CN103794977A

CN103794977A - 一种脉宽可调谐被动锁模激光器

Info

Publication number: CN103794977A
Application number: CN201410032406.8A
Authority: CN
Inventors: 毛小洁; 秘国江; 庞庆生; 邹跃; 刘先达
Original assignee: CETC 11 Research Institute
Current assignee: CETC 11 Research Institute
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2014-05-14

Abstract

本发明公开了一种脉宽可调谐被动锁模激光器，包括：880nm泵浦源通过泵浦光传输光纤耦合至泵浦光耦合系统，泵浦光耦合系统与双色镜耦合，双色镜分别与增益晶体和平凹反射镜组耦合，增益晶体、腔长调节器和平面输出镜依次耦合，平凹反射镜组与半导体可饱和吸收体耦合；其中，平面输出镜和半导体可饱和吸收体之间的组件共同组成激光器的谐振腔；腔长调节器由两个三棱镜组成，通过调节两个三棱镜的距离实现连续调节谐振腔的腔长。本发明通过调节这两个三棱镜的距离，可以轻松的调节谐振腔的腔长，以连续调节激光输出脉冲宽度，得到不同脉冲宽度的激光，解决了现有技术无法输出脉冲宽度小于100ps的连续可调谐锁模激光的问题。

Description

一种脉宽可调谐被动锁模激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种脉宽可调谐被动锁模激光器。

背景技术

全固态皮秒激光器在科研、医药和激光微纳加工等领域有着广泛和重要的应用，如非线性频率转换、生物光子学、激光测距和激光微加工等。不同的使用领域需要不同的锁模皮秒脉宽，如“冷加工”需要的脉冲宽度小于15ps，为了再生放大得到kHz的大能量绿光，激光测距需要的脉冲宽度可以放宽到30ps等。因此，研制脉宽可调谐被动锁模激光器成为当前研究的热点。

被动锁模激光器产生的高重复频率光脉冲具有极窄的脉冲宽度（10^-10-10^-15秒），而且单个脉冲相当稳定，可以作为再生放大器和皮秒放大器稳定的种子源。由于半导体可饱和吸收体的恢复时间一定，输出脉冲宽度变化很小，可以通过在谐振腔内插入不同厚度的标准具，对腔内激光模式进行调制，最终得到了平均功率为7.3W，脉冲重复频率为108MHz，脉宽范围在34ps至1ns的激光输出，脉冲的调谐范围宽，但每改变一次脉宽，就需要插入不同的标准具，不能实现连续精确调谐。

而且，脉宽大于90ps的输出，可以通过更简单的谐振腔输出。对于脉宽大于200ps的脉宽，可以通过Cr4+键合晶体或者二极管直接调制输出。所以，能够在10ps～100ps之间连续调谐，是当前研究的难点，中国科学院上海精密机械研究所的林华等人采用通过控制两块晶体的不同泵浦比例，可以实现脉宽的精细连续调谐，实现了8.8ps的最小脉宽输出和20.3ps的最大脉宽输出，但调谐范围较小，且有两块晶体和两个泵浦源，成本较高。

由上述可见，要实现脉冲宽度小于100ps的连续可调谐输出，又要保证结构简单，是目前急需解决的技术难题。

发明内容

本发明提供一种脉宽可调谐被动锁模激光器，用以解决现有技术无法输出脉冲宽度小于100ps的连续可调谐锁模激光的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种脉宽可调谐被动锁模激光器，包括：

880nm泵浦源，泵浦光传输光纤，泵浦光耦合系统，双色镜，增益晶体，腔长调节器，平面输出镜，平凹反射镜组，半导体可饱和吸收体；

所述880nm泵浦源通过所述泵浦光传输光纤耦合至所述泵浦光耦合系统，所述泵浦光耦合系统与所述双色镜耦合，所述双色镜分别与所述增益晶体和所述平凹反射镜组耦合，所述增益晶体、所述腔长调节器和平面输出镜依次耦合，所述平凹反射镜组与所述半导体可饱和吸收体耦合；

