CN103825181A - 一种sesam被动锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SESAM被动锁模激光器，该锁模激光器该激光器包括单管半导体激光器、自聚焦透镜、激光晶体、平凹反射镜a、平凹反射镜b、平面反射镜、输出镜、SESAM饱和吸收镜；其利用皮秒激光技术，要实现锁模就必须要使得入射到SESAM饱和吸收镜上的能流密度足够高；谐振腔采用Z字型对称放置，谐振腔的光学器件是相互独立的，光学器件放置紧凑，使得激光器结构简单体积小；谐振腔选用SESAM作为锁模元器件，SESAM是半导体可饱和吸收体与反射镜相结合，器件相当简单，具有自启动、稳定性好等优点，使得谐振腔更加简单、紧凑，并能得到稳定的锁模脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及一种SESAM被动锁模激光器，属于激光锁模技术应用领域。
背景技术
皮秒激光技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。
在生命科学领域，皮秒激光可用于矫正视力、检测和准确切除癌症、脑外科手术、治疗动脉瘤、心脏手术、美容、治疗烧伤。
在生产制造行业，皮秒激光能够有效地帮助大规模且低成本制造复合材料，可以对金属和其它产业材料进行高质量微加工，激光微细加工应用的需求，促使脉冲与光电子弛豫时间、跃迁时间相似并短至足够冷融的皮秒激光具有巨大的发展前景。
在激光测距领域，皮秒激光测距具有高的峰值发射功率，从而具有超远的测程，测量精度高，可以在无合作目标条件下工作等优点。
如上所述，要获得应用如此广泛的皮秒激光，一般通过锁模技术来实现。人们在追求结构简单的同时得到可靠又稳定的锁模脉冲输出，研究焦点集中在主动锁模技术和被动锁模技术上。与主动锁模激光器相比，SESAM被动锁模激光器具有结构简单紧凑、稳定可靠和光束质量好等特点。
SESAM即半导体饱和吸收镜，是一种将半导体可饱和吸收材料和反射镜结合在一起的光学器件。SESAM锁模比主动锁模获得的脉宽窄，能得到几个皮秒甚至更窄的脉宽。同样与用于被动锁模的可饱和吸收染料比，SESAM不像染料那样需要频繁更换，很大程度上降低了激光器的成本，同时也加强了激光器的可操作性。通过SESAM被动锁模获得的超短脉冲激光，在光纤通讯、医学、超精细微加工、高密度信息存储和记录、时间分辨光谱和非线性光学具有很大应用价值和发展前景。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种SESAM被动锁模激光器，利用皮秒激光技术，要实现锁模就必须要使得入射到SESAM饱和吸收镜上的能流密度足够高，超过SESAM饱和吸收镜的锁模阈值，同时在此过程中保证振荡光与谐振腔严格共轴，否则会由于增益空间和激光振荡空间的不重合而使激光器的阈值升高甚至不能出光，保证泵浦光与振荡光满足模式匹配，并使得激光晶体与SESAM可饱和吸收镜上的光斑大小合适，满足这些条件就可以实现锁模。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种SESAM被动锁模激光器，该激光器包括单管半导体激光器、自聚焦透镜、激光晶体、平凹反射镜a、平凹反射镜b、平面反射镜、输出镜、SESAM饱和吸收镜。
锁模激光器的自聚焦透镜置于单管半导体激光器和激光晶体之间；该锁模激光器的谐振腔呈双Z形布置；激光晶体一侧与自聚焦透镜连接；平凹反射镜a4置于激光晶体另一侧，所述光路经激光晶体的中心后射入平凹反射镜a入射前的焦点处；平面反射镜置于光路经平凹反射镜a反射后的焦点处，光路由激光晶体水平射入平凹反射镜a，平凹反射镜a的入射光与反射光之间的夹角范围为0～10°；所述光路经激光晶体、平凹反射镜a、平面反射镜后，呈正Z形结构；与激光晶体、平凹反射镜a、平面反射镜组成的正Z形结构相对称，输出镜、平凹反射镜b、SESAM饱和吸收镜组成反Z形结构；其中，所述平面反射镜、输出镜呈水平布置，输出镜置于光路经平面反射镜反射的水平线上，平面反射镜位于平凹反射镜b入射前焦点处，SESAM饱和吸收镜位于平凹反射镜b反射后焦点处，平凹反射镜b的入射光与反射光之间的夹角范围为0～10°，经平凹反射镜b的折射光水平入射到SESAM饱和吸收镜镜面上；所述正Z形结构、反Z形结构共同构成谐振腔的双Z形对称布置结构。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、谐振腔采用Z字型对称放置，谐振腔的光学器件是相互独立的，光学器件放置紧凑，使得激光器结构简单体积小。
