CN103972778B - 一种二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器 - Google Patents
一种二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCa4O(BO3)3(Yb:YCOB)全固态飞秒激光器，设置泵浦源、光学耦合聚焦系统、Yb:YCOB激光增益介质、第一凹面镜和第二凹面镜、第一三棱镜和第二三棱镜、平面反射镜、平面输出镜；泵浦源输出激光的中心波长为976nm。本发明首次在Yb:YCOB激光晶体上实现了克尔透镜锁模，输出73fs的锁模脉冲，锁模脉冲光谱半高宽为19nm。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，亚100fs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，尤其涉及一种二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器。
背景技术
现今飞秒激光器中最成熟最稳定的是基于克尔透镜锁模的掺钛蓝宝石激光器，虽然已经可以实现周期量级的飞秒脉冲输出（脉冲宽度小于5fs），但其需要昂贵复杂的532nm激光器做泵浦源，因此是一种“贵族”型的激光器，多局限在一些有条件的大型实验室，限制了在许多大众化行业的研究与应用，因此，发展半导体二极管激光器直接泵浦的全固态飞秒激光器，对于降低成本、扩大应用范围具有重要的意义。
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，在众多的激光材料当中，镱离子（Yb3+）掺杂的激光晶体具有能级结构简单，荧光发射谱宽，无激发态吸收、上能级转换、浓度淬灭等现象，成为高功率以及超快激光领域最为重要的增益介质之一，又由于其吸收带位于940nm和980nm波段附近，与高功率、高亮度的InGaAs半导体二极管激光器的发射波长有效重合，非常适合用半导体二极管激光器来直接泵浦，目前，一系列掺Yb3+的激光晶体如Yb:YAG、Yb:KYW、Yb:Sc2O3等已经分别实现了飞秒脉冲运转。
但是目前掺Yb3+的激光晶体实现了飞秒脉冲运转大部分采用的是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本身的一些因素，例如带宽限制，SESAM本身的色散等，使得产生的激光脉冲宽度很难小于100fs的，而且SESAM本身易损坏，制约着激光的使用寿命及长期稳定性，由于亚100fs以下的脉冲宽度能够使得对应的激光光谱更宽，不仅有利于超快现象的探测，也使得光谱探测更加精细，同时更加有利于光谱的扩展从而实现光学频率梳，因此利用这类优良的晶体产生突破100fs的脉冲宽度是许多应用急需解决的问题。
Yb:YCOB晶体是一种新型的掺Yb3+激光晶体，它的下能级分裂高达1000cm-1，上能级荧光寿命为2.20ms，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晶体，文献一，2000年，G.J.Valentine等人在Electronics Letters上面发表了第一篇飞秒锁模的Yb:YCOB激光器的文章，题目是“Femtosecond Yb:YCOB laserpumped by narrow-srtipe laser diode and passively modelocked using ionimplanted saturable-absorber mirror”，实现了210fs的被动锁模脉冲激光，文献二，2011年AkiraYoshida等人在Optics Letters上面发表了一篇SESAM辅助克尔透镜锁模的Yb:YCOB激光器的文章，文章题目是“Diode-pumped mode-locked Yb:YCOB lasergenerating35fspulses”，锁模脉冲的宽度为35fs，这也是目前在掺Yb3+激光晶体得到的最短的锁模脉冲宽度。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器，旨在解决现有的Yb:YCOB激光器不能实现纯克尔透镜锁模的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器，该二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器包括：泵浦源、光学耦合聚焦系统、第一个凹面镜、Yb:YCOB激光增益介质、第二凹面镜、平面反射镜、第一三棱镜、第二三棱镜、平面输出镜；
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:YCOB激光增益介质上；
激光增益介质Yb:YCOB，接收透过光学耦合聚焦系统和第一凹面镜的泵浦激光，用于形成激光增益；
第一凹面镜，接收Yb:YCOB激光增益介质产生的增益激光,与第二凹面镜构成共焦系统；
第二凹面镜，接收Yb:YCOB激光增益介质产生的增益激光，然后反射到第一三棱镜；
第一三棱镜，接收第二凹面镜反射的激光，并透射到第二三棱镜；
第二三棱镜，接收第一三棱镜透射的激光，并透射到平面输出镜；
平面输出镜，接收第二三棱镜透射的激光，并将透射增益激光按原路返回；依次经过第二三棱镜、第一三棱镜、第二凹面镜、Yb:YCOB激光增益介质，然后到达第一凹面镜并被第一凹面镜反射到平面输出镜；
平面输出镜，增益激光起振后通过平面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。
进一步，光学耦合聚焦系统两面都镀有对泵浦激光高透介质膜。
进一步，Yb:YCOB激光增益介质布儒斯特角放置，并被置于冷却铜块上。
进一步，第一凹面镜和第二凹面镜构成共焦系统，并且为紧聚焦结构。
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；
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，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，并且三棱镜对的表面均未镀膜；
第一三棱镜和第二三棱镜布儒斯特角放置在谐振腔内。
进一步，经过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。
进一步，平面输出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。
本发明提供的二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器，设置泵浦源、光学耦合聚焦系统、Yb:YCOB的激光增益介质、第一凹面镜和第二凹面镜、第一三棱镜和第二三棱镜、平面反射镜、平面输出镜；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聚焦到Yb:YCOB激光增益介质上，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第一三棱镜上，增益激光透过第一三棱镜入射到第二三棱镜上，最后透过第二三棱镜入射到平面输出镜，平面输出镜反射增益激光并将其原路返回，到达第一凹面镜并被第一凹面镜反射到平面反射镜，增益激光起振后通过平面输出镜输出锁模脉冲激光；通过克尔透镜锁模得到了脉冲宽度为73fs的锁模脉冲激光，锁模脉冲光谱半高宽为19nm，平均输出功率为70mW。这是首个在Yb:YCOB激光增益介质上实现的克尔透镜锁模。本发明首次在Yb:YCOB激光晶体上实现了克尔透镜锁模，输出73fs的锁模脉冲，锁模脉冲光谱半高宽为19nm。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、亚100fs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二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器的光路结构示意图；
