CN102820612A - 重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器 - Google Patents

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林学春
于海娟
张玲
鄢歆
曲研
杨盈莹
韩泽华
孙伟
晏诗恋
侯玮
李晋闽
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Abstract

本发明公开了一种重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，包括泵浦源、增益介质、谐振腔、平行平面反射镜组、锁模器件和耦合输出镜，泵浦源用于泵浦增益介质所需的足够增益，谐振腔用于形成激光往返振荡的条件，锁模器件用于实现对激光器纵模的调制，实现超短脉冲输出，其中：泵浦源通过光纤耦合输出激光，激光被整形后耦合进入增益介质，增益介质发出的激光经过谐振腔形成振荡激光，振荡激光通过谐振腔的凹面反射镜会聚到锁模器件上，锁模器件借助谐振腔和平行平面反射镜组，对激光形成多次往返振荡和调制，最后经耦合输出镜输出连续的超短脉冲。

Description

重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器
技术领域
本发明涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器。
背景技术
超短脉冲激光广泛应用于生物学、医学、化学、物理学以及激光微细加工、激光人卫测距等领域，锁模作为一种获得超短脉冲的有效手段，受到广大科研工作者的青睐。锁模的主要方法有主动锁模、被动锁模(包括可饱和吸收体被动锁模和克尔透镜锁模)、碰撞锁模、注入锁模等多种方式。目前，应用最为广泛的是克尔透镜锁模激光器和半导体可饱和吸收体(SESAM)被动锁模激光器。
文献1，1991年英国圣安德鲁斯大学的Spence等人在Optics Letters 16卷第1期中发表题为“60-fsec pulse generation from a self-mode-lockedTi：sapphire laser”的文章，首次报导了钛宝石克尔透镜锁模激光器，脉冲宽度为60fs，激光器采用传统的四镜X型谐振腔。脉冲重复频率为100MHz，对应谐振腔长度为1.5m。
文献2，2001年台湾交通大学的Y.F.Chen等人，在Optics Letters 26卷第4期中发表的题为“Diode-end-pumped passively mode-lockedhigh-power Nd:YVO4laser with a relaxed saturable Bragg reflector”利用布拉格镜式半导体可饱和吸收体，采用被动锁模的方式，获得了脉冲宽度为21.5ps的超快激光脉冲，脉冲重复频率为147MHz，对应谐振腔长度为1m。
综上所述，目前对锁模激光器的研究，主要是在谐振腔长固定、脉冲重复频率不变的前提下，对提高激光器的输出功率、效率，改变脉冲宽度，变换激光波长等的方法进行研究报导，而对于调整谐振腔长度，改变脉冲重复频率的方法并没有报导。
激光脉冲重复频率在实际应用过程中是一个非常关键的参数，直接影响光与物质相互作用的速度。锁模激光器的重复频率取决于谐振腔的腔长，通常情况下，为增加谐振腔内纵模振荡个数，谐振腔长度在1m～2m之间，因此，激光器整机体积较大；而且对同一台锁模激光器，一旦光学元件位置确定，只能输出一种重复频率的激光脉冲。而在实际应用过程中，如果需要不同重复频率，则需要重新改变谐振腔结构以拉长或缩短谐振腔长，重新设计和加工激光器，变换各个光学器件的位置，这给锁模激光器的整机一体化和实用化带来很大不便。
如果能提供一种锁模激光器，在稳区范围和模式匹配条件允许的前提下，插入一个器件，只需调节该器件，同时变换一个或者两个光学器件的角度，而无需重新调节其他光学件的位置，就可以实现谐振腔长度的调节，这样不但可以有效压缩激光器的体积，还可以灵活调节谐振腔长度，实现激光脉冲重复频率的可调，提高激光器的集成化和小型一体化，将会给固体锁模激光器的研究和应用带来很大方便。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，包括泵浦源、增益介质、谐振腔、平行平面反射镜组、锁模器件和耦合输出镜，泵浦源用于泵浦增益介质所需的足够增益，谐振腔用于形成激光往返振荡的条件，锁模器件用于实现对激光器纵模的调制，实现超短脉冲输出，其中：泵浦源通过光纤耦合输出激光，激光被整形后耦合进入增益介质，增益介质发出的激光经过谐振腔形成振荡激光，振荡激光通过谐振腔的凹面反射镜会聚到锁模器件上，锁模器件借助谐振腔和平行平面反射镜组，对激光形成多次往返振荡和调制，最后经耦合输出镜输出连续的超短脉冲。
