CN102097737A

CN102097737A - 一种高重复频率超短脉冲激光方法

Info

Publication number: CN102097737A
Application number: CN2010105946863A
Authority: CN
Inventors: 潘淑娣
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明属于激光技术领域，涉及一种高重复频率超短脉冲激光方法，选择安装好激光器系统，由泵浦源产生泵浦光经过耦合系统对激光增益晶体进行抽运，激光增益晶体的受激辐射在由输入镜到输出镜之间形成的激光谐振腔间建立激光振荡，经由输出镜输出形成超短脉冲激光；端面抽运产生克尔效应引起晶体中的折射率分布不均匀的同时，导致晶体中出现空间烧孔现象，当空间烧孔和克尔效应符合匹配关系时产生非线性调制作用，在激光谐振腔内产生锁模激光振荡，再经由输出镜输出超短脉冲激光；其激光器结构简单，激光振荡稳定，原理可靠，效率高，易实现锁模激光。

Description

一种高重复频率超短脉冲激光方法

技术领域：

本发明属于激光技术领域，涉及一种端面泵浦全固态锁模激光系统，尤其是一种高重复频率(Multi-GHz)超短脉冲激光方法。

背景技术：

主动锁模、主被动锁模和同步泵浦锁模等传统的锁模技术由于受到光学元件尺寸和调制器件响应时间的限制，很难实现重复频率达到GHz的锁模激光振荡。目前市场上销售的高重复频率激光多指调Q激光，重复频率可达到几百千赫兹；自1995年出现的半导体可饱和吸收镜(SESAM)，可以实现重复频率几十吉赫兹的连续锁模激光，但是SESAM有损伤阈值太低，制备工艺复杂，工作波长范围小的局限性；利用克尔效应实现锁模激光的激光晶体，主要集中在Ti:Sapphire，Cr:LiSAF，Cr:Forsterite这三种宽带固体激光材料，由于利用X-折叠型的谐振腔，腔长通常超过1米，脉冲的重复频率通常在百兆赫兹，而且激光器的结构复杂；掺Nd³⁺激光晶体，如Nd:YVO₄、Nd:GdVO₄等具有较大的非线性折射率，但是受增益频带限制，其脉宽被限制在皮秒区，在振荡器的谐振腔内得不到高峰值强度，因此，之前人们普遍认为难以用这类激光晶体获得自锁模的激光振荡，因而主要采用附加脉冲锁模的方法。因为到目前国内尚未看到利用激光晶体的自锁模来实现重复频率大于1GHz的锁模激光器的文献报导。所以，探寻一种高重复频率超短脉冲激光设备和技术方法是业界科研人员正在为之努力的方向。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用端面泵浦方式，通过调整腔模和泵浦模在激光晶体中的尺寸关系，调整晶体中的克尔效应和空间烧孔效应的空间分布，当两者相匹配时产生增强的非线性调制作用，对光束进行锁模调制，在谐振腔长度不大于150毫米的情况下，实现重复频率达到Multi-GHz的超短脉冲激光振荡。

为了实现上述目的，本发明首先选择安装好激光器系统，包括泵浦源、耦合系统、激光增益晶体、输入镜、腔镜、输出镜、光阑、调Q开关和光具座；由泵浦源产生的泵浦光经过耦合系统对激光增益晶体进行抽运，激光增益晶体的受激辐射在由输入镜到输出镜之间形成的激光谐振腔间建立激光振荡，经由输出镜输出形成超短脉冲激光；泵浦光通过耦合系统对激光增益晶体进行端面抽运而产生克尔效应引起激光增益晶体中的折射率分布不均匀的同时，这种驻波光束的不均匀分布导致激光增益晶体中出现空间烧孔现象，通过调整泵浦光和激光谐振腔腔模在激光增益晶体中的尺寸，来调整激光增益晶体中的空间烧孔和克尔效应在激光增益晶体中的分布，当空间烧孔和克尔效应符合一定的匹配关系时会对光束产生增强的非线性调制作用，从而在输入镜到输出镜之间形成的激光谐振腔内产生锁模激光振荡，再经由输出镜输出超短脉冲激光；激光谐振腔内不需要设置另外的锁模元件，激光增益晶体既是增益晶体也是锁模器件，完全自启动自锁模，激光的波长不受其他光学元件的限制，只要是激光增益晶体的辐射波长即可实现。

