梁兴波 王超 王文涛 刘磊 唐晓军

摘要：从姆半激沅理论中能够清楚的了解到，固体激沅器当中所包含的两个模式其是不是可以统一进行振荡主要是看两个模式间所形成的耦合度情况，可以称作是增益竞争所形成的互饱、系数同自饱、系数間的比值。在实验过程中，通过使用两组相应规格的波片构设双频固体激光器，由此完成了频差从30兆赫到1.3吉赫可以连续调节的双频式激光输出。在此前提下，对两个正交偏振模式其在不同频差环境下所输出的噪音功率密度进行测量，并计算得出，两个表征模式间的增益竞争程度下的耦合系数。从理论上来看，结合兰姆半理论能够推理出耦合系系表达方式，由此可以证明，实验当中的耦合系数是随频差增大而变小，同时还对改变耦合系数的影响因素进行了分析，这样可以为双频固体激光器的优化提供参考。

关键词：固体激光器；正交偏振模式；增益竞争；影响因素

双频激光在激光雷达方面的应用空间非常大，现时期情况下所形成的双频激光方法主要包含空间分离合束法、声光移频频合、双折射晶体法等，在此当中双折射晶体法因为稳定性较好，并且频差调整空间较大，同时率效也较高，这些优质获得人们的大力关注及广泛应用。双折射法通过腔内双折射部件进行正交偏振式的频率分裂，然在激光振荡期间，正交偏振模式会向光轴方向产生两种驻波场，所以在增益介质当中，反转粒子其数密度会同时在空间产生烧孔，因为两种模式所形成的烧孔有重叠之处，所以两种模式间存在一定的竞争现象。

1.双频激光器研究及实验

双频激光器所用的是LD端而的抽运固体激光器晶体，在此当中在固体激光器晶体左端一面镀808nm式高透膜和1064nm式高反膜来当作抽运光输入端的腔镜结构，右端一面的不镀膜其晶体厚度为1毫米。输出耦合镜是曲率半径为100毫米的凹面镜所构成，其在1064nm式激光器中的透过率达到了5%，腔长为50毫米。腔内耦合腔会让激光器出现单纵模振荡，二级管泵浦固体激光器使单纵模中的两个正交偏振模形成频率分裂，在此情况下的频差则是 ，在此当中 代表的是两波片中岗位轴间的夹角，C代表的是真空下的光速，旋转第二组二级管泵浦固体激光器可以使夹角发生变化，由此便可以求出频差调节后的双频激光输出值。腔内插入规格直径是0.5毫米的小孔光阑，以用来对高阶横模振荡进行控制。固体激光器所输出的功率在40兆瓦的时候，通过调整两波片中岗位轴间的夹角，能够得出不同频差下双频激光的输出值，所输出的激光经过法布里珀罗干涉仪器扫描以后，会显示在波器上，在此过程中， 代表的是法布里珀罗干涉仪扫描的时间，每个扫描时间所对应的是不同的频差[1]。两波片间的角度如发生改变会使两波片中岗位轴间的夹角在0到45度间不断转变，从理论上来说，当两波片中岗位轴间的夹角在45度的时候，可求得最大频差为 ，然而在实践操作过程中，如果当两波片中岗位轴间的夹角接近于45度的时候，固体激光器会出现跳模的情况。

2.耦合系数

结合兰姆半理论可以发现，不同的激沅模式间各自产生的影响可以用耦合系数C来代表，即可定义成。C值如果不断增大就说明两个模式之间所形成的耦合竞争就会越明显，同时也会越难形成统一振荡，相反，如果C值不断普通小，就会较易形成双模的同时振荡，由此形成双频输出的现象。在此当中的和所代表的是自饱和系数与互饱和系数。假如激光器腔长变小，则因为最大频差的关系，会使纵模频率的间距变大，双频频差这时的比例也会有所变大，也就是两模频率相对中心频率偏移量而不断增大，最后就会造成洛化兹函数与各 函数不断减小，同时也会让耦合系数不断变小，所以在此情况下更易获得双模统一时间下的振荡输出。在本实验当中所构设的双频激法器当中，因为双频频差比激光物质增益线宽小，可以看作是自饱和系数与互饱和系数相等固体激光器晶体在腔的其中一端并且与共振条件相近的情况下会使 ，因此 ，最后所得出的必定是抽运功率情况下的耦合系数，即为 。在实验过程中因为所使用的激沅器能够满足 ，在此当中 代表的是抽运速率[2]。所以，耦合系数便可表示成 在公式当中 代表的是同相噪声频率，其主要是由固体激光器的弛豫荡所形成的， 则表示的是反相噪声频率，其则主要是由两偏振模式间增益竞争所造成的光强起伏变动所产生的。对不同频差下的其中一个偏振方向偏振态激光其归一化噪声功率的谱密度进行测量，其中左峰值形成的是反相噪声，而右侧峰值则是同相噪声，同时结合耦合系数公式计算得出不同频差下所形成的耦合系数。经过实验测量所获得的耦合系数同频差间存在一定的关系，从此关系当中能够发现其耦合系数值都小于0.8，并且伴随频差的不断增大耦合系数值会有所变动，值会相对变小，所以由此可以证明，频差在250兆赫的到1吉赫的区间内，都可获得平稳的双频激光输出值，同时频差也会变大，两模式间相互间所存在的竞争非常小，这时更加容易产生同时间的振荡[3]。根据抽运功率下的耦合系数公式可以对在不同晶体长度下的耦合系数值及模式间的频差，当频差在0到50吉赫内的时候，从关系曲线中能够看出，耦合系数随频差的不断增大而使周期发生变化，并且幅值也在不断降低，变化周期和晶体的长度形成反比现象。在晨大频差在4.5吉赫以内的时候，耦合系数据会出现轻微的变小，并且还能够发现，晶体长度增大，耦合系数会有更明显的下降，如此情况下，更易达成大频差双模同一时间发生振荡[4]。

3.结语

总体来说，利用两个四分之一的波片来当作腔内的双折射元件，而构设的固体双频激光器，得出频差连续并且可调控的双频激光输出值，依据耦合系数公式，进行计算可以证明增大激光器腔长和增大介质长度及频差都会使耦合系数值不断变小，这种方法为提升双频固体激光器其安全稳定性奠定了理论基础。

参考文献

[1]肖光宗，龙兴武，张斌，etal.Y型腔正交偏振激光器的模竞争和光强调谐特性[J].中国激光，2011，38（3）.

[2]李磊，赵长明，张鹏，etal.激光二极管抽运频差可调谐双频固体激光器的研究[J].物理学报，2007，56（5）.

[3]龚梦帆，肖光宗，傅杨颖，etal.一体化Y 型腔正交偏振氦氖激光器的基本特性研究[J].激光与光电子学进展，2015，52（12）.

[4]张鹏，李磊，杨苏辉，etal.激光二极管泵浦可调频差双频固体激光器[C]// 二〇〇六年全国光电技术学术交流会.2006.

（作者单位：华北光电技术研究所）