2、谐振腔选用SESAM作为锁模元器件，SESAM是半导体可饱和吸收体与反射镜相结合，器件相当简单，具有自启动、稳定性好等优点，使得谐振腔更加简单、紧凑，并能得到稳定的锁模脉冲。
附图说明
图1为SESAM被动锁模激光器谐振腔光路示意图。
图中：1、单管半导体激光器，2、自聚焦透镜，3、激光晶体，4、平凹反射镜a，5、平凹反射镜b，6、平面反射镜，7、输出镜，8、SESAM饱和吸收镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种SESAM被动锁模激光器，该激光器包括单管半导体激光器1、自聚焦透镜2、激光晶体3、平凹反射镜a4、平凹反射镜b5、平面反射镜6、输出镜7、SESAM饱和吸收镜8。
锁模激光器的自聚焦透镜2置于单管半导体激光器1和激光晶体3之间；该锁模激光器的谐振腔呈双Z形布置；激光晶体3一侧与自聚焦透镜2连接；平凹反射镜a4置于激光晶体3另一侧，所述光路经激光晶体3的中心后射入平凹反射镜a4入射前的焦点处；平面反射镜6置于光路经平凹反射镜a4反射后的焦点处，光路由激光晶体3水平射入平凹反射镜a4，平凹反射镜a4的入射光与反射光之间的夹角范围为0～10°；所述光路经激光晶体3、平凹反射镜a4、平面反射镜6后，呈正Z形结构；与激光晶体3、平凹反射镜a4、平面反射镜6组成的正Z形结构相对称，输出镜7、平凹反射镜b5、SESAM饱和吸收镜8组成反Z形结构；其中，所述平面反射镜6、输出镜7呈水平布置，输出镜7置于光路经平面反射镜6反射的水平线上，平面反射镜7位于平凹反射镜b5入射前焦点处，SESAM饱和吸收镜8位于平凹反射镜b5反射后焦点处，平凹反射镜b5的入射光与反射光之间的夹角范围为0～10°，经平凹反射镜b5的折射光水平入射到SESAM饱和吸收镜镜面上；所述正Z形结构、反Z形结构共同构成谐振腔的双Z形对称布置结构。
整个锁模激光器内共分二类光，即振荡光、谐振腔输出光；在该双Z形对称布置结构中，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为谐振腔输出光，Ⅳ为谐振腔内振荡光；单管半导体激光器1为泵浦源，平凹反射镜a4、平凹反射镜b5、平面反射镜6、输出镜7、SESAM可饱和吸收镜8构成谐振腔，当谐振腔内存在锁模振荡光时，所述穿过自聚焦透镜2后射入的激光晶体3的射出端带有楔角，会有部分锁模光Ⅰ输出，由于输出镜7朝向谐振腔内一面镀膜，保证所镀膜对振荡光的透过率，在输出镜7背向谐振腔的一面，有延腔内入射光和反射光方向分别输出的锁模光Ⅱ、Ⅲ；平面反射镜6、输出镜7呈水平布置，Ⅳ为谐振腔内振荡光。
所述谐振腔激光晶体3为可以为Nd:YVO4激光晶体、Nd:GdYVO4激光晶体、Nd：YAG激光晶体；其射入端通光面为正方形，垂直于晶体a轴，且镀膜满足对振荡光全反，泵浦光增透其射出端切割一个与射入端成10°的楔角，且表面镀振荡光增透膜。
平凹反射镜a4和平凹反射镜b5曲率半径相等，且表面镀对振荡光全反膜；平面反射镜6表面镀对振荡光全反膜；输出镜7表面镀对振荡光有一定透过率的反射膜；SESAM饱和吸收镜8表面镀有对振荡光的全反膜，通光面为正方形，置于一镀金铜热沉上；所有元件表面均为水平入射。
实施例
如图1所示，激光器采用端面泵浦方式，端面泵浦阈值低，输出效率高，且容易实现基模运转，光束质量好。激光器泵浦源采用单管半导体激光器1泵浦光波长选用808nm，激光晶体3为Nd:YVO4晶体，Nd3+离子掺杂浓度为0.5at.%通光面为4mm×4mm的正方形，平行于通光方向的晶体长度为5mm，激光晶体3靠近泵浦光的一面（泵浦面）表面镀膜满足对1064nm振荡光全反，808nm泵浦光增透，朝向谐振腔内的表面镀1064nm增透膜，且有一与泵浦面成10°的楔角（以防止标准具效应影响锁模激光脉宽）。平凹反射镜a4和平凹反射镜b5曲率半径R=200mm，凹面镀1064nm全反膜（R>99.8%）。平面反射镜6朝向腔内的表面镀1064nm全反膜，背向谐振腔的表面不镀膜。输出镜7朝向腔内的光学表面镀对1064nm透过率为1.5%的部分反射膜，背向谐振腔的表面不镀膜。SESAM可饱和吸收镜固定在一镀金铜热沉上，在1030nm到1100nm处反射率大于99%，在1064nm处SESAM的饱和吸收系数为2%，饱和通量为50μJ/cm2，饱和恢复时间小于10ps。