其中，所述平面输出镜和所述半导体可饱和吸收体之间的组件共同组成激光器的谐振腔；所述腔长调节器由两个三棱镜组成，通过调节所述两个三棱镜的距离实现连续调节所述谐振腔的腔长。

进一步，所述腔长调节器的三棱镜的材质为熔融石英，且靠近所述平面输出镜侧的三棱镜的三角形边长大于另一个三棱镜的三角形边长。

进一步，所述双色镜为30°平面反射镜，用于透射泵浦光，反射激光。

进一步，所述平面输出镜为对激光透射率为5%～15%的输出镜。

进一步，所述平凹反射镜组的多个平凹反射镜均为6°全反镜。

进一步，所述增益晶体材料为掺铷钒酸钇Nd:YVO₄，或者，掺镱钇铝石榴石Yb:YAG；并且，所述增益晶体的横截面为2mm×2mm至5mm×5mm，长度为5mm～10mm。

进一步，所述增益晶体采用双增透镀膜方式。

进一步，所述增益晶体的冷却方式为传导冷却。

进一步，所述增益晶体的泵浦方式为连续泵浦，泵浦电流为2A～5A。

进一步，所述半导体可饱和吸收体的中心吸收波长为1064nm或者1030nm。

本发明的腔长调节器中设置了两个三棱镜，通过调节这两个三棱镜的距离，可以轻松的调节谐振腔的腔长，以连续调节激光输出脉冲宽度，得到不同脉冲宽度的激光，解决了现有技术无法输出脉冲宽度小于100ps的连续可调谐锁模激光的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中脉宽可调谐被动锁模激光器的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中脉宽可调谐被动锁模激光器的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中腔长调节器的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中输出较窄脉冲波形的示意图；

图5是本发明优选实施例中输出较宽脉冲波形的示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术无法输出脉冲宽度小于100ps的连续可调谐锁模激光的问题，本发明提供了一种脉宽可调谐被动锁模激光器，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明实施例提供了一种脉宽可调谐被动锁模激光器，其结构示意如图1所示，包括：

880nm泵浦源1，泵浦光传输光纤2，泵浦光耦合系统3，双色镜4，增益晶体5，腔长调节器6，平面输出镜7，平凹反射镜组8，半导体可饱和吸收体9；880nm泵浦源通过泵浦光传输光纤耦合至泵浦光耦合系统，泵浦光耦合系统与双色镜耦合，双色镜分别与增益晶体和平凹反射镜组耦合，增益晶体、腔长调节器和平面输出镜依次耦合，平凹反射镜组与半导体可饱和吸收体耦合；

其中，平面输出镜和半导体可饱和吸收体之间的组件共同组成激光器的谐振腔；腔长调节器由两个三棱镜组成，通过调节两个三棱镜的距离实现连续调节谐振腔的腔长。

本发明实施例的腔长调节器中设置了两个三棱镜，通过调节这两个三棱镜的距离，可以轻松的调节谐振腔的腔长，以连续调节激光输出脉冲宽度，得到不同脉冲宽度的激光，解决了现有技术无法输出脉冲宽度小于100ps的连续可调谐锁模激光的问题。

在上述脉宽可调谐被动锁模激光器中，平面输出镜和半导体可饱和吸收体组成激光器谐振腔，激光通过增益晶体起振，通过半导体可饱和吸收体锁模后再一次通过增益晶体，相当于又一次放大，经平面输出镜输出高功率，高光束质量锁模激光；通过腔长调节器连续调节腔长，可以输出脉冲宽度连续可变的锁模激光。

设计过程中，880nm泵浦源提供最大功率30W泵浦光，半导体可饱和吸收体的中心吸收波长为1064nm或者1030nm。

腔长调节器的三棱镜的材质可以设置为熔融石英，即两块三角形的熔融石英组成，并且。靠近平面输出镜侧的三棱镜的三角形边长大于另一个三棱镜的三角形边长，还可以在靠近平面输出镜侧的三棱镜上设置移动把手，以调整两个三棱镜之间的距离，来实现调节腔长的目的。

