CN103500921A

CN103500921A - 一种低重频高稳定亚纳秒脉冲绿激光产生装置

Info

Publication number: CN103500921A
Application number: CN201310500617.5A
Authority: CN
Inventors: 赵佳; 赵圣之; 杨克建; 张海娟
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明提供一种低重频高稳定亚纳秒脉冲绿激光产生装置，包括M₁、M₂、M₃和M₄四个腔镜，M₁和M₂之间依次设有激活介质、起偏器、电光调制器和四分之一波片，电光调制器的重复率选择低重频1KHz；M₃和M₄之间依次设倍频晶体和双壁碳纳米管被动饱和吸收体；使主被动双损耗调制的调Q锁模基频红外激光的重复率依赖于主动电光调制的重复率、调Q包络内的锁模脉冲依赖于主动调制和被动饱和吸收；使调Q包络的宽度小于基频激光往返的时间，每个调Q包络只有一个锁模脉冲振荡，基频红外光经倍频晶体倍频变换后的绿激光为高稳定、低重复频率、亚纳秒锁模脉冲。本发明脉冲重复率低，具有高度稳定性；脉冲的宽度为调Q包络内锁模脉宽亚纳秒级，且具有高峰值功率。

Description

一种低重频高稳定亚纳秒脉冲绿激光产生装置

技术领域

本发明涉及一种产生低重复频率、高稳定、亚纳秒脉冲绿激光的方法，属于激光技术领域。

背景技术

全固态短脉冲0.53μm绿激光在军事、激光医疗、激光测量、信息存储等领域具有广阔的应用。绿激光的脉冲宽度、重复率是激光应用中重要的指标，因为脉冲宽度和重复率决定了光与物质相互作用的时间及动力学过程，低重复率不仅提高脉冲的峰值功率，而且在诸如荧光寿命测量中能够增加寿命测量的范围，因而受到人们极大的关注。

通过掺钕激活介质产生的1.06μm的基频红外激光，利用非线性晶体的倍频变换是获得绿激光最常用的方法，且倍频绿激光的特性依赖于基频红外激光。通常来说，连续锁模激光能够产生皮秒(ps)和飞秒(fs)级的脉冲，脉冲的重复率依赖于腔长,在MHz-GHz量级。主动调Q激光能够产生几纳秒到几十纳秒的脉冲，脉冲的重复率为kHz量级；被动调Q激光可产生纳秒级的脉冲，而微片被动调Q激光的脉冲宽度可以窄到亚纳秒级，但被动调Q激光的单脉冲能量及脉冲的重复率均不稳定；调Q锁模是介于调Q和连续锁模之间的动力学过程，调Q包络的脉宽和重复率均与调Q激光相同，调Q包络下的锁模脉冲的脉宽为亚纳秒级，其重复率与连续锁模相同，但调Q包络下的锁模脉冲串个数众多，单脉冲能量从包络中心向外依次减小，稳定性较差。因此，单一的连续锁模、调Q或调Q锁模技术，均难以获得低重频（几KHz）亚纳秒级脉冲红外激光。基频红外激光源的缺失导致人们难以获得低重复频率亚纳秒脉冲绿激光。

双损耗调制是将两种不同或相同的损耗调制相结合，并同时放入一谐振腔内。依据不同的结合又可分为双主动损耗调制、主-被动双损耗调制、双被动损耗调制。与单损耗调制的激光相比，双损耗调制的激光够产生更窄的脉冲宽度、更高的峰值功率、更稳定的脉冲。理论和实验结果表明，双损耗调制的调Q激光能够比单损耗调制的调Q激光产生更窄的脉冲宽度、更对称的波形、更高的峰值功率，主被动和双被动连续锁模激光能够产生更稳定的锁模脉冲，双损耗调制的调Q锁模激光峰值功率大幅度提高、稳定性大大增强。众所周知，主动损耗调Q产生的短脉冲激光重复率稳定、易于控制，而饱和吸收体被动锁模结构简单、价格低廉。因此，基于主-被动双损耗调制技术能够利用两种损耗调制的特点，能够产生单损耗调制难以获得的理想调制的基频激光脉冲，如果再利用非线性晶体的倍频变换，有望获得期望的绿激光脉冲。