上述方案中，根据晶体吸收波长的不同，所述泵浦源采用808nm、880nm、940nm或976nm的泵浦波长。
上述方案中，所述增益介质是掺Nd3+晶体Nd:YVO4或Nd:YAG，或者是掺Yb3+晶体Yb:YAG或Yb:KYW，或者是钛宝石(Ti:Al2O3)或Cr:YAG。
上述方案中，所述谐振腔是X型腔或Z型腔，含有两个凹面反射镜和若干平面镜；或者所述谐振腔是直腔，含有两个正透镜和若干平面反射镜以及用于锁模激光器的谐振腔结构。
上述方案中，所述平行平面反射镜组由两个平行的平面反射镜构成，两个平行的平面反射镜具有一定间距，并保持平行放置，相对面镀有对振荡激光的高反射膜。所述平行平面反射镜组固定在光学支架上，两平面反射镜的垂直相对间距连续可调，且该光学支架能够实现所述平行平面反射镜组围绕中心的角度连续可调。
上述方案中，所述锁模器件是主动锁模器件、被动锁模器件或克尔透镜锁模器件。当锁模器件是主动锁模器件时，锁模器件是电光调制器或声光损耗调制器；当锁模器件是被动锁模器件时，锁模器件是染料盒、半导体可饱和吸收体(SESAM)、碳纳米管或石墨烯。
上述方案中，所述谐振腔由双色镜223、第一凹面反射镜221和第二凹面反射镜222、平行平面反射镜组、锁模器件28和耦合输出镜23构成，所述平行平面反射镜组由第一平面反射镜211和第二平面反射镜212构成，所述锁模器件是反射镜式半导体可饱和吸收体28，其中：
泵浦源27经过光纤耦合输出激光，激光被整形后耦合进入增益介质24，增益介质24发出的激光经过双色镜223，反射至第一凹面反射镜221，经过第一凹面反射镜221后反射至旋转可调的第一平面反射镜211和第二平面反射镜212，在第一平面反射镜211和第二平面反射镜212内多次反射后至第二凹面反射镜222，第二凹面反射镜222将激光会聚并垂直入射到反射镜式半导体可饱和吸收体28上，反射镜式半导体可饱和吸收体28将激光垂直反射，再次经过第二凹面反射镜222、第一平面反射镜211和第二平面反射镜212、第一凹面反射镜221、双色镜223和增益介质24，经过多次往返振荡，最后经耦合输出镜23耦合输出连续的超短脉冲。
(三)有益效果
本发明提供的这种重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，巧妙地将平行平面反射镜组插入到固体锁模激光器中，只需要通过旋转镜组的角度和调节两个平面反射镜的垂直间距，无需重新设计和调节激光器谐振腔其他光学元件的位置，就可以实现超短脉冲激光的脉冲重复频率连续可调，改变目前一台超快激光器只有一个重复频率输出的现状，给这类激光器的研究和推广应用带来很大方便，本发明将在未来的超快激光领域具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1a是依照本发明实施例的平行平面反射镜组在调整前的示意图；
图1b是依照本发明实施例的平行平面反射镜组在调整后的示意图；
图2a是依照本发明实施例的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器在调整前的示意图；
图2b是依照本发明实施例的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器在调整后的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的技术构思是：在固体锁模激光器谐振腔中插入平行的平面反射镜组，该镜组由两个高反的平面镜相对平行放置组成，通过旋转平行平面反射镜组的角度，或改变两个平行平面反射镜的垂直间距，改变激光在反射镜组中的往返光程，实现谐振腔光学长度的连续调节，从而可以实现超快激光器脉冲重复频率的连续可调，还可以有效压缩超快激光器的体积，增加激光器设计和使用的灵活性。
如图1a所示，激光器谐振腔由腔镜12、平行平面反射镜组111和112、以及耦合输出镜13构成。平行平面反射镜组111和112是由两个相对放置的平面反射镜构成，即第一平面反射镜111和第二平面反射镜112，平面反射镜镀有对振荡激光的高反射膜。腔镜12镀有对振荡激光的高反射膜，耦合输出镜13是对振荡激光有一定透过率的耦合输出镜。腔镜12、第一平面反射镜111和第二平面反射镜112、以及耦合输出镜13构成的激光器谐振腔满足激光振荡条件。第一平面反射镜111至腔镜12的距离为141，耦合输出镜13至第二平面反射镜112的距离为142。平行平面反射镜组法线同振荡光成角度161时，激光在平行平面反射镜组内部的光程为143，激光在整个激光器谐振腔内的光程为：141+142+143，此时，输出超快脉冲的重复频率为c/2(141+142+143)，其中c为光速。
