CN102832536A - 一种用于输出锁模皮秒激光的谐振腔及锁模皮秒激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于输出锁模皮秒激光的谐振腔及锁模皮秒激光器，锁模皮秒激光器包括沿着光路依次设置的泵浦源、聚焦镜和用于输出皮秒激光的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔内包括：激光晶体、聚焦装置、法布里泊罗标准具和半导体可饱和吸收镜，所述聚焦装置使得作用于所述半导体可饱和吸收镜的光束能量密度能够实现连续锁模。本发明能够对皮秒激光器的峰值功率进行较为精确的控制，有利于更好地满足各种不同应用的要求。本发明能够对皮秒激光器的脉宽进行控制，有利于更好地满足各种不同应用的要求。本发明能够调谐皮秒脉宽，易于操作，又不影响锁模稳定性。本发明的脉宽可调谐器件体积小巧，有利于节省空间。

Description

一种用于输出锁模皮秒激光的谐振腔及锁模皮秒激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于输出锁模皮秒激光的谐振腔及锁模皮秒激光器。

背景技术

随着激光技术的迅速发展及其应用的需求，对高峰值功率皮秒激光器的需求大大增加。特别是随着各种学科和工业对超短脉冲激光的需求，使得皮秒激光器的需求大大增加，表现广泛的应用前景（例如：国防、工业、医疗、生物等领域）。在不同的实际应用中，皮秒激光器往往需要有不同的峰值功率。例如对于峰值功率GW级的皮秒激光器，其使用过程中对光学元件的损伤往往大大超过了元件的损伤阈值。所以，对于特定的实际应用，皮秒激光器在满足该应用的性能要求的同时，还需要考虑到其可靠性以及使用寿命等问题，这就需要对其峰值功率进行较为精确地控制。然而，目前没有很好的办法来精确控制皮秒激光器的峰值功率。

另一方面，专利申请CN201010234873.0提出了一种脉宽调谐的全固态被动锁模皮秒激光器和方法，它通过调节两个泵浦源的泵浦功率比例，实现输出脉宽的连续调谐。这个方案的缺陷在于调谐泵浦功率会使腔内能量变化，导致锁模不稳，出现Q调制现象，从而使器件损坏，增加系统的不稳定性。

因此，当前迫切需要一种既不影响锁模的稳定性，又能够对峰值功率进行精确控制的皮秒激光器。

发明内容

本发明的目的是提供一种既不影响锁模的稳定性，又能够对峰值功率进行精确控制的用于输出锁模皮秒激光的谐振腔及相应的皮秒激光器。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于输出锁模皮秒激光的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔内包括：法布里泊罗标准具。

其中，所述谐振腔内还包括：激光晶体、聚焦装置和半导体可饱和吸收镜，所述激光晶体、聚焦装置、法布里泊罗标准具和半导体可饱和吸收镜沿着光路依次设置。

其中，所述谐振腔还包括可调支架，多个具有不同前后表面反射率和自由谱范围的组合的法布里泊罗标准具安装在所述可调支架上，调整所述可调支架能够将不同的法布里泊罗标准具置于所述谐振腔内。

其中，所述聚焦装置由两个平凹镜构成，其中一个平凹镜通过反射光束实现它与另一平凹镜间的象传递，另一平凹镜反射并聚焦光束，使得作用于所述半导体可饱和吸收镜的光束能量密度高于所述半导体可饱和吸收镜饱和通量的10倍，而低于所述半导体可饱和吸收镜的损伤阈值。

其中，所述两个平凹镜中的一个为耦合输出镜。

其中，所述激光晶体的入射端面镀有振荡光的反射膜，该反射膜与所述半导体可饱和吸收镜之间构成所述谐振腔。

本发明还提供了一种锁模皮秒激光器，包括沿着光路依次设置的泵浦源、聚焦镜和上述的用于输出皮秒激光的谐振腔。

其中，所述聚焦镜和所述激光晶体之间设置平面镜，所述平面镜增镀振荡光反射膜和泵浦光增透膜，所述平面镜与所述半导体可饱和吸收镜之间构成所述谐振腔；或者，所述聚焦镜和所述激光晶体之间设置短波通45°折转镜，与所述短波通45°折转镜相对应的位置处设置耦合输出镜，所述耦合输出镜与所述半导体可饱和吸收镜之间构成所述谐振腔。