设置时，双色镜为30°平面反射镜，用于透射泵浦光，反射激光；平面输出镜为对激光透射率为5%～15%的输出镜；平凹反射镜组的多个平凹反射镜均为6°全反镜，可以根据需求设置3个、4个等。实现时，可以根据需要调节的腔长来确定平凹反射镜组的反射镜的数量。

增益晶体的材料可以为掺铷钒酸钇（Nd:YVO₄）或者掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）；并且，增益晶体的横截面可以在2mm×2mm至5mm×5mm的范围内，长度为5mm～10mm；增益晶体还可以采用双增透镀膜方式；增益晶体的冷却方式可以为传导冷却；增益晶体的泵浦方式为连续泵浦，泵浦电流为2A～5A。

优选实施例

如果激光腔是驻波腔，那么每一个纵模就会在腔内形成一套完美的驻波，既然是驻波就有波峰和波节，当波峰的增益达到腔的损耗时，就会停留在那个水平上，而波节处由于反转粒子数没有消耗所以在泵浦增强时会继续增加，直到它的强度使不在中心的一个纵模的增益达到腔的损耗（损耗对任何一个频率是相等的）从而这个纵模起振。若泵浦继续增强，则会在这两个纵模的波峰之间出现更多其它更多纵模的波峰。这个使得均匀加宽出多纵模激光的机制就是“空间烧孔”。简单说来就是均匀加宽介质的驻波腔激光器中，某一纵模的增益在空间分布的不均匀“烧孔”引起其它纵模起振。对应地，将增益晶体放置于谐振腔一端时，输出锁模激光的脉冲宽度较窄；当增益晶体放置于谐振腔中间时，输出锁模激光的脉冲宽度较宽。造成这一现象的原因是，增益晶体在激光腔内的位置不同，对应谐振腔内的“烧孔效应”就不同。当增益晶体位于谐振腔一端时，腔内“烧孔效应”最为明显，从而更多的频率成分可以起振。这样的效应加宽了激光的光谱宽度，从而对应了更短的锁模激光脉冲输出。而当增益晶体位于谐振腔中间时，腔内“烧孔效应”较弱，起振的频率成分较少，谱宽较窄，从而对应了较宽的锁模激光脉冲输出。

本发明实施例的实施内容就是让激光晶体的位置不动，改变谐振腔的腔长，使激光晶体在谐振腔的位置不同，从而实现输出脉冲宽度的连续调节。

本实施例提供一种脉宽可调谐被动锁模激光器，其结构如图2所示，包括：

880nm泵浦源1，提供最大功率30W输出，880nm泵浦光，相当于带内泵浦，能有效减少在增益晶体内的热量，有利于高功率、高光束质量激光输出。

泵浦光传输光纤2，长度3m，匀化及传输泵浦光；光纤芯径400μm，数值孔径0.22。泵浦光耦合系统3，耦合比例为1：1，将高光束质量泵浦光耦合入增益晶体5，在晶体上的泵浦光斑直径也为400μm；双色镜4，透射880nm泵浦光，反射1064nm激光，面向泵浦光一侧镀880nm增透膜（T＞99.5%），面向谐振腔内一侧镀880nm高透膜（T＞99%）和1064nm高反膜（R＞99.8%），能有效避免1064nm激光返回光纤内，影响甚至烧坏泵浦源880nm模块。

增益晶体5为Nd:YVO₄，其较大的吸收带宽和较短的上能级寿命（92μs）有利于锁模的产生，增益晶体5的尺寸为3mm×3mm×5mm，Nd:YVO₄晶体两端面镀880nm增透膜（T＞99.5%）和1064nm增透膜（T＞99.5%），其掺杂原子分数为0.5%，Nd:YVO₄晶体用铟铂包裹，放置于半导体制冷片冷却的紫铜热层中。腔长调节器6，调节谐振腔腔长；平面输出镜7，对1064nm的透过率为10%；第一平凹反射镜8，曲率半径为1000mm；第二平凹反射镜9，曲率半径为5000mm；第三平凹反射镜10，曲率半径为500mm，将激光聚焦在半导体可饱和吸收体11上。