发明内容

本发明针对现有单一的连续锁模、调Q或调Q锁模技术难以获得低重频、高稳定性、亚纳秒级脉冲绿激光的问题，基于主-被动双损耗调制技术，利用非线性晶体的倍频变换，提出一种低重频高稳定亚纳秒脉冲绿激光产生装置。

本发明的低重频高稳定亚纳秒脉冲绿激光产生装置，采用以下技术方案：

该装置为四个腔镜构成的Z型谐振腔，四个腔镜分别为第一基频光全反射平面镜M₁、第二基频光全反射凹面镜M₂、第三基频光全反倍频光高透凹面镜M₃和第四基频光和倍频光全反平面镜M₄，M₁和M₂之间依次设有激活介质、起偏器、电光调制器和四分之一波片，电光调制器的重复率选择低重频1KHz；M₃和M₄之间依次设倍频晶体和双壁碳纳米管被动饱和吸收体，双壁碳纳米管置于贴近M₄处，以获得最小振荡基频激光光斑半径；倍频晶体为非线性晶体KTP。

上述装置将电光调制器和双壁碳纳米管被动饱和吸收体同时放入谐振腔内，使谐振腔内振荡的1.06μm波长红外激光为主被动双损耗调制的调Q锁模激光运转；将倍频晶体（非线性晶体KTP）置入谐振腔内，依据非线性晶体的内腔频率变换原理，获得基频红外光倍频后的0.53μm波长绿激光脉冲，倍频绿激光由M₃输出，调整M₁和M₂两者之间的距离L₁、M₂和M₃的距离L₂、M₃和M₄的距离L₃以及M₂和M₃的曲率半径，使主被动双损耗调制的调Q锁模基频激光的重复率依赖于电光调制器的重复率、调Q包络内的锁模脉冲依赖于电光调制器和双壁碳纳米管被动饱和吸收；由于调Q包络内相邻两锁模脉冲的时间间隔等于振荡基频激光在腔内往返的时间，调Q包络的宽度决定了调Q包络内基频锁模脉冲振荡的个数，依据激活介质、饱和吸收体初始透过率、电光调制器的重复率、谐振腔的参数、泵浦功率的选择，使调Q包络的宽度小于基频激光在谐振腔内的往返时间，使每个调Q包络只有一个锁模脉冲振荡，锁模脉冲的重复率等于主动电光调制的重复率，经倍频晶体倍频后即能产生高稳定、低重复频率、亚纳秒锁模绿脉冲激光。

激光装置的谐振腔优化参数依据如下条件：

（1）电光调制器重复率越低，调Q包络脉冲宽度越窄；

（2）谐振腔越长，参与激光振荡的纵模数越多，容易实现锁模基频激光运转，且相邻两锁模的时间间隔越长，但长腔调Q包络的脉宽较宽；

（3）DWCNT-SAs饱和吸收体处较小的光斑半径易达到饱和吸收，但光斑强度需小于损伤阈值；

（4）倍频晶体的转换效率依赖其长度，但长的晶体离散效应严重；

（5）由于调Q包络内相邻两锁模脉冲的时间间隔等于振荡基频激光在腔内往返的时间,调Q包络脉冲宽度越窄，每一个调Q包络内振荡的锁模脉冲个数越少。

激光装置的优化谐振腔参数达到的目的：

（1）谐振腔内振荡的基频激光为主被动双损耗调制的调Q锁模激光运转，其调Q包络的重复率依赖于主动电光调制的重复率、调Q包络内的锁模脉冲依赖于主动电光调制和DWCNT-SAs被动饱和吸收，其倍频绿激光的特性依赖基频激光特性。

（2）在一定的泵浦功率下，调Q包络的宽度小于基频激光在腔内的往返时间，确保每个调Q包络只有一个锁模脉冲振荡，以确保倍频的绿激光调Q包络也只有一个锁模绿脉冲，且为低重频亚纳秒锁模脉冲。

