的自发发射，可以被转换为垂直偏振。由于存在偏振器P，这种效果不会在逆时针方向上发生。这种效应还需要进一步研究。
4.结论
我们首次演示了基于反射放大器几何结构的单向环形激光器中的高功率（15 W）单纵模运转。我们还表明，可以构建基于二极管泵浦Nd：YVO4 反弹系统的单向激光振荡器，而不包括法拉第隔离器。基于偏振的输出耦合器的存在破坏了系统的对称性，导致单向运转。通过简单地旋转波片角度可以实现输出耦合程度的连续控制，从而可以有益于优化激光效率。
参考文献
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