CN103986055B - 一种基于Yb:GSO 激光晶体的亚百飞秒锁模激光器 - Google Patents

一种基于Yb:GSO 激光晶体的亚百飞秒锁模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，包括用于泵浦Yb:GSO晶体以实现粒子数反转，输出激光的泵浦源；用于提供激光谐振腔腔内增益的Yb:GSO激光晶体；用于启动并维持被动锁模运转的半导体可饱和吸收镜；用于提供提高激光谐振腔腔内的增益晶体与SESAM位置的功率密度的凹面镜；用于补偿腔内正常色散的色散补偿镜。本发明透过输出镜直接输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为72fs，最大平均功率为82mW，重复频率为113.29MHz，中心波长为1050nm，光谱半高宽为17.8nm。本发明首次实现了Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模，获得了72fs的超短激光脉冲输出，相比于以往在该种晶体上实现的锁模激光器来说，脉冲宽度有了显著的提高，实现了自启动而且能够长时间稳定运转。

Description

一种基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器
技术领域
本发明属于激光二极管泵浦技术领域，尤其涉及一种基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器。
背景技术
LD(Laser Diode，激光二极管)泵浦的全固态飞秒激光器由于具有成本低廉，结构简单紧凑等优点，已经成为目前近红外1-2um波段较为主流的研究方向。而且由于采用LD泵浦具有亮度高，功率大的优点，有利于高功率飞秒激光的获得，在国防，工业，医疗以及科研等领域都有着非常重要的用途。在1um波段，随着高功率高亮度的LD的出现，越来越多的基于Yb掺杂的激光晶体、陶瓷材料被应用于飞秒激光器的研究当中。这主要归功于掺杂Yb3+离子的晶体或陶瓷拥有非常优良的特性，例如没有激发态的吸收，没有交叉弛豫，不存在浓度淬灭，具有很高的量子效率，很长的荧光寿命以及很宽的发射带宽。作为众多的Yb掺杂的激光介质中重要的一族，Yb掺杂的硅酸盐晶体在近几年来得到了大家广泛的关注。由于Yb掺杂的硅酸盐晶体中Yb3+离子的基态能级斯塔克分裂较大，使得受激辐射产生激光过程属于准四能级结构，降低了产生激光的泵浦阈值，而且Yb掺杂的硅酸盐晶体均具有较宽的发射光谱，理论上可以支持小于100fs的超短脉冲产生。目前已经报道的Yb掺杂的硅酸盐激光晶体包括：Yb:YSO、Yb:GSO、Yb:GSO、Yb:SSO、Yb：GYSO和Yb:LYSO等，已被证明不管是在连续激光输出还是飞秒脉冲产生方面均具有优异的激光特性。其中尤其是Yb:GSO晶体，具有性质稳定、结构坚固、大的基态能级分裂、宽的发射光谱以及很高的热导率等优点，十分适合作为飞秒激光产生的增益介质。但是目前在这种晶体上只实现了最短343fs的激光脉冲输出(WenxueLiet.alOpt.Express15，2354(2007))。
亚百飞秒的脉冲宽度的飞秒脉冲在很多领域诸如在光频标以及原子分子瞬态动力学具有十分重要的应用。达到100fs以下的脉冲宽度能够使得对应的激光光谱更宽，不仅更加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产生光学频率梳，使光学频率测量成为可能。目前国际上报道了几种利用克尔透镜锁模直接产生亚100fs脉冲的Yb激光器，但克尔透镜锁模实现的条件比较苛刻，激光谐振腔必须处于稳腔的边缘，而且锁模区域比较小，因此克尔透镜锁模一般很容易受环境影响，克尔透镜锁模一般只能维持几个小时稳定运转，另外，锁模状态无法自启动也是其存在的主要缺点，锁模掉了以后需要给予一定的外界扰动才能重新建立锁模。虽然利用SESAM被动锁模的Yb激光器简单紧凑，可以自启动，能够长时间稳定运转，但是目前利用SESAM被动锁模的Yb全固态激光器产生的脉冲宽度一般局限于100fs以上，因此建立一种亚100fs SESAM被动锁模Yb全固态激光器有着非常重要的意义与用途。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，旨在解决现有利用克尔透镜锁模直接产生亚100fs脉冲的Yb激光器存在的实现的条件比较苛刻、易受环境影响，不能实现稳定的运转和无法自动启动的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，该基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器包括：泵浦源、色散补偿镜、第一凹面镜、Yb:GSO晶体、第二凹面镜、第三凹面镜、半导体可饱和吸收镜、输出镜；
