CN103972776A - 激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2 O3 全固态飞秒激光器 - Google Patents
激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2 O3 全固态飞秒激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,设置Yb:(YLa)2O3激光陶瓷、泵浦源、光学耦合聚焦系统、两个凹面镜、两个三棱镜、GTI反射镜、平面反射镜及输出镜。本发明首次在Yb:(YLa)2O3激光陶瓷上实现了克尔透镜锁模,输出170fs的锁模脉冲,锁模脉冲光谱半高宽为7.7nm,平均输出功率为140mW。本发明具有很好的实用性和可操作性,结构紧凑小巧,适于重复生产和组装,适于批量化生产,成本较低,激光单向输出,高重复频率,飞秒量级的脉冲宽度,高稳定性以及高光束质量的优点,可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域,具有很好的应用前景和商业价值。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域,尤其涉及一种激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器。
背景技术
激光二级管泵浦的全固态飞秒激光器具有结构紧凑,效率高,稳定性好等优点,能够输出高峰值功率、窄脉冲宽度和高光束质量的激光脉冲,被广泛应用在军事、工业、医疗和科研等领域,是目前激光器研究的热点之一。
随着高功率、高亮度的激光二极管的发展,各种全固态晶体、陶瓷以及其他材料被用作于产生飞秒激光的研究中。在众多的材料当中,掺杂Yb3+离子的激光材料具有很大的优势,这种晶体具有很多优良的特性,例如没有激发态的吸收,没有交叉弛豫,很高的量子效率,很小的量子亏损,很长的荧光寿命以及具有很宽的发射带宽,十分适合用作飞秒激光产生的增益介质。但是目前全固态锁模激光器大部分采用的是SESAM(semiconductor saturable absorber mirror,半导体可饱和吸收镜)辅助的被动锁模方式。SESAM被动锁模受限于SESAM本身的带宽及色散等因素,限制锁模脉冲的宽度。另外SESAM本身易损坏,制约着激光器的使用寿命及长期稳定性。
Yb:(YLa)2O3是一种新型的掺Yb3+激光陶瓷,具有优异的物理化学和光学性能,是一种非常有潜力的用于产生飞秒激光脉冲的激光陶瓷。2012年,Z.L.Wang等人首次使用Yb:(YLa)2O3陶瓷实现了730fs的SESAM锁模脉冲激光(文献1.Z.L.Wang et al.,Laser Phys.22129(2012))。同年Jiangfeng Zhu等人在Yb:(YLa)2O3陶瓷上也实现了SESAM锁模,锁模脉冲的宽度为357fs(文献2.Jiangfeng Zhu et al.,Chin.Opt.Lett.1012(2012))。截至目前为止,在Yb:(YLa)2O3陶瓷中实现的全是SESAM锁模,脉冲宽度最短是357fs。为了得到更短的锁模脉冲,首次在Yb:(YLa)2O3陶瓷实现了克尔透镜锁模,锁模脉冲宽度为170fs,比较以前的Yb:(YLa)2O3陶瓷激光器有了明显的进步。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,旨在解决现有的在Yb:(YLa)2O3陶瓷中实现的全是SESAM锁模,脉冲宽度最短是357fs,在锁模脉冲宽度受限制的问题。
本发明实施例是这样实现的,一种激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,该激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器包括:泵浦源、光学耦合聚焦系统、Yb:(YLa)2O3激光陶瓷、第一凹面镜、第二凹面镜、GTI反射镜、平面反射镜、第一三棱镜、第二三棱镜、输出镜;
泵浦源,用于输出泵浦激光;
光学耦合聚焦系统,用于将泵浦源产生的泵浦激光聚焦到Yb:(YLa)2O3激光陶瓷上;
第一凹面镜,接受Yb:(YLa)2O3激光陶瓷产生的增益激光,用于同第二凹面镜形成共焦结构;
激光陶瓷Yb:(YLa)2O3,接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光,用于形成激光增益;
第二凹面镜,接收Yb:(YLa)2O3激光陶瓷产生的增益激光,用于同第一凹面镜形成共焦结构,并反射到GTI反射镜上;
GTI反射镜,接收第二凹面镜反射的产生的增益激光,用于在腔内提供负色散,并反射到平面反射镜上;