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、第一个凹面镜；4、Yb:YCOB激光增益介质；5、第二凹面镜；6、平面反射镜；7、第一三棱镜；8、第二三棱镜；9、平面输出镜。
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，本发明实施例的二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB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:YCOB激光增益介质4、第二凹面镜5、平面反射镜6、第一三棱镜7、第二三棱镜8、平面输出镜9组成；
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晶体上，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；光学耦合聚焦系统2两面都镀有对泵浦激光高透介质膜；
激光晶体4，为掺杂浓度20at.%、x切割的Yb:YCOB晶体，晶体通光截面3mm*3mm，晶体厚度为2mm，晶体两端均未镀增透膜，布儒斯特角放置于腔内，并放置在水冷铜块上，以便晶体散热，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，用于保证激光晶体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；第一凹面镜3和第二凹面镜5构成共焦系统，并且为紧聚焦结构；第一凹面镜3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5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；
平面反射镜6，反射率R>99.9%；平面反射镜6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7和第二三棱镜8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；第一三棱镜7和第二三棱镜8布儒斯特角放置在谐振腔内，经过第一三棱镜7和第二三棱镜8补偿色散后，腔内总的色散量为负值，
本发明中第一三棱镜7和第二三棱镜8之间的距离为295mm，提供合适的负色散；
第一三棱镜7和第二三棱镜8用来补偿腔内空气，激光晶体以及各个光学镜片引入的正常色散；
平面输出镜9，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4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:YCOB激光增益介质4上，由Yb:YCOB增益介质4产生的1.043μm增益激光入射到第二凹面镜5，并被第二凹面镜5反射到第一三棱镜7，增益激光透过第一三棱镜7入射到第二三棱镜8，然后透过第二三棱镜8入射到平面输出镜9，平面输出镜9反射增益激光并将其原路返回，依次经过第二三棱镜8、第一三棱镜7、第二凹面镜5、Yb:YCOB激光增益介质4，然后到达第一凹面镜3并被第一凹面镜3反射到平面反射镜6，最后增益激光起振后通过平面输出镜9输出锁模激光，
本发明中，平面反射镜6和平面输出镜9构成了谐振腔的两个端镜，谐振器长度为1.36m，对应重复频率110MHz，用ABCD矩阵计算得到晶体上的束腰半径为20μm×19.6μm，与泵浦激光在晶体上的尺寸（20μm×20μm）相匹配；
本发明的二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器可以获得输出功率为70mW的稳定连续锁模，用自相关仪测量锁模脉冲，假设脉冲为双曲正割型时，如图2所示，脉冲宽度为73fs，其在光谱仪上所测得的光谱如图3所示，光谱宽度为19nm，时间带宽积为0.382；
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，亚100fs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 (1)
1.一种二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器，其特征在于，该二极管泵浦的克尔透镜锁模Yb:YCOB全固态飞秒激光器包括：泵浦源、光学耦合聚焦系统、第一凹面镜、Yb:YCOB激光增益介质、第二凹面镜、平面反射镜、第一三棱镜、第二三棱镜、平面输出镜；
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:YCOB激光增益介质上；
激光增益介质Yb:YCOB，接收透过光学耦合聚焦系统和第一凹面镜的泵浦激光，用于形成激光增益；
第一凹面镜，接收Yb:YCOB激光增益介质产生的增益激光,与第二凹面镜构成共焦系统；
第二凹面镜，接收Yb:YCOB激光增益介质产生的增益激光，然后反射到第一三棱镜；
第一三棱镜，接收第二凹面镜反射的激光，并透射到第二三棱镜；
第二三棱镜，接收第一三棱镜透射的激光，并透射到平面输出镜；
平面输出镜，接收第二三棱镜透射的激光，并将透射增益激光按原路返回；依次经过第二三棱镜、第一三棱镜、第二凹面镜、Yb:YCOB激光增益介质，然后到达第一凹面镜并被第一凹面镜反射到平面输出镜；
平面输出镜，增益激光起振后通过平面输出镜输出稳定的克尔透镜锁模激光脉冲；
泵浦源的中心波长为976nm；
光学耦合聚焦系统两面都镀有对泵浦激光高透介质膜；
Yb:YCOB激光增益介质布儒斯特角放置，并被置于冷却铜块上；
第一凹面镜和第二凹面镜构成共焦系统，并且为紧聚焦结构；
从泵浦源发射的976nm泵浦激光透过光学耦合聚焦系统和第一凹面镜聚焦到Yb:YCOB激光增益介质上，由Yb:YCOB增益介质产生的1.043μm增益激光入射到第二凹面镜，并被第二凹面镜反射到第一三棱镜，增益激光透过第一三棱镜入射到第二三棱镜，然后透过第二三棱镜入射到平面输出镜，平面输出镜反射增益激光并将其原路返回，依次经过第二三棱镜、第一三棱镜、第二凹面镜、Yb:YCOB激光增益介质，然后到达第一凹面镜并被第一凹面镜反射到平面反射镜，最后增益激光起振后通过平面输出镜输出锁模激光；
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；
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；
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；
平面输出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。
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