泵浦源，用于输出976nm激光，泵浦Yb:GSO晶体以实现粒子数反转；
Yb:GSO晶体，作为激光增益介质，用于提供激光谐振腔腔内的增益；
色散补偿镜，用于补偿腔内正常色散；
第一凹面镜，第二凹面镜、第三凹面镜，用于提供提高激光谐振腔腔内的增益晶体与SESAM位置的功率密度；
半导体可饱和吸收镜，用于启动并维持被动锁模运转；
输出镜，用于输出飞秒脉冲。
进一步，输出镜输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为72fs，最大平均功率为82mW，重复频率为113.29MHz，中心波长为1050nm，光谱半高宽为17.8nm。
进一步，泵浦源为光纤耦合输出的LD半导体激光器，输出波长为976nm，LD的光纤芯径为100um，数值孔径为0.22。
进一步，第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径为75mm，第二凹面镜安装在可调节的光学平移台上。
进一步，Yb:GSO晶体被置于水冷铜块上，水冷铜块的表面温度维持在10摄氏度。
进一步，Yb:GSO晶体的尺寸为3mm x3mm x3mm，掺杂浓度为5at.％，垂直于泵浦光放置。
进一步，第一凹面镜面向泵浦源的一面镀有对970-980nm增透的介质膜，另一面同时镀有对970-980nm增透的介质膜和对1020-1100nm高反的介质膜；
第二凹面镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm高反的介质膜；
第三凹面镜的曲率半径为300mm；
第三凹面镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm高反的介质膜。
进一步，半导体可饱和吸收镜调制深度为0.4％，饱和通量为90J/cm2，弛豫时间小于500fs，中心波长为1064nm。
进一步，色散补偿镜提供的反常色散值为-800fs2；输出镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm透过率为0.4％的介质膜，另一面镀有对1020-1100nm增透的介质膜。
进一步，该基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器的光路为：从泵浦源发出的976nm泵浦激光经过第一凹面镜后入射到Yb:GSO晶体上，振荡产生的1.05um增益激光入射到第二凹面镜，并被第二凹面镜和第三凹面镜依次反射，入射到半导体可饱和吸收镜上，半导体可饱和吸收镜将激光原路返回，到达第一凹面镜，并被第一凹面镜和色散补偿镜依次反射，最终入射到输出镜，透过输出镜后输出脉冲宽度为72fs的高光束质量的锁模激光脉冲。
本发明提供的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，设置用于泵浦Yb:GSO晶体以实现粒子数反转，输出976nm激光的泵浦源；用于提供激光谐振腔腔内的增益的Yb:GSO激光晶体；用于启动并维持被动锁模运转的SESAM；用于用于提供提高激光谐振腔腔内的增益晶体与SESAM位置的功率密度的第一凹面镜，第二凹面镜和第三凹面镜；用于补偿腔内正常色散的色散补偿镜；实现了LD泵浦的利用SESAM被动锁模的亚百飞秒Yb:GSO激光器，透过输出镜直接输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为72fs，最大平均功率为82mW，重复频率为113.29MHz，中心波长为1050nm，光谱半高宽为17.8nm。本发明首次实现了Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模，获得了72fs的超短激光脉冲输出，相比于以往在该种晶体上实现的锁模激光器来说，脉冲宽度有了显著的提高，实现了自启动而且能够长时间稳定运转。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的LD泵浦的利用SESAM实现亚百飞秒被动锁模的Yb:GSO激光器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LD泵浦的利用SESAM实现亚百飞秒被动锁模的Yb:GSO激光器用光谱仪测得的输出光谱信号示意图；
图4是本发明实施例提供的LD泵浦的利用SESAM实现亚百飞秒被动锁模的Yb:GSO激光器用频谱分析仪测得的频谱图；