如图1b所示，平行平面反射镜组绕中心点18逆/顺时针旋转，平行平面反射镜组法线同振荡激光成角度171，如果第二平面反射镜112为带曲面的镜子，可以同时调节13的角度，使光线垂直于13，此时，腔镜12距离第一平面反射镜111的距离为151，耦合输出镜13至第二平面反射镜112的距离为152，平行平面反射镜组内的光程为153，激光在谐振腔内的往返光程变为：151+152+153，脉冲重复频率变为
c/2(151+152+153)
综上所述，通过调整平行平面反射镜组的角度，无需改变谐振腔其他光学元件的位置，就可以实现谐振腔光学长度的连续可调，从而输出重复频率连续变化的锁模脉冲序列。
图2是依照本发明实施例的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器在调整前后的示意图。基于图2说明本发明提供的这种被动锁模激光器工作原理如下：泵浦源27经过光纤26耦合输出激光，激光被泵浦光整形系统25整形后耦合进入增益介质24，增益介质24发出的激光经过双色镜223，反射至第一凹面反射镜221，经过第一凹面反射镜221后反射至旋转可调的平行平面反射镜组211和212，在平行平面反射镜组211和212内多次反射后至第二凹面反射镜222，第二凹面反射镜222将激光汇聚到反射镜式半导体可饱和吸收体(SESAM)28上，并将激光返回，再次经过第二凹面反射镜222、平行平面反射镜组211和212、第一凹面反射镜221、双色镜223和增益介质24，经过多次往返振荡，最后经耦合输出镜23耦合输出连续的超短脉冲。
泵浦源27发出的泵浦光经过光纤26耦合输出进入泵浦光整形系统25。泵浦源27的波长为880nm；光纤26的参数为芯径200μm或者其他芯径，纤芯的数值孔径0.22；泵浦光整形系统25用于对泵浦光进行1∶1～1∶3比例的扩束整形，满足同激光器的模式匹配条件。泵浦光整形系统25将整形后的泵浦光耦合进入增益介质24，增益介质24是Nd:YVO4晶体。增益介质24的体积大小为3mm×3mm×(3～8mm)，并且夹在通水的铜质热沉上进行冷却。第一凹面反射镜221、第二凹面反射镜222和双色镜223为谐振腔的腔镜，双色镜223为平面镜，镀有对泵浦光增透和振荡光高反的双色膜；第一凹面反射镜221和第二凹面反射镜222为带曲率的凹面反射镜，镀有1064nm波长的高反膜，第一凹面反射镜221的曲率半径为500～1000mm，第二凹面反射镜222的曲率半径为100～300mm。半导体可饱和吸收体(SESAM)28的表面尺寸为4mm×4mm，调制深度为0.5％～3％，放置于铜质热沉之上。通过调节SESAM 28和第二凹面反射镜222之间的距离，改变SESAM 28表面的光斑尺寸，实现激光器的锁模，输出超短激光脉冲。平行平面反射镜组211和212中平面反射镜的尺寸为两个平面反射镜相对错开放置，相对错开距离为14mm，两者的垂直间距为200mm。振荡激光同平行平面反射镜组的法线方向的夹角为291(调节前，见图2a)或292(调节后，见图2b)。
在本实例中，激光器的初始脉冲重复频率为100MHz，对应激光器的谐振腔长度为1.5m。如图2(a)所示，平行平面反射镜组同振荡激光形成的初始角度291为4度，
Figure BDA00001727988000062
的平行平面镜片允许激光往返3次，总光程为200×3/(cos4)，在平行平面反射镜组内部反射的总光程为597mm。
如图2a和图2b所示，通过旋转平行平面反射镜组，将入射角度调至292，如果292为8度，同时微调28的角度，保证222表面反射光垂直于28，此时，激光在平行平面反射镜组内只反射一程，光程为196mm，谐振腔的总长从1.5m变至1.1m，对应输出脉冲的重复频率原来的100MHz变换至136MHz。
从上面的实例中可以看出，本发明实现了输出脉冲重复频率在100MHz～136MHz的调节。本领域的技术人员应该理解，平行平面反射镜组可以通过变换镜片大小，两平行平面垂直间距和角度范围的变化实现其他重复频率范围的调节。
在本发明提供的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器中，泵浦源用于泵浦激光晶体所需的足够增益，谐振腔用于形成激光往返振荡的条件，锁模器件用于实现对激光器纵模的调制，实现超短脉冲输出，它可以是主动锁模器件，被动锁模器件，或克尔透镜锁模器件。平行平面反射镜组由两个平面反射镜组成，两个平面反射镜具有一定间距，并保持平行放置，相对平面镀有对振荡激光的高反射膜。平行平面反射镜组固定在光学支架上，两镜片的垂直相对位置连续可调，该光学支架可以实现平面反射镜组围绕中心的角度连续可调。泵浦源根据晶体吸收波长的不同可以是808nm、880nm、940nm、976nm以及其他泵浦波长，其中优选880nm。增益介质可以是Nd:YVO4、Nd:YAG等掺Nd3+晶体，也可以是Yb:YAG、Yb:KYW等掺yb3+晶体，还可以是钛宝石(Ti:A12O3)，Cr:YAG等超短脉冲激光器常用晶体，其中优选Nd:YVO4晶体。