平面反射镜,反射增益激光并将按原路返回,用于构成谐振器的一个端镜;到达第一凹面镜并被第一凹面镜反射到第一三棱镜上;
第一三棱镜,接收第一凹面镜反射的增益激光,用于提供负色散;
第二三棱镜,接收第一三棱镜透射的增益激光,并将激光透射到输出镜,用于提供负色散;
输出镜,增益激光起振后通过输出镜输出稳定的克尔透镜锁模激光脉冲。
进一步,泵浦源的中心波长为976nm,耦合输出光纤芯径为50μm,数值孔径为0.22。
进一步,光学耦合聚焦系统的两面镀有对泵浦激光高透介质膜。
进一步,Yb:(YLa)2O3激光陶瓷布儒斯特角放置,并被置于冷却通水紫铜热沉上,Yb:(YLa)2O3激光陶瓷与紫铜热沉之间涂有导热玻璃胶。
进一步,第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦系统。
进一步,第一凹面镜面向泵浦源的一面镀有对泵浦激光高透的介质膜,另一面镀有对泵浦激光高透介质膜以及对振荡激光高反介质膜。
进一步,第二凹面镜面向泵浦源的一端镀有对泵浦激光高透介质膜以及对振荡激光高反介质膜,另一面镀有对泵浦激光高透的介质膜。
进一步,GTI反射镜在腔内提供负色散。
进一步,平面反射镜面向谐振腔的一面镀有对振荡激光高反介质膜,另一面未镀膜。
进一步,第一三棱镜和第二三棱镜两面同时对振荡激光为布儒斯特角,第一三棱镜和第二三棱镜的表面均未镀膜;
输出镜面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处具有输出耦合率的介质膜,另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。
本发明提供的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,设置Yb:(YLa)2O3激光陶瓷、泵浦源、光学耦合聚焦系统、两个凹面镜、两个三棱镜、GTI反射镜、平面反射镜及输出镜;泵浦源输出激光的中心波长为976nm,从泵浦源出射的激光经过光学耦合聚焦系统和第一凹面镜聚焦到Yb:(YLa)2O3激光陶瓷上,增益激光起振后入射到第二凹面镜,并被第二凹面镜反射到GTI反射镜上,再由GTI反射镜反射到平面反射镜,增益激光由平面反射镜将其原路返回,到达第一凹面镜并被反射到第一三棱镜上,增益激光透过第一三棱镜后再入射到第二三棱镜上,最后透过第二三棱镜入射到输出镜,构成闭合光路形成激光振荡,经过腔型的合理调试,在激光增益介质内克尔透镜效应及腔内元件色散补偿的情况下,形成稳定的锁模脉冲激光,并通过输出镜输出锁模脉冲激光;Yb:(YLa)2O3激光陶瓷作为典型实施例子,通过克尔透镜锁模得到了脉冲宽度为170fs的锁模脉冲激光,其光谱半高宽达7.7nm,平均输出功率达140mW。
本发明首次在Yb:(YLa)2O3激光陶瓷上实现了克尔透镜锁模,输出170fs的锁模脉冲,锁模脉冲光谱半高宽为7.7nm,平均输出功率为140mW。本发明具有很好的实用性和可操作性,结构紧凑小巧、适于重复生产和组装,适于批量化生产、成本较低、激光单向输出、高重复频率、飞秒量级的脉冲宽度、高稳定性以及高光束质量等优点,可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域,具有很好的应用前景和商业价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器的光路示意图;
图2是本发明实施例提供的采用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号示意图;
图3是本发明实施例提供的采用光谱仪测得的输出光谱信号示意图;
图中:1、泵浦源;2、光学耦合聚焦系统;3、第一凹面镜;4、Yb:(YLa)2O3激光陶瓷;5、第二凹面镜;6、GTI反射镜;7、平面反射镜;8、第一三棱镜;9、第二三棱镜;10、输出镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,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,并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示,本发明实施例的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器主要由:泵浦源1、光学耦合聚焦系统2、第一凹面镜3、Yb:(YLa)2O3激光陶瓷4、第二凹面镜5、GTI反射镜6、平面反射镜7、第一三棱镜8、第二三棱镜9、输出镜10组成;