(a)是分辨率1kHz时的频谱；(b)是分辨率为100kHz时的频谱；
图中：1、泵浦源；2、色散补偿镜；3、第一凹面镜；4、Yb:GSO晶体；5、第二凹面镜；6、第三凹面镜；7、半导体可饱和吸收镜；8、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，本发明实施例的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器主要由：泵浦源1、色散补偿镜2、第一凹面镜3、Yb:GSO晶体4、第二凹面镜5、第三凹面镜6、半导体可饱和吸收镜(SESAM)7、输出镜8组成；
泵浦源1，用于输出976nm激光，泵浦Yb:GSO晶体以实现粒子数反转；
Yb:GSO晶体4，作为激光增益介质，用于提供激光谐振腔腔内的增益；
色散补偿镜2，用于补偿腔内正常色散；
第一凹面镜3，第二凹面镜5、第三凹面镜6，用于提供提高激光谐振腔腔内的增益晶体与SESAM位置的功率密度；
半导体可饱和吸收镜7，用于启动并维持被动锁模运转；
输出镜8，用于输出飞秒脉冲。
本发明包括：输出976nm激光的泵浦源，用于泵浦Yb:GSO晶体以实现粒子数反转；Yb:GSO激光晶体，用于提供激光谐振腔腔内的增益；半导体可饱和吸收镜用于启动并维持被动锁模运转；第一凹面镜，第二凹面镜和第三凹面镜，用于提供提高激光谐振腔腔内的增益晶体与SESAM位置的功率密度；色散补偿镜，用于补偿腔内正常色散；输出镜，用于输出飞秒脉冲，透过输出镜输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为72fs，最大平均功率为82mW，重复频率为113.29MHz，中心波长为1050nm，光谱半高宽为17.8nm。
泵浦源为光纤耦合输出的LD半导体激光器，输出波长为976nm，LD的光纤芯径为100um，数值孔径为0.22；
其中第一凹明镜和第二凹面镜的曲率半径为75mm，第二凹面镜安装在可调节的光学平移台上；
Yb:GSO晶体被置于水冷铜块上，水冷铜块的表面温度维持在10摄氏度；
Yb:GSO晶体的尺寸为3mm x3mm x3mm，掺杂浓度为5at.％,垂直于泵浦光放置；
第一凹面镜面向泵浦源的一面镀有对970-980nm增透的介质膜，另一面同时镀有对970-980nm增透的介质膜和对1020-1100nm高反的介质膜；
第二凹面镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm高反的介质膜；
第三凹面镜的曲率半径为300mm；
第三凹面镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm高反的介质膜；
半导体可饱和吸收镜(SESAM)调制深度为0.4％，饱和通量为90μJ/cm2，弛豫时间小于500fs，中心波长为1064nm；
色散补偿镜提供的反常色散值为-800fs2；
输出镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm透过率为0.4％的介质膜，另一面镀有对1020-1100nm增透的介质膜。
如图1所示，本发明的工作原理：从泵浦源1发出的976nm泵浦激光经过第一凹面镜3后入射到Yb:GSO晶体4上，振荡产生的1.05um增益激光入射到第二凹面镜5，并被第二凹面镜5和第三凹面镜6依次反射，入射到半导体可饱和吸收镜7上，半导体可饱和吸收镜7将激光原路返回，到达第一凹面镜3，并被第一凹面镜1和色散补偿镜2依次反射，最终入射到输出镜8，透过输出镜8后输出脉冲宽度为72fs的高光束质量的锁模激光脉冲。
本发明的实施例中，输出镜和半导体可饱和吸收镜构成了谐振腔的两个端镜，对应于重复频率为113.29MHz；得到稳定连续锁模最大平均输出功率为82mW；利用商用的强度自相关仪测得的脉冲自相关信号如图2所示。假设脉冲形状为双曲正割型，其脉冲宽度为72fs，利用光谱仪测得的光谱如图3所示.其中心波长为1050nm，光谱半高宽为17.8nm。
利用商用的频谱分析仪测得的锁模频谱图如图4所示。其中4(a)的分辨率为1kHz，频率范围为250kHz；图4(b)的分辨率为100kHz，频率范围为1GHz。频谱仪测量的结果很好的表明本实施例提供的激光器具有很好的稳定性。
本发明采用的对称共焦式的谐振腔结构，并采用紧聚焦的腔型设计，能够减小振荡激光在Yb:GSO晶体中心上的束腰大小，增加了腔内的功率密度。本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧，不仅具有很好的稳定性而且可以自启动，适用于重复生产和组装，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，高稳定性以及自启动等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗及科研领域，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 (9)