半导体可饱和吸收体的尺寸为4mm×4mm，粘贴在外径为25.4mm的铜热层上，有利于半导体可饱和吸收体的散热。半导体可饱和吸收体可以为德国BATOP公司生产的被动锁模器，其调制深度为2.5%，饱和通量为70μJ/cm²。

不插入腔长调节器6时，随着泵浦功率的增加，泵浦光超过出光阈值时，输出连续激光；进一步加大泵浦功率，先输出调Q脉冲，然后是连续锁模激光。重复频率为29.06MHz，输出的脉冲波形稳定。此时泵浦光功率为20W，输出激光为6W，对应的光光转换效率为30%。

腔长调节器6的结构示意图如图3所示，由两块三角形熔融石英组成，两块石英的形状相同，从而保证入射光线A和出射光线B平行，并不会使谐振腔失谐。入射光路和出射光路都是布儒斯特角，有利于偏振光的选择。其中，小三角形石英固定在底座上，大三角形石英与小三角形石英平行放置，其手柄上有螺旋测微器刻度，每旋转一圈，前进或者后退0.5mm，顺时针旋转时，插入光路的石英晶体长度增加，从而增加平面输出镜7和增益晶体5之间的距离，使腔内“烧孔效应”减弱，从而使输出脉冲宽度增加，能得到的最大脉冲宽度为43.6ps，如图4所示。逆时针旋转时，插入光路的石英晶体长度减少，从而减少平面输出镜7和增益晶体5之间的距离，使腔内“烧孔效应”明显，从而使输出脉冲宽度变窄，能得到的最窄脉冲宽度为12.3ps，如图5所示。

在设计时，增益晶体5也可以是Yb:YAG，此时泵浦光波长1应选择为940nm，泵浦源的最大输出功率应为40W，为避免Yb:YAG晶体的自吸收，应选择长度为5mm的Yb:YAG晶体。

泵浦光1的波长也可以是808nm，此时增益晶体5Nd:YVO₄的掺杂原子分数应降为0.3%。

本发明实施例提供的脉宽可调谐被动锁模激光器，输出脉冲宽度连续可调，有效解决了实际应用对不同脉宽的需求，降低了系统的体积和成本，只需在谐振腔中插入腔长调节器，而谐振腔不会失谐，输出锁模激光功率高，偏振度高，光束质量好。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims

1.一种脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，包括：

其中，所述平面输出镜和所述半导体可饱和吸收体之间的组件共同组成激光器的谐振腔；

所述腔长调节器由两个三棱镜组成，通过调节所述两个三棱镜的距离实现连续调节所述谐振腔的腔长。

2.如权利要求1所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，所述腔长调节器的三棱镜的材质为熔融石英，且靠近所述平面输出镜侧的三棱镜的三角形边长大于另一个三棱镜的三角形边长。

3.如权利要求1所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，

所述双色镜为30°平面反射镜，用于透射泵浦光，反射激光。

4.如权利要求1所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，

所述平面输出镜为对激光透射率为5%～15%的输出镜。

5.如权利要求1所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，所述平凹反射镜组的多个平凹反射镜均为6°全反镜。

6.如权利要求1至5中任一项所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，

所述增益晶体材料为掺铷钒酸钇Nd:YVO₄，或者，掺镱钇铝石榴石Yb:YAG；并且，所述增益晶体的横截面为2mm×2mm至5mm×5mm，长度为5mm～10mm。

7.如权利要求1至5中任一项所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，所述增益晶体采用双增透镀膜方式。

8.如权利要求7所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，所述增益晶体的冷却方式为传导冷却。

9.如权利要求7所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，所述增益晶体的泵浦方式为连续泵浦，泵浦电流为2A～5A。

10.如权利要求1至5中任一项所述的脉宽可调谐被动锁模激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收体的中心吸收波长为1064nm或者1030nm。