（3）实现主被动双损耗调制的调Q锁模基频激光每个调Q包络只有一个锁模脉冲运转，锁模脉冲的重复率等于主动电光调制的重复率，脉冲宽度为亚纳秒级，致使倍频的绿激光为低重频亚纳秒锁模脉冲。

本发明利用主动电光调制的低重复率和高稳定性、双壁碳纳米管饱和吸收体被动调Q锁模亚纳秒的脉冲宽度，实现低重频亚纳秒锁模基频红外激光运转，依据非线性晶体的倍频变换，获得其绿激光脉冲，这种绿脉冲激光的运转具有鲜明的特点，脉冲的重复率等于电光调制器的重复率1kHz，不仅重复率低，而且具有高度稳定性；脉冲的宽度为调Q包络内锁模脉冲的宽度为亚纳秒级，并具有高峰值功率。

附图说明

图1是本发明的四镜谐振腔装置的示意图。

图2是平均输出功率随泵浦功率的变化关系示意图。

图3是锁模脉冲能量随泵浦功率的变化关系示意图。

图4是锁模脉冲宽度随泵浦功率的变化关系示意图。

图5是示波器记录的泵浦功率为15.3W单一绿激光锁模脉冲的波形。

图6是示波器记录的泵浦功率为15.3W亚纳秒绿激光锁模脉冲序列示意图。

具体实施方式

本发明是采用主动电光调Q-饱和吸收体双壁碳纳米管（DWCNT-SAs）被动锁模的双损耗调制技术及非线性晶体的倍频变换，利用电光调制开关速度快、调Q脉宽窄、性能稳定的特点，DWCNT-SAs饱和吸收体价格低、易于生长控制、宽的饱和吸收波段的优点，将电光调制器和DWCNT-SAs饱和吸收体同时放入谐振腔内，通过谐振腔内振荡的基频红外激光（1.06μm波长）红外激光为主被动双损耗调制的调Q锁模激光运转，并依据激光专职的谐振腔参数优化设计，使其调Q锁模基频激光的重复率依赖于主动电光调制的重复率、调Q包络内的锁模脉冲依赖于主动电光调制和DWCNT-SAs被动饱和吸收。由于调Q包络内相邻两锁模脉冲的时间间隔等于振荡激光在腔内往返的时间，调Q包络的宽度决定了调Q包络内锁模脉冲振荡的个数，依据激活介质、DWCNT-SAs饱和吸收体、主动调制器重复率、腔参数、泵浦功率的选择，使调Q包络的宽度小于激光在腔内的往返时间，确保基频红外激光每个调Q包络只有一个锁模脉冲振荡，锁模脉冲的重复率等于主动电光调制的重复率，脉冲宽度为亚纳秒级，依据非线性晶体的内腔频率变换原理，倍频后的绿激光（0.53μm波长）为低重频亚纳秒锁模脉冲。

本发明采用图1所示的四镜谐振腔装置，四个腔镜为第一基频光全反射平面镜M₁、第二基频光全反射凹面镜M₂、第三基频光全反倍频光高透凹面镜M₃、第四基频光和倍频光全反平面镜M₄，绿激光由M₃输出；M₁和M₂之间依次设有激光晶体（激活介质）、起偏器（偏振片）、电光（EO）调制器和四分之一波片，M₃和M₄之间依次设倍频晶体和双壁碳纳米管（DWCNT-SAs）被动饱和吸收体。M₂曲率半径为500mm，M₃曲率半径为100mm。激光晶体（作为激光介质）为Nd:Lu_0.5Y_0.5VO₄(2.5at.%Nd-doped,3×3×10mm³)混合晶体，其较宽的荧光线宽有利于调Q锁模激光振荡。M₁和M₂之间的距离L₁为555mm，M₂和M₃之间的距离L₂为800mm，M₃和M₄之间的距离L₃为55mm，整个腔长为1400mm。

采用激光二极管作为泵浦源，激光二极管与第一全反射平面镜M₁之间设置两个凸透镜组成耦合系统，泵浦光聚焦到激活介质（激光晶体）中，聚焦后泵浦光的光斑半径与谐振腔模相匹配。电光调制器作为主动调制损耗，电光晶体为BBO晶体，电光调制器的重复率为1kHz。倍频晶体为KTP晶体，II相位匹配切割，尺寸为3×3×3mm³；DWCNT-SAs作为被动饱和吸收体，其初始透过率为85.6%,该饱和吸收体的调制度为7%，饱和通量为80μJ/cm²，非饱和损耗为6.5%，将DWCNT-SAs置于贴近M₄处，以获得最小振荡激光光斑半径。主被动双损耗调制的调Q锁模绿激光的阈值功率2W，泵浦光一旦超过阈值功率，便可获得稳定的双损耗调制的调Q锁模绿激光，其调Q包络的重复率等于电光调制的重复率1kHz；随泵浦功率的增加，双损耗调制的调Q锁模调Q包络的脉冲宽度减少，相应的调Q包络锁模脉冲个数减少，当泵浦功率达6W后，每个调Q包络内只有一个锁模脉冲，即可产生高稳定、低重复频率、亚纳秒锁模绿脉冲激光。

低重复频率、亚纳秒锁模绿脉冲激光的平均输出功率和脉冲宽度可由功率计和存储示波器测量，其单脉冲能量可由重复率和平均输出功率计算。图2和图3分别显示了平均输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的变化关系。图2和图3表明，平均输出功率和单脉冲能量均随泵浦功率的增加而增加。

图4表明了脉冲宽度随泵浦功率的变化关系。图4表明，脉冲宽度为亚纳秒级，且脉宽随泵浦功率的增加而变窄。当泵浦功率为15.3W时，脉宽为500ps。图5显示了该脉宽示波器记录的波形。

图6显示了示波器记录的泵浦功率为15.3W亚纳秒绿激光锁模脉冲序列示意图，图6表明，脉冲的重复率为低重频1kHz，锁模脉冲的振幅高度稳定。

Claims

1.一种低重频高稳定亚纳秒脉冲绿激光产生装置，为四个腔镜构成的Z型谐振腔，四个腔镜分别为第一基频光全反射平面镜M₁、第二基频光全反射凹面镜M₂、第三基频光全反倍频光高透凹面镜M₃和第四基频光和倍频光全反平面镜M₄，其特征是：M₁和M₂之间依次设有激活介质、起偏器、电光调制器和四分之一波片，电光调制器的重复率选择低重频1KHz；M₃和M₄之间依次设倍频晶体和双壁碳纳米管被动饱和吸收体，双壁碳纳米管置于贴近M₄处，以获得最小振荡基频激光光斑半径；倍频晶体为非线性晶体KTP；

上述装置将电光调制器和双壁碳纳米管被动饱和吸收体同时放入谐振腔内，使谐振腔内振荡的1.06μm波长红外激光为主被动双损耗调制的调Q锁模激光运转；将倍频晶体置入谐振腔内，依据非线性晶体的内腔频率变换原理，获得基频红外激光倍频后的0.53μm波长绿激光脉冲，倍频绿激光由M₃输出，调整M₁和M₂两者之间的距离L₁、M₂和M₃的距离L₂、M₃和M₄的距离L₃以及M₂和M₃的曲率半径，使主被动双损耗调制的调Q锁模基频红外激光的重复率依赖于电光调制器的重复率、调Q包络内的锁模脉冲依赖于电光调制器和双壁碳纳米管被动饱和吸收；由于调Q包络内相邻两锁模脉冲的时间间隔等于振荡基频激光在腔内往返的时间，调Q包络的宽度决定了调Q包络内基频锁模脉冲振荡的个数，依据激活介质、饱和吸收体初始透过率、电光调制器的重复率、谐振腔的参数、泵浦功率的选择，使调Q包络的宽度小于基频激光在谐振腔内的往返时间，使每个调Q包络只有一个锁模脉冲振荡，锁模脉冲的重复率等于主动电光调制的重复率，经倍频晶体倍频后即能产生高稳定、低重复频率、亚纳秒锁模绿脉冲激光。