1.一种基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，该基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器包括：泵浦源、色散补偿镜、第一凹面镜、Yb:GSO晶体、第二凹面镜、第三凹面镜、半导体可饱和吸收镜、输出镜；
泵浦源，用于输出976nm激光，泵浦Yb:GSO晶体以实现粒子数反转,并通过一个1:0.8的耦合系统聚焦在Yb:GSO晶体上；
Yb:GSO晶体，作为激光增益介质，用于提供激光谐振腔腔内的增益，晶体置于距离1:0.8的耦合系统前50mm；
色散补偿镜，用于补偿腔内正常色散，距离第二个凹面镜237mm；
第一凹面镜，第二凹面镜、第三凹面镜，用于提高激光谐振腔腔内晶体与半导体可饱和吸收镜位置的功率密度，第一个凹面镜距离晶体36mm，第二个凹面镜距离晶体40mm，第三个凹面镜距离第一个凹面镜310mm；
半导体可饱和吸收镜，用于启动并维持被动锁模运转距离第三个凹面镜150mm；
输出镜，用于输出飞秒脉冲，距离色散补偿镜230mm；
该基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器的光路为：从泵浦源发出的976nm泵浦激光经过第一凹面镜后入射到Yb:GSO晶体上，振荡产生的1.05um增益激光入射到第二凹面镜，并被第二凹面镜和第三凹面镜依次反射，入射到半导体可饱和吸收镜上，半导体可饱和吸收镜将激光原路返回，到达第一凹面镜，并被第一凹面镜和色散补偿镜依次反射，最终入射到输出镜，透过输出镜后输出脉冲宽度为72fs的高光束质量的锁模激光脉冲。
2.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，输出镜输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为72fs，最大平均功率为82mW，重复频率为113.29MHz，中心波长为1050nm，光谱半高宽为17.8nm。
3.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，泵浦源为光纤耦合输出的LD半导体激光器，LD的光纤芯径为100um，数值孔径为0.22。
4.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，第一凹明镜和第二凹面镜的曲率半径为75mm，第二凹面镜安装在可调节的光学平移台上。
5.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，Yb:GSO晶体被置于水冷铜块上，水冷铜块的表面温度维持在10摄氏度。
6.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，Yb:GSO晶体的尺寸为3mm x3mm x3mm，掺杂浓度为5at.％，垂直于泵浦光放置。
7.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，第一凹面镜面向泵浦源的一面镀有对970-980nm增透的介质膜，另一面同时镀有对970-980nm增透的介质膜和对1020-1100nm高反的介质膜；
第二凹面镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm高反的介质膜；
第三凹面镜的曲率半径为300mm；
第三凹面镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm高反的介质膜。
8.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，半导体可饱和吸收镜调制深度为0.4％，饱和通量为90J/cm2，弛豫时间小于500fs，中心波长为1064nm。
9.如权利要求1所述的基于Yb:GSO激光晶体的亚百飞秒锁模激光器，其特征在于，色散补偿镜提供的反常色散值为-800fs2；输出镜朝向谐振腔内的一面镀有对1020-1100nm透过率为0.4％的介质膜，另一面镀有对1020-1100nm增透的介质膜。
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