其中，所述法布里泊罗标准具可采用石英、BK7玻璃材料制作或者使用空气隙结构构成。

其中，所述聚焦镜双面增镀泵浦光增透膜，所述聚焦镜用于提供最佳的泵浦光束与振荡光束的模式匹配。

其中，所述泵浦源是半导体激光器、半导体光纤耦合模块或单BAR。

其中，所述半导体可饱和吸收镜采用反射式半导体可饱和吸收镜或者透射式半导体可饱和吸收镜。

其中，所述激光晶体是Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：GdVO4、Nd：YLF或者Nd：KGW晶体。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明能够对皮秒激光器的峰值功率进行较为精确的控制，有利于更好地满足各种不同应用的要求。

2、本发明能够对皮秒激光器的脉宽进行控制，有利于更好地满足各种不同应用的要求。

3、本发明能够调谐皮秒脉宽，易于操作，又不影响锁模稳定性。

4、本发明的脉宽可调谐器件体积小巧，有利于节省空间。

附图说明

图1示出了本发明一个实施例的锁模皮秒激光器的光路示意图；

图2示出了本发明另一个实施例的锁模皮秒激光器的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地描述。

图1示出了本发明一个实施例所提供的锁模皮秒激光器，该锁模皮秒激光器是一种双路输出脉宽可调谐锁模皮秒激光器。如图1所示，该锁模皮秒激光器沿着光路依次包括：泵浦源1、聚焦镜2、平面镜8、激光晶体3、第一平凹耦合输出镜4、第二平凹镜5、Etalon 6（Etalon是法布里泊罗标准具）和Sesam镜7（Sesam镜是半导体可饱和吸收镜）。该实施例中，泵浦源1输出泵浦光束，泵浦光束通过聚焦镜聚焦后泵浦激光晶体；基频光束（即振荡光）在由平面镜8和Sesam镜7构成的谐振腔中振荡，当腔内能量增益大于损耗时，激光经第一平凹耦合输出镜4输出。本实施例中，第一平凹耦合输出镜4和第二平凹镜5组成聚焦装置。

Etalon 6一般用于压窄光谱宽度。本发明中，首次提出将Etalon 6置于谐振腔内。这样，在激光振荡过程中，Etalon会不断地压窄光谱宽度，从而实现锁模激光器的脉冲宽度的调谐，并进而控制脉冲的峰值功率。

在一个实施例中，Etalon可以采用石英、BK7玻璃材料制作或者使用空气隙结构构成。在一个实施例中，将多个对应于不同压窄光谱宽度的Etalon镜放在旋转支架上（当然，旋转支架也可以用其它类型的可调支架替代，这是本领域技术人员易于理解的），通过旋转支架，即可方便地将不同的Etalon镜置于谐振腔中，从而输出具有不同的锁模脉冲宽度的皮秒激光。由于

其中

为皮秒激光平均功率，τ_p为皮秒脉冲宽度，P_peak为峰值功率，不同脉冲宽度就对应于不同的峰值功率，即具有一定平均功率的皮秒激光器，脉宽越宽峰值功率就越低。皮秒激光器的输出激光的平均功率主要由泵浦功率和耦合输出镜决定，当泵浦源和耦合输出镜确定后，调节脉宽即可精确调节输出激光的峰值功率。下面对其原理做进一步地介绍。

对于连续锁模激光器，它的带宽Δν与脉宽τ_p乘积是一个定值，即τ_p·Δν常数，由λ=c/ν,其中，λ为波长，c为的传波速度，ν为光的频率，分别对波长和频率微分，得到如下公式，即Δν=Δλ·c/λ²，由τ_p·Δν=常数，可知τ_p·Δλ=常数，其中Δλ为光谱宽度，简称谱宽。即对于脉宽τ_p1、谱宽Δλ₁的第一激光和脉宽τ_p2、谱宽Δλ₂的第二激光，τ_p1Δλ₁=τ_p2Δλ₂。本实施例的皮秒激光器中，设脉宽为τ_p，带宽为Δν。Etalon通过如下过程实现脉宽的调谐：对于上述实施例中的连续锁模激光器，将谐振腔中不放置Etalon时所输出的脉冲激光的脉宽、带宽和谱宽分别称为标准脉宽、标准带宽和标准谱宽。对于所需调谐至的特定脉宽，通过公式τ_p·Δν=常数，其中τ_p为脉宽，Δν为带宽，获得所需调谐至的特定脉宽所对应的特定带宽。通过调整Etalon的参数（可通过更换不同的Etalon实现），即可将皮秒激光脉冲调谐至所述特定带宽，从而获得具有所述特定脉宽的皮秒脉冲激光。例如一台标准脉宽10ps，标准谱宽0.24nm的连续锁模激光器，如果想将脉宽展宽成30ps,通过公式τ_p1Δλ₁=τ_p2Δλ₂，可得出需要将光谱宽度压窄到0.08nm，即光谱宽度FWHM=0.08nm。由etalon的精细常数Finesse公式F=π（R₁R₂）^1/4/（1-（R₁R₂）^1/2）,FSR=FWHM·F,其中R₁，R₂为Etalon的前后表面反射率，FSR为自由谱范围,即在临近峰之间的频率区间，英文称做free spectral range。通过选择参数R₁、R₂、FSR即可确定Etalon，即可将皮秒脉冲激光的光谱宽度调整至相应的FWHM，进而获得所需的脉宽的皮秒脉冲激光。在对脉宽进行调谐时，本实施例只要更换具有不同参数R₁、R₂、FSR的Etalon即可，而不需要调谐泵浦功率，这样可以保证谐振腔内的能量保持不变，使锁模稳定，因此本实施例能够在保证锁模皮秒激光器稳定性的同时，实现精确的脉宽调节，进而对峰值功率进行精确控制。