单管半导体激光器1发出的泵浦光经过自聚焦透镜2后聚焦到激光晶体3内，腔镜a4距离激光晶体泵浦面的距离为130mm，距离平面反射镜6的距离为125mm，振荡光经过平凹反射镜a4后入射到平面反射镜6上，再依次经过输出镜7和平凹反射镜b5的反射，最后聚焦入射到SESAM饱和吸收镜8镜面上，输出镜7距离腔镜b5的距离为125mm，腔镜b5距离SESAM饱和吸收镜8的距离为125mm，要实现锁模就必须要使得入射到SESAM饱和吸收镜上的能流密度足够高，超过SESAM饱和吸收镜的锁模阈值，同时在此过程中保证振荡光与谐振腔严格共轴（否则会由于增益空间和激光振荡空间的不重合而使激光器的阈值升高甚至不能出光），保证泵浦光与振荡光满足模式匹配，并使得激光晶体与SESAM可饱和吸收镜上的光斑大小合适，满足这些条件就可以实现锁模。通过激光晶体3楔角反射的微弱谐振腔内振荡光来检测锁模信号光，在注入泵浦光功率3.8A时，从输出镜输出的两路锁模光总功率为1.3W，实现锁模激光稳定输出。
Claims (3)
1.一种SESAM被动锁模激光器，其特征在于：该激光器包括单管半导体激光器（1）、自聚焦透镜（2）、激光晶体（3）、平凹反射镜a（4）、平凹反射镜b（5）、平面反射镜（6）、输出镜（7）、SESAM饱和吸收镜（8）；
锁模激光器的自聚焦透镜（2）置于单管半导体激光器（1）和激光晶体（3）之间；该锁模激光器的谐振腔呈双Z形布置；激光晶体（3）一侧与自聚焦透镜（2）连接；平凹反射镜a（4）置于激光晶体（3）另一侧，所述光路经激光晶体（3）的中心后射入平凹反射镜a（4）入射前的焦点处；平面反射镜（6）置于光路经平凹反射镜a（4）反射后的焦点处，光路由激光晶体（3）水平射入平凹反射镜a（4），平凹反射镜a（4）的入射光与反射光之间的夹角范围为0～10°；所述光路经激光晶体（3）、平凹反射镜a（4）、平面反射镜（6）后，呈正Z形结构；与激光晶体（3）、平凹反射镜a（4）、平面反射镜（6）组成的正Z形结构相对称，输出镜（7）、平凹反射镜b（5）、SESAM饱和吸收镜（8）组成反Z形结构；其中，所述平面反射镜（6）、输出镜（7）呈水平布置，输出镜（7）置于光路经平面反射镜（6）反射的水平线上，平面反射镜（7）位于平凹反射镜b（5）入射前焦点处，SESAM饱和吸收镜（8）位于平凹反射镜b（5）反射后焦点处，平凹反射镜b（5）的入射光与反射光之间的夹角范围为0～10°，经平凹反射镜b（5）的折射光水平入射到SESAM饱和吸收镜镜面上；所述正Z形结构、反Z形结构共同构成谐振腔的双Z形对称布置结构；
整个锁模激光器内共分二类光，即振荡光、谐振腔输出光；在该双Z形对称布置结构中，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为谐振腔输出光，Ⅳ为谐振腔内振荡光；单管半导体激光器1为泵浦源，平凹反射镜a（4）、平凹反射镜b（5）、平面反射镜（6）、输出镜（7）、SESAM可饱和吸收镜（8）构成谐振腔，当谐振腔内存在锁模振荡光时，所述穿过自聚焦透镜（2）后射入的激光晶体（3）的射出端带有楔角，会有部分锁模光Ⅰ输出，由于输出镜（7）朝向谐振腔内一面镀膜，保证所镀膜对振荡光的透过率，在输出镜（7）背向谐振腔的一面，有延腔内入射光和反射光方向分别输出的锁模光Ⅱ、Ⅲ；平面反射镜（6）、输出镜（7）呈水平布置，Ⅳ为谐振腔内振荡光。
2.根据权利要求1所述的一种SESAM被动锁模激光器，其特征在于：所述谐振腔激光晶体（3）为可以为Nd:YVO4激光晶体、Nd:GdYVO4激光晶体、Nd：YAG激光晶体；其射入端通光面为正方形，垂直于晶体a轴，且镀膜满足对振荡光全反，泵浦光增透其射出端切割一个与射入端成10°的楔角，且表面镀振荡光增透膜。
3.根据权利要求1所述的一种SESAM被动锁模激光器，其特征在于：平凹反射镜a（4）和平凹反射镜b（5）曲率半径相等，且表面镀对振荡光全反膜；平面反射镜（6）表面镀对振荡光全反膜；输出镜（7）表面镀对振荡光有一定透过率的反射膜；SESAM饱和吸收镜（8）表面镀有对振荡光的全反膜，通光面为正方形，置于一镀金铜热沉上；所有元件表面均为水平入射。
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| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| OL01 | Intention to license declared | ||
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