本发明涉及的激光增益晶体包括基质材料的掺稀土离子、锕系离子和过渡金属离子的晶体；激光谐振腔为输入镜与输出镜之间构成的空间区域，其总长度不大于150毫米，激光谐振腔内设置硬光阑，以获得高斯基模光束，并消除可能出现的直流背景，或激光谐振腔内设置调Q开关，以调谐调Q脉冲的重复频率，获得稳定的调Q锁模脉冲，调Q开关或光阑在激光谐振腔中的具体位置依据实际光路进行调整；所获得的激光振荡包括连续锁模激光振荡和调Q锁模激光振荡；激光谐振腔包括直腔、V型或Z型或X型折叠腔，也可以选择其他种类的腔型；泵浦源对激光增益晶体的泵浦方式为端面泵浦方式；激光增益晶体切割为任意形状；激光增益晶体的一个端面可以替代输入镜；输出的激光为调Q锁模超短脉冲激光或连续锁模超短脉冲激光。

本发明将激光增益晶体的克尔效应与空间烧孔效应相结合，获得增强的非线性锁模调制，实现自启动自锁模，其激光器系统结构简单，激光振荡稳定，原理可靠，体积小、造价低、效率高，易实现锁模激光。

附图说明：

图1为本发明涉及的激光系统主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

本实施例通过对泵浦光和腔模在激光增益晶体中的匹配关系，调整激光增益晶体中克尔效应和空间烧孔效应的关系，对激光谐振腔里的基波光进行锁模调制，谐振腔内不需要设置另外的锁模元件，振荡波长不受其他光学元件的限制，只要是增益晶体的辐射波长都可以产生锁模调制；其高重复频率(Multi-GHz)超短脉冲激光器包括泵浦源1、耦合系统2、激光增益晶体3、输入镜M₁、腔镜M₂、输出镜M₃、光阑4、调Q开关5和光具座6和7，输入镜M₁与输出镜M₃之间的激光谐振腔长度不大于150毫米；由泵浦源1产生的光源依次经过耦合系统2对激光增益晶体3进行端面抽运，通过调整光具座6和7来调整激光增益晶体3中的克尔效应和空间烧孔效应，对基波光产生锁模调制，获得自锁模的激光振荡，由输出镜M₃输出超短脉冲激光；激光增益晶体3选用掺稀土离子、锕系离子或过渡金属离子的晶体；在激光谐振腔内可设置光阑4，以获得高斯基模光束，消除可能出现的直流背景；或在激光谐振腔内设置调Q开关5，以调谐调Q脉冲的重复频率，获得稳定的调Q锁模脉冲；光阑4或调Q开关5在激光腔中的具体位置依据实际光路进行调整；激光振荡包括连续锁模激光振荡和调Q锁模激光振荡；激光谐振腔包括直腔、V型折叠腔、X型折叠腔、Z型折叠腔或其他种类的腔型；其泵浦源对激光增益晶体3的泵浦方式为端面泵浦方式；其激光增益晶体3切割为任意形状；其输出镜M₃输出的激光为调Q锁模超短脉冲激光或者连续锁模超短脉冲激光。

实施例1：

本实施例1实现一种波长1.342微米，重复频率6GHz的连续锁模激光的方法；其所用激光器系统主体结构包括二极管泵浦源1、耦合系统2、输入镜M₁、腔镜M₂、输出镜M₃、激光增益晶体3、光具座6和7，将耦合系统2和激光增益晶体3分别放置在三维可调节的光具座6和7上，二极管泵浦源1的输出波长为808纳米，激光增益晶体3为布儒斯特角切割的Nd:YVO₄，各腔镜的参数为：输入镜M₁的曲率半径10毫米，对808纳米和1.06微米激光高透射并对1.342微米高反射；腔镜M₂的曲率半径20毫米，对1.06微米激光高透射并对1.342微米高反射，输出镜M₃为平面镜，对1.06微米高透射并对1.342微米透过率5％；输入镜M₁与输出镜M₃之间总长度为25毫米，输出连续锁模的1.342微米脉冲激光，脉冲重复频率为6GHz。