在一个实施例中，聚焦镜2双面增镀泵浦光增透膜，并提供最佳的泵浦光束与振荡光束的模式匹配，实现高光束质量和高光光转换效率。根据泵源的光束直径，一般可以采用1：1，1：2，1：3，1：4的扩束比例实现泵浦光与晶体内腔模的匹配。

在一个实施例中，平面镜双面增镀泵浦光增透膜，后表面（即靠激光晶体3一侧的表面）加镀振荡光高反膜。当然，在其他实施例，根据需要也可以不采用平面镜8，而是将激光晶体入射端面加镀振荡光高反膜和泵浦光增透膜，这是本领域技术人员易于理解的。

在一个实施例中，第一平凹耦合输出镜4既具有聚焦功能又作为激光器系统的耦合输出镜。在第一平凹耦合输出镜4的反射面（即凹面）增镀对振荡光具有一定透过率的膜，该透过率一般在2%到15%范围内选择，第一平凹耦合输出镜4的不同透过率就对应于不同的输出透过率以及输出激光的平均功率。耦合输出镜的输出透过率一般根据腔内能量与锁模阈值决定。在不计镜片损耗的情况下，腔内平均功率乘以透过率约等于输出激光的平均功率，腔内能量密度=腔内平均功率密度/锁模频率，腔内平均功率密度=腔内平均功率/激光光束面积，加载在Sesam上的腔内能量密度高于Sesam的饱和通量10倍，可实现连续锁模。可以看出，透过率越大，实现连续锁模所需要的腔内能量就越大。

在一个实施例中，第二平凹镜5的反射面增镀振荡光高反膜，用于聚焦光束，使光束的能量达到Sesam镜7的连续锁模阈值。在优选实施例中，第二平凹镜5应使聚焦后的光束能量密度高于Sesam镜7饱和通量的10倍，而低于Sesam镜的损伤阈值。

在一个实施例中，泵浦源1是半导体激光器，在另一个实施例中，泵浦源1为单BAR（中文一般称为单耙）。

Sesam镜7作为被动锁模器件，实现激光器的连续锁模皮秒脉冲输出。在一个实施例中，采用反射式Sesam镜7，Sesam镜7的饱和通量一般大于60μJ/cm²。当然，根据需要，也可以采用透射式Sesam镜7，在一个优选实施例中，Sesam镜7采用焊接方法焊接在热沉上，这样可以实现快速导热。当然，上述实施例的Sesam镜7也可以采用透射式Sesam镜这是本领域技术人员易于理解的。

在一个实施例中，激光晶体3作为增益介质，双端面增镀泵浦光和振荡光增透膜。激光晶体可以是Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：GdVO4、Nd：YLF或者Nd：KGW晶体。在优选实施例中，激光晶体3的通光长度小于10mm为佳，当然根据实际情况，也可以采用大尺寸晶体。激光晶体3用铟泊包裹，夹持在热沉内，根据泵浦光功率大小，选择无制冷、制冷片制冷、水冷等方式。

图2示出了本发明另一个实施例所提供的锁模皮秒激光器，该锁模皮秒激光器是单路输出脉宽可调谐锁模皮秒激光器。如图2所示，该锁模皮秒激光器沿着主光路依次包括：泵浦源1、聚焦镜2、短波通45°折转镜9、激光晶体3、第一平凹镜11、第二平凹镜5、etalon 6和Sesam镜7。该锁模皮秒激光器还包括设置在与短波通45°折转镜9相对应的位置处的耦合输出镜10，这样耦合输出镜10与Sesam镜7之间构成振荡光的谐振腔，当腔内能量增益大于损耗时，激光经耦合输出镜10输出。本实施例中，第一平凹镜11和第二平凹镜5组成聚焦装置。