在本发明的实施例中,泵浦源1,为光纤耦合输出的半导体激光器,用于输出波长为976nm的泵浦激光,典型输出功率为7W,光线芯径为50μm,数值孔径为0.22;
光学耦合聚焦系统2,用于将泵浦激光聚焦到激光陶瓷上,泵浦激光经光纤输出后通过1:0.8的光学耦合系统聚焦,聚焦后的光斑直径约为40μm,聚焦长度为55mm;
Yb:(YLa)2O3激光陶瓷4,为掺杂浓度5at.%的Yb:(YLa)2O3陶瓷,通光截面3mm*3mm,晶体厚度为2mm,激光陶瓷两端均未镀增透膜,布儒斯特角放置于腔内并且放置在紫铜热沉上,并且Yb:(YLa)2O3激光陶瓷与紫铜热沉之间涂有导热玻璃胶,以便激光陶瓷均匀散热,保证稳定地高光束质量激光输出;
聚焦用第一凹面镜3和第二凹面镜5,用于保证激光陶瓷上的激光束腰与泵浦光的模式匹配,镜片镀有对振荡激光高反介质膜(R>99.9%),曲率半径R=75mm;
GTI反射镜6,提供-250fs2的色散量;
平面反射镜7,反射率R>99.9%;
第一三棱镜8和第二三棱镜9的材料是SF6,两面同时对振荡激光为布儒斯特角,并且三棱镜对的表面均未镀膜,以布儒斯特角放置在谐振腔内。
在图1中,泵浦源1,用于输出泵浦激光;光学耦合聚焦系统2,用于将泵浦激光聚焦到Yb:(YLa)2O3激光陶瓷上;激光陶瓷Yb:(YLa)2O34,用于形成激光增益;第一凹面镜3和第二凹面镜5,用于形成共焦结构;GTI反射镜6,用于在腔内提供负色散;平面反射镜7,用于构成谐振器的一个端镜;第一三棱镜8和第二三棱镜9,用于在腔内提供负色散;输出镜10,用于构成谐振器的另一个端镜并且耦合输出增益激光。其中从泵浦源1发射的泵浦激光经过耦合聚焦系统2和第一凹面镜3后聚焦到Yb:(YLa)2O3激光陶瓷4上,增益激光起振后入射到第二凹面镜5,并被第二凹面镜5反射到GTI反射镜6上,再由GTI反射镜6反射到平面反射镜7,平面反射镜7反射增益激光并将其原路返回,到达第一凹面镜3并被第一凹面镜3反射到第一三棱镜8上,增益激光透过第一三棱镜8入射到第二三棱镜9上,最后透过第二三棱镜9入射到输出镜10,增益激光起振后通过输出镜10输出稳定的克尔透镜锁模激光脉冲。
本发明的具体实施例:
激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,包括:泵浦源,用于输出泵浦激光;光学耦合聚焦系统,用于将泵浦激光聚焦到Yb:(YLa)2O3激光陶瓷上;激光陶瓷Yb:(YLa)2O3,用于形成激光增益;第一凹面镜和第二凹面镜,用于形成共焦结构;GTI反射镜,用于在腔内提供负色散;平面反射镜,用于构成谐振器的一个端镜;第一三棱镜和第二三棱镜,用于在腔内提供负色散;输出镜,用于构成谐振器的另一个端镜并且耦合输出增益激光;
光学耦合聚焦系统两面都镀有对泵浦激光高透介质膜;第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦系统,第一凹面镜面向泵浦源的一面镀有对泵浦激光高透的介质膜,另一面镀有对泵浦激光高透介质膜以及对振荡激光高反介质膜,第二凹面镜面向泵浦源的一端镀有对泵浦激光高透介质膜以及对振荡激光高反介质膜,另一面镀有对泵浦激光高透的介质膜,GTI反射镜在腔内提供负色散,平面反射镜面向谐振腔的一面镀有对振荡激光高反介质膜,另一面未镀膜,第一三棱镜和第二三棱镜布儒斯特角放置在谐振腔内,经过GTI反射镜,第一三棱镜和第二三棱镜补偿色散后,腔内总的色散量为负值,输出镜面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处具有一定输出耦合率的介质膜,另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。
本发明的工作原理:
本发明中第一三棱镜8和第二三棱镜9之间的距离为275mm,提供合适的负色散;第一三棱镜8和第二三棱镜9用来补偿腔内空气,激光陶瓷以及各个光学镜片引入的正常色散;GTI反射镜6,第一三棱镜8和第二三棱镜9,保证腔内总色散量为负值;输出镜10,为平面透镜,面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为0.8%的介质膜,另一面镀有对振荡激光的增透介质膜(T>99.8%);
如图1所示,其中,从泵浦源1发射的976nm泵浦激光透过光学耦合聚焦系统2和第一凹面镜3聚焦到Yb:(YLa)2O3的激光陶瓷4上,由Yb:(YLa)2O3的激光陶瓷4产生的1.075μm增益激光入射到第二凹面镜5,并被第二凹面镜5反射到GTI反射镜6上,再由GTI反射镜6反射到平面反射镜7,平面反射镜7反射增益激光并将其原路返回,到达第一凹面镜3并被第一凹面镜3反射到第一三棱镜8上,增益激光透过第一三棱镜8入射到第二三棱镜9上,最后透过第二三棱镜9入射到输出镜10,增益激光起振后通过输出镜10输出稳定的克尔透镜锁模激光脉冲。