锁模器件可以是电光调制器或声光损耗调制器等主动锁模器件；也可以是被动锁模器件：染料盒，半导体可饱和吸收体(SESAM)，碳纳米管，石墨烯以及其他类型的可饱和吸收体；或者可以是自锁模器件，激光晶体本身或者其他非线性晶体；其中优选半导体可饱和吸收体(SESAM)被动锁模器件。谐振腔可以是X型腔或Z型腔：含有两个凹面反射镜和若干平面镜；也可以是直腔：含有两个正透镜和若干平面反射镜以及其他用于锁模激光器的谐振腔结构。其中优选含有两个凹面反射镜和若干平面反射镜的Z型谐振腔。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，包括泵浦源、增益介质、谐振腔、平行平面反射镜组、锁模器件和耦合输出镜，泵浦源用于泵浦增益介质所需的足够增益，谐振腔用于形成激光往返振荡的条件，锁模器件用于实现对激光器纵模的调制，实现超短脉冲输出，其中：泵浦源通过光纤耦合输出激光，激光被整形后耦合进入增益介质，增益介质发出的激光经过谐振腔形成振荡激光，振荡激光通过谐振腔的凹面反射镜会聚到锁模器件上，锁模器件借助谐振腔和平行平面反射镜组，对激光形成多次往返振荡和调制，最后经耦合输出镜输出连续的超短脉冲。
2.根据权利要求1所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，根据晶体吸收波长的不同，所述泵浦源采用808nm、880nm、940nm或976nm的泵浦波长。
3.根据权利要求1所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述增益介质是掺Nd3+晶体Nd:YVO4或Nd:YAG，或者是掺Yb3+晶体Yb:YAG或Yb:KYW，或者是钛宝石(Ti:Al2O3)或Cr:YAG。
4.根据权利要求1所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述谐振腔是X型腔或Z型腔，含有两个凹面反射镜和若干平面镜；或者所述谐振腔是直腔，含有两个正透镜和若干平面反射镜以及用于锁模激光器的谐振腔结构。
5.根据权利要求1所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述平行平面反射镜组由两个平行的平面反射镜构成，两个平行的平面反射镜具有一定间距，并保持平行放置，相对面镀有对振荡激光的高反射膜。
6.根据权利要求5所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述平行平面反射镜组固定在光学支架上，两平面反射镜的垂直相对间距连续可调，且该光学支架能够实现所述平行平面反射镜组围绕中心的角度连续可调。
7.根据权利要求1所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述锁模器件是主动锁模器件、被动锁模器件或克尔透镜锁模器件。
8.根据权利要求7所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，
当锁模器件是主动锁模器件时，锁模器件是电光调制器或声光损耗调制器；
当锁模器件是被动锁模器件时，锁模器件是染料盒、半导体可饱和吸收体(SESAM)、碳纳米管或石墨烯。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的重复频率连续可调的超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述谐振腔由双色镜(223)、第一凹面反射镜(221)和第二凹面反射镜(222)、平行平面反射镜组、锁模器件(28)和耦合输出镜(23)构成，所述平行平面反射镜组由第一平面反射镜(211)和第二平面反射镜(212)构成，所述锁模器件是反射镜式半导体可饱和吸收体(28)，其中：
泵浦源(27)经过光纤耦合输出激光，激光被整形后耦合进入增益介质(24)，增益介质(24)发出的激光经过双色镜(223)，反射至第一凹面反射镜(221)，经过第一凹面反射镜(221)后反射至旋转可调的第一平面反射镜(211)和第二平面反射镜(212)，在第一平面反射镜(211)和第二平面反射镜(212)内多次反射后至第二凹面反射镜(222)，第二凹面反射镜(222)将激光会聚并垂直入射到反射镜式半导体可饱和吸收体(28)上，反射镜式半导体可饱和吸收体(28)将激光垂直反射，再次经过第二凹面反射镜(222)、第一平面反射镜(211)和第二平面反射镜(212)、第一凹面反射镜(221)、双色镜(223)和增益介质(24)，经过多次往返振荡，最后经耦合输出镜(23)耦合输出连续的超短脉冲。
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