在一个实施例中，短波通45°折转镜9双面增镀泵浦光45°增透膜，后表面（即靠近激光晶体3的一侧）增镀振荡光45°高反膜。

耦合输出镜的输出透过率根据腔内能量与锁模阈值决定，双面增镀振荡光不同反射率的膜。

在一个实施例中，第一平凹镜11的反射面增镀振荡光高反膜，用于实现象传递。

上述实施例中，Etalon 6均设置于第二平凹镜5和Sesam镜7之间，本领域技术人员易于理解，Etalon 6也可以设置在谐振腔内的其它位置同样可以实现脉宽调谐。当然，需要指出的是，当Etalon 6设置于第二平凹镜5和Sesam镜7之间（聚焦装置和Sesam镜之间）时，etalon 6的入射和反射的光束能更好地重合，这样就使整个锁模皮秒激光器具有更好的稳定性。

另外，上述实施例中的用于输出锁模皮秒激光的谐振腔除了用于激光器中外，也可以用于其它的激光系统中，这是本领域技术人员易于理解的。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于输出锁模皮秒激光的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔内包括：法布里泊罗标准具。

2.根据权利要求1所述的用于输出锁模皮秒激光的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔内还包括：激光晶体、聚焦装置和半导体可饱和吸收镜，所述激光晶体、聚焦装置、法布里泊罗标准具和半导体可饱和吸收镜沿着光路依次设置。

3.根据权利要求1所述的用于输出锁模皮秒激光的谐振腔，其特征在于，还包括可调支架，多个具有不同前后表面反射率和自由谱范围的组合的法布里泊罗标准具安装在所述可调支架上，调整所述可调支架能够将不同的法布里泊罗标准具置于所述谐振腔内。

4.根据权利要求2所述的用于输出锁模皮秒激光的谐振腔，其特征在于，所述聚焦装置由两个平凹镜构成，其中一个平凹镜通过反射光束实现它与另一平凹镜间的象传递，另一平凹镜反射并聚焦光束，使得作用于所述半导体可饱和吸收镜的光束能量密度高于所述半导体可饱和吸收镜饱和通量的10倍，而低于所述半导体可饱和吸收镜的损伤阈值。

5.根据权利要求4所述的用于输出锁模皮秒激光的谐振腔，其特征在于，所述两个平凹镜中的一个为耦合输出镜。

6.根据权利要求5所述的用于输出锁模皮秒激光的谐振腔，其特征在于，所述激光晶体的入射端面镀有振荡光的反射膜，该反射膜与所述半导体可饱和吸收镜之间构成所述谐振腔。

7.一种锁模皮秒激光器，包括沿着光路依次设置的泵浦源、聚焦镜和权利要求1所述的用于输出皮秒激光的谐振腔。

8.一种锁模皮秒激光器，包括沿着光路依次设置的泵浦源、聚焦镜和权利要求2~5中任一项所述的用于输出皮秒激光的谐振腔。

9.根据权利要求8所述的锁模皮秒激光器，其特征在于，所述聚焦镜和所述激光晶体之间设置平面镜，所述平面镜增镀振荡光反射膜和泵浦光增透膜，所述平面镜与所述半导体可饱和吸收镜之间构成所述谐振腔；或者，所述聚焦镜和所述激光晶体之间设置短波通45°折转镜，与所述短波通45°折转镜相对应的位置处设置耦合输出镜，所述耦合输出镜与所述半导体可饱和吸收镜之间构成所述谐振腔。

10.根据权利要求8所述的锁模皮秒激光器，其特征在于，所述法布里泊罗标准具可采用石英、BK7玻璃材料制作或者使用空气隙结构构成；所述聚焦镜双面增镀泵浦光增透膜，所述聚焦镜用于提供最佳的泵浦光束与振荡光束的模式匹配；所述泵浦源是半导体激光器、半导体光纤耦合模块或单BAR；所述半导体可饱和吸收镜采用反射式半导体可饱和吸收镜或者透射式半导体可饱和吸收镜；所述激光晶体是Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：GdVO4、Nd：YLF或者Nd：KGW晶体，并且所述激光晶体两个端面均增镀振荡光和泵浦光的增透膜。

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