实施例2：

本实施例2实现一种波长1.064微米，锁模脉冲重复频率为2.1GHz的可调谐调Q锁模激光方法，其所用激光器系统中的二极管泵浦源1的输出波长为808纳米，激光增益晶体3为梯形切割的Nd:GdVO₄，耦合系统2和激光增益晶体3分别固定在三维可调节光具座6和7上，声光开关5对应的工作波长为1.064微米，输入镜M₁曲率半径为30毫米，对808纳米高透射并对1.064微米高反射，腔镜M₂曲率半径为50毫米，对1.064微米高反射，输出镜M₃对1.064微米的透过率10％，M₁、M₂距离50毫米，M₂、M₃距离20毫米，M₁与M₃之间总长度约70毫米，声光开关5的重复频率变化范围1kHz～50kHz，输出1.064微米调Q锁模激光，调Q包络的重复频率可调谐，调Q包络里脉冲的重复频率为2.1GHz。

本实施例1和2中涉及的激光器系统，其激光增益晶体3选择Nd:YAG、Ti:Sapphire、Nd:YLF、Cr:Forsterite、Nd:Gd_xY_1-xVO₄等多种激光晶体的效果相同；调Q开关为电光开关或机械开关；其激光器的激光谐振腔腔型可以是直腔、Z型腔或X型腔，各腔镜的曲率和激光谐振腔的总长度根据具体情况来确定。

Claims

1.一种高重复频率超短脉冲激光方法，其特征在于选择安装好的激光器系统包括泵浦源、耦合系统、激光增益晶体、输入镜、腔镜、输出镜、光阑、调Q开关和光具座；由泵浦源产生泵浦光经过耦合系统对激光增益晶体进行抽运，激光增益晶体的受激辐射在由输入镜到输出镜之间形成的激光谐振腔间建立激光振荡，经由输出镜输出形成超短脉冲激光；泵浦光通过耦合系统对激光增益晶体进行端面抽运而产生克尔效应引起激光增益晶体中的折射率分布不均匀的同时，驻波光束的不均匀分布导致激光增益晶体中出现空间烧孔现象，通过调整泵浦光和激光谐振腔腔模在激光增益晶体中的尺寸，来调整激光增益晶体中的空间烧孔和克尔效应在激光增益晶体中的分布，当空间烧孔和克尔效应符合匹配关系时对光束产生增强的非线性调制作用，从而在激光谐振腔内产生锁模激光振荡，再经由输出镜输出超短脉冲激光；激光谐振腔内不设置另外的锁模元件，激光增益晶体既是增益晶体也是锁模器件，完全自启动自锁模，激光的波长不受其他光学元件的限制，只要是激光增益晶体的辐射波长即可实现。

2.根据权利要求1所述的高重复频率超短脉冲激光方法，其特征在于涉及的激光增益晶体包括基质材料的掺稀土离子、锕系离子和过渡金属离子的晶体；激光谐振腔为输入镜与输出镜之间构成的空间区域，其总长度不大于150毫米，激光谐振腔内设置硬光阑，以获得高斯基模光束并消除可能出现的直流背景，或激光谐振腔内设置调Q开关，以调谐调Q脉冲的重复频率，获得稳定的调Q锁模脉冲，调Q开关或光阑在激光谐振腔中的具体位置依据实际光路进行调整；所获得的激光振荡包括连续锁模激光振荡和调Q锁模激光振荡；激光谐振腔包括直腔、V型或Z型或X型折叠腔；泵浦源对激光增益晶体的泵浦方式为端面泵浦方式；激光增益晶体切割为任意形状；激光增益晶体的一个端面替代输入镜；输出的激光为调Q锁模超短脉冲激光或连续锁模超短脉冲激光。