本发明中,平面反射镜7和输出镜10构成了谐振腔的两个端镜,谐振腔长度为1.58m,对应重复频率95MHz,用ABCD矩阵计算得到晶体上的束腰半径为19.0μm×19.1μm,与泵浦激光在晶体上的尺寸(20μm×20μm)相匹配。
本发明激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器可以获得输出功率为140mW的稳定连续锁模,用自相关仪测量锁模脉冲,假设脉冲形状为双曲正割时,如图2所示,脉冲宽度为170fs,其在光谱仪上所测得的光谱如图3所示,光谱宽度为7.7nm,时间带宽积为0.340。
本发明具有很好的实用性和可操作性,结构紧凑小巧,适于重复生产和组装,适于批量化生产,成本较低,激光单向输出,高重复频率、飞秒量级的脉冲宽度,高稳定性以及高光束质量等优点,可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域,具有很好的应用前景和商业价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,该激光二极管泵浦的克尔透镜锁模全固态飞秒激光器包括:泵浦源、光学耦合聚焦系统、Yb:(YLa)2O3激光陶瓷、第一凹面镜、第二凹面镜、GTI反射镜、平面反射镜、第一三棱镜、第二三棱镜、输出镜;
泵浦源,用于输出泵浦激光;
光学耦合聚焦系统,用于将泵浦源产生的泵浦激光聚焦到Yb:(YLa)2O3激光陶瓷上;
第一凹面镜,接受Yb:(YLa)2O3激光陶瓷产生的增益激光,用于同第二凹面镜形成共焦结构;
激光陶瓷Yb:(YLa)2O3,接收光学耦合聚焦系统聚焦的泵浦激光,用于形成激光增益;
第二凹面镜,接收Yb:(YLa)2O3激光陶瓷产生的增益激光,用于同第一凹面镜形成共焦结构,并反射到GTI反射镜上;
GTI反射镜,接收第二凹面镜反射的增益激光,用于在腔内提供负色散,并反射到平面反射镜上;
平面反射镜,反射增益激光并将按原路返回,到达第一凹面镜并被第一凹面镜反射到第一三棱镜上;用于构成谐振腔的一个端镜;
第一三棱镜,接收第一凹面镜反射的增益激光,用于提供负色散;
第二三棱镜,接收第一三棱镜透射的增益激光,并将激光透射到输出镜,用于提供负色散;
输出镜,增益激光起振后通过输出镜输出稳定的克尔透镜锁模激光脉冲。
2.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,泵浦源的中心波长为976nm,耦合输出光纤芯径为50μm,数值孔径为0.22。
3.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,光学耦合聚焦系统的两面镀有对泵浦激光高透介质膜。
4.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,Yb:(YLa)2O3激光陶瓷布儒斯特角放置,并被置于冷却通水紫铜热沉上,Yb:(YLa)2O3激光陶瓷与紫铜热沉之间涂有导热玻璃胶。
5.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦系统。
6.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,第一凹面镜面向泵浦源的一面镀有对泵浦激光高透的介质膜,另一面镀有对泵浦激光高透介质膜以及对振荡激光高反介质膜。
7.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,第二凹面镜面向泵浦源的一端镀有对泵浦激光高透介质膜以及对振荡激光高反介质膜,另一面镀有对泵浦激光高透的介质膜。
8.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,GTI反射镜在腔内提供负色散。
9.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,平面反射镜面向谐振腔的一面镀有对振荡激光高反介质膜,另一面未镀膜。
10.如权利要求1所述的激光二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:(YLa)2O3全固态飞秒激光器,其特征在于,第一三棱镜和第二三棱镜两面同时对振荡激光为布儒斯特角,第一三棱镜和第二三棱镜的表面均未镀膜;
输出镜面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处具有输出耦合率的介质膜,另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |