CN104009389B - 飞秒锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞秒锁模激光器及Nd,Y:SrF2材料在激光器中的应用。该激光器用于输出经锁模的激光，包括：具有聚焦系统的泵浦源，用于提供泵浦激光并将泵浦激光聚焦到激光晶体上；激光晶体，用作增益介质；由多个光学元件构成的光学系统，包括用于形成激光的往返光路的谐振腔，激光晶体设置在往返光路中；其中，激光晶体由Nd,Y:SrF2材料形成。采用Nd,Y:SrF2作为激光晶体并应用到激光器锁模中，得到了满足高效、低能耗的亚百飞秒激光需要的飞秒锁模激光器，在实现脉冲宽度小于100fs的同时，在1W泵浦功率下，输出功率达到100mW，较好地解决了掺钕玻璃激光器中存在的输出功率不足及热稳定性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器技术领域，特别是涉及一种飞秒锁模激光器及Nd,Y:SrF2材料在激光器中的应用。
背景技术
LD(Laser Diode，激光二极管)泵浦全固态激光器集二极管激光器和固体激光器的优点于一身，且弥补了两者的不足，使得LD泵浦的全固态激光器优于灯泵固态激光器和二极管激光器本身，具有以下优点，如总体效率高；稳定性好；光束质量高、发散角小，具有高的空间相干性；结构紧凑、小型化；可靠性高、寿命长；易实现单频运转；峰值功率高；波长覆盖范围宽等，因此其各项性能指标以及在实现产业化等方面都取得了很大的进步。
1981年，美国贝尔实验室成功研制出碰撞锁模染料激光器，实现了飞秒(fs，10- 15s)量级的激光输出，其极短的脉冲宽度和极高的峰值功率使得飞秒超快激光技术成为激光研究领域的一大热点。飞秒激光在工业加工、医疗、科研和国防等领域有着重要的应用。1μm附近的小于100fs的激光脉冲具有独特的应用优势，可以应用在光学相干断层成像技术、非线性显微技术、太赫兹光源的产生和辐射以及化学生物学中的“泵浦-探测”技术等方面。因此追求更短的脉冲宽度一直是人们努力追求的目标。
Nd掺杂的激光材料是一种用于产生1μm波段超快激光的重要介质。这一类激光材料通常具有发射截面大和上能级寿命长等优点，保证了基于这类材料的激光具有高效率和高功率。高效的四能级系统使得Nd增益介质容易实现粒子数反转和激光辐射，从而相比于准三能级系统的激光器，Nd激光器可以具有更低的阈值，更低的能耗。
目前，已经有一些关于Nd超快激光器的报导，报导的激光器具有高的效率和高的输出功率，但是它们的脉冲宽度却在皮秒量级，因为所用的Nd掺杂的材料荧光发射光谱很窄，从傅里叶变换极限来说，不足以支持更短的飞秒脉冲的产生。
Nd:glass(钕玻璃)激光材料是目前唯一能获得脉冲宽度小于100fs的Nd 掺杂的增益介质，输出的最短脉冲可以达到60fs，但是输出功率不足100mW。并且钕玻璃具有热导性差的缺点，带来一些稳定性差的问题。
因此，如何在满足高效、低能耗的亚百飞秒激光的需要以及解决钕玻璃飞秒锁模激光器中存在的缺点，成为目前亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种飞秒锁模激光器及Nd,Y:SrF2材料在激光器中的应用，首次在掺杂Nd离子的激光晶体上实现了脉宽小于100fs的飞秒锁模并且在1W功率泵浦下具有高的输出功率。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种飞秒锁模激光器，用于输出经锁模的激光，包括：具有聚焦系统的泵浦源，用于提供泵浦激光并将泵浦激光聚焦到激光晶体上；激光晶体，用作增益介质；由多个光学元件构成的光学系统，包括用于形成激光的往返光路的谐振腔，激光晶体设置在往返光路中；其中，激光晶体由Nd,Y:SrF2材料形成。
进一步地，谐振腔具有设置在往返光路的第一端部处用于反射激光的第一端镜，以及设置在往返光路的第二端部处用作输出镜的第二端镜，用于部分反射和部分透射激光；谐振腔还具有沿往返光路设置在第一端镜和第二端镜之间的第一凹面镜、第二凹面镜和第三凹面镜；并且布置成使得具有聚焦系统的泵浦源发出的泵浦激光经过第一凹面镜后入射到激光晶体上，经振荡产生的激光先入射到第二凹面镜上，并被第二凹面镜和第三凹面镜依次反射，然后入射到第一端镜上；第一端镜将激光原路返回，到达第一凹面镜，并被第一凹面镜依次反射，最终入射到第二端镜上，透过第二端镜输出经锁模的激光。
进一步地，第一凹面镜的曲率半径为120mm，第二凹面镜的曲率半径为150mm，第三凹面镜的曲率半径为300mm。
进一步地，谐振腔还具有设置在往返光路中用于色散补偿的GTI镜，GTI镜布置成将来自第二凹面镜和第三凹面镜中一个的激光反射至另一个；优选地，GTI镜提供的反常色散值为-1000fs2～-250fs2，最优选地GTI镜提供的反常色散值为-750fs2。
进一步地，第一端镜为半导体可饱和吸收镜，用于形成飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器的稳定锁模。
进一步地，激光晶体中Nd原子的掺杂浓度为0.2％～1.5％，Y原子的掺杂浓度为2％～15％；优选地，激光晶体中Nd原子的掺杂浓度为0.4％；Y原子 的掺杂浓度为10％。
进一步地，激光晶体为长方体；激光晶体的尺寸为3mm×3mm×6mm。
进一步地，第一端镜的调制深度为0.4％，非饱和吸收损耗为0.7％，饱和通量为90μJ/cm2，弛豫时间为500fs，中心波长为1064nm。
进一步地，第二端镜面向谐振腔内的一面镀有在增益激光处输出耦合率为0.3％～1.6％的介质膜，优选地，介质膜的输出耦合率为0.3％；第二端镜背向谐振腔内的一面镀有促进增益激光透射的增透介质膜。
根据本发明的另一个方面，提供了一种Nd,Y:SrF2材料作为激光晶体在激光器中的应用。
根据本发明的又一方面，提供了一种激光器，具有用作增益介质的激光晶体，该激光晶体由Nd,Y:SrF2材料形成。
应用本发明的技术方案，通过采用Nd,Y:SrF2(钕钇共掺氟化锶)作为激光晶体并应用到激光器锁模中，得到了一种能够满足高效、低能耗的亚百飞秒激光需要的新型飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器，该飞秒锁模激光器能够在实现脉冲宽度小于100fs，在1W泵浦功率下，可使得输出功率达到100mW，较好地解决了现有掺钕玻璃飞秒锁模激光器中所存在的输出功率不足的问题。此外，本发明所提供的飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器具有较好的热导性和稳定性。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为根据本发明一种典型实施例的飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器的光路结构示意图；
图2为根据本发明一种典型实施例的飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器得到的锁模输出的脉冲信号的示意图；
图3为根据本发明一种典型实施例的飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号的示意图；以及
图4为根据本发明一种典型实施例的飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器用光谱仪测得的输出光谱信号的示意图。
具体实施方式
为了解决现有技术中采用Nd:glass(钕玻璃)激光材料作为增益介质时，在获得小于100fs的脉冲宽度时输出功率较低的问题，本发明提出了一种飞秒锁模激光器，用于输出经锁模的激光。该飞秒锁模激光器包括具有聚焦系统的泵浦源10、激光晶体20以及由多个光学元件构成的光学系统。其中，具有聚焦系统的泵浦源10用于提供泵浦激光并将泵浦激光聚焦到激光晶体20上。光学系统包括用于形成激光的往返光路的谐振腔，由Nd,Y:SrF2材料形成的激光晶体20用作增益介质，其被设置在往返光路中。
本发明是针对高效、低能耗的亚百飞秒激光的需要以及钕玻璃飞秒锁模激光器中存在的缺点，首次提出的一种采用新的Nd,Y:SrF2(钕钇共掺氟化锶)激光晶体来实现脉冲宽度小于100fs的锁模激光器，在1W泵浦功率下，输出功率可以达到100mW。
如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，谐振腔具有设置在往返光路的第一端部处用于反射激光的第一端镜30，以及设置在往返光路的第二端部处用作输出镜的第二端镜40。其中，第一端镜30为半导体可饱和吸收镜，用于形成飞秒锁模Nd,Y:SrF2激光器的稳定锁模。第二端镜40为平面镜，其除了具有输出少量透过光的作用外，还可以将增益激光不停地反射回谐振腔，即用于部分反射和部分透射激光。
优选地，谐振腔还具有沿往返光路设置在第一端镜30和第二端镜40之间的第一凹面镜50、第二凹面镜60和第三凹面镜70。该三个凹面镜布置成使得具有聚焦系统的泵浦源10发出的泵浦激光经过第一凹面镜50后入射到激光晶体20上，经振荡产生的激光先入射到第二凹面镜60上，并被第二凹面镜60和第三凹面镜70依次反射，然后入射到第一端镜30上；第一端镜30将激光原路返回，到达第一凹面镜50，并被第一凹面镜50依次反射，最终入射到第二端镜40上，透过第二端镜40输出经锁模的激光。
在本发明的一个典型实施例中，第二端镜40面向谐振腔内的一面镀有在增益激光处输出耦合率为0.3％的介质膜。本发明创造性地采用输出耦合率为0.3％的介质膜，得到小透射率的输出镜，能够减小增益激光的透过率，避免增益激光光谱成份的损耗，使得增益激光能够在谐振腔内多次反射振荡，进而增强谐振腔内的功率密度，同时增加了自相位调制效应，从而产生多的光谱成份以支持亚百飞秒脉冲，加上精确的色散控制，可使得最终能够获得小于100fs的脉冲。
同时考虑到第二端镜40的前表面对增益激光的透过率较低，后表面的反射对输出功率影响较大，优选地，还在第二端镜40上背向谐振腔内的一面还镀有促进增益激光透射的增透介质膜。通过镀增透介质膜，降低了第二端镜40对输出激光的损耗。
在本发明的一个典型实施例中，谐振腔还具有设置在往返光路中用于色散补偿的GTI镜80。该GTI镜80布置成将来自第二凹面镜60和第三凹面镜70中一个的激光反射至另一个。GTI镜80用于补偿腔内空气、Nd,Y:SrF2激光晶体20以及第一端镜即SESAM30所引入的正常色散。如果没有GTI镜80的补偿，则会使得谐振腔内存在净的正色散，无法较好地甚至不能够实现本发明的目的。相比于传统的棱镜，本发明采用GTI镜80进行色散补偿，其方便简单且占地空间小，可以使整个振荡器的结构更为紧凑。
优选地，GTI镜80提供的反常色散值为-1000fs2～-250fs2。该反常色散值的范围主要是根据腔内的正色散量来确定。如果反常色散值低于-1000fs2，则会出现腔内负色散过多的问题，无法实现最短脉冲输出；相反，如果反常色散值高于-250fs2，则会出现腔内为净的正色散，容易导致皮秒脉冲锁模的问题。最优选地，GTI镜80提供的反常色散值为-750fs2，此时能够达到最佳的补偿效果。
如图1所示，具体地，从具有聚焦系统的泵浦源10发出的795.5nm的泵浦激光穿过第一凹面镜50后入射到Nd,Y:SrF2激光晶体20上，由Nd,Y:SrF2激光晶体20产生的1.06μm增益激光入射到第二凹面镜60上后并被第二凹面镜60反射到GTI镜80，然后被GTI镜80反射到第三凹面镜70，再被反射到第一端镜30即半导体可饱和吸收镜(SESAM)上。第一端镜30将激光原路返回，到达第一凹面镜50，并被第一凹面镜50反射到输出镜40，起振后通过输出镜40输出激光。通过调节第一端镜30的位置和角度可以启动锁模，使得输出激光为飞秒脉冲。透过输出镜80直接输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为可达85fs，最大平均输出功率可达106mW，重复频率为102MHz，中心波长为1060nm，光谱半高宽为14.3nm。
在本发明的一个优选实施例中，具有聚焦系统的泵浦源10为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出波长为795.5nm的泵浦激光。其中，具有聚焦系统的泵浦源10的最大输出功率为1.5W，光纤的纤芯直径为75μm。光纤输出后经1:2的光学耦合系统聚焦，聚焦后的光斑直径约为150μm，焦距为95mm。优选地，Nd,Y:SrF2激光晶体20垂直于泵浦激光方向放置。
本发明对Nd,Y:SrF2激光晶体20的形状没有特殊限制，只要能够满足足够的增益长度(6mm)即可。如可以为圆柱体、长方体、正方体等。在一个优选实施例中，Nd,Y:SrF2激光晶体20为长方体，尺寸为3mm×3mm×6mm。
考虑到激光增益的问题，在本发明的一个优选实施例中，激光晶体20中Nd原子的掺杂浓度为0.2％～1.5％，Y原子的掺杂浓度为2％～15％。如果Nd原子和Y原子的掺杂浓度较高，会导致Nd,Y:SrF2激光晶体20的热导率下降，进而出现由热引起的不稳定性；相反，如果Nd原子的掺杂浓度低于0.2％，会导致反转粒子数降低，不利于能量的储存，从而导致整个飞秒锁模激光器的增益效率下降。如果Y原子的掺杂浓度低于2％，会导致晶体内的Nd离子产生较强的聚集效应，从而降低Nd离子的量子效率，最终导致整个飞秒锁模激光器的转化效率和输出功率下降。最优选地，激光晶体20中Nd原子的掺杂浓度为0.4％，Y原子的掺杂浓度为10％。
为了提高泵浦效率以及减小谐振腔的损耗，优选地，Nd,Y:SrF2激光晶体20上面向第一凹面镜30的侧面与面向第二凹面镜40的侧面上依次镀有促进泵浦激光透射的增透介质膜和促进增益激光透射的增透介质膜。一般泵浦激光的波长为790～800nm，增益激光的波长为1000～1100nm。在Nd,Y:SrF2激光晶体20上未镀增透介质膜和增反介质膜的侧面上，包覆有铟铂层。通过设置铟铂层可有助于提高晶体的散热能力，进而使晶体表面温度保持恒定。将设置有介质膜和铟铂层的Nd,Y:SrF2激光晶体20固定在水冷铜块上，水冷铜块设置在可调节的光学平移台上紫铜的水冷架上。制冷且循环流通的蒸馏水保证Nd,Y:SrF2激光晶体20的表面温度维持在12℃，避免由于热积累导致输出激光的稳定性变差。
在本发明的一个优选实施例中，第一凹面镜50的曲率半径为120mm，第二凹面镜60的曲率半径为150mm。曲率半径的大小主要影响到Nd,Y:SrF2激光晶体20中心聚集光斑大小，进而影响输出锁模激光的效率和脉冲宽度。本发明将第一凹面镜50和第二凹面镜60的曲率半径限定为上述值，可使得辐射激光束腰与泵浦激光束腰良好匹配，从而得到了更短的脉冲宽度及更高的输出功率。
在本发明的一个优选实施例中，第三凹面镜70的曲率半径为300mm。第三凹面镜70的作用主要是将增益激光聚焦到第一端镜30上，其曲率半径的大小主要影响到第一端镜30上光斑的大小。将第三凹面镜70的曲率半径限定为300nm，可以保证锁模的稳定性和对调Q现象的抑制。第二凹面镜60和第三 凹面镜70朝向谐振腔的一面均镀有促进增益激光反射的增反介质膜。
在本发明的一个具体实施例中，第一凹面镜50面向泵浦源10的一面镀有促进泵浦激光透射的增透介质膜。第一凹面镜50背向泵浦源10的一面依次镀有促进泵浦激光透射的增透介质膜以及促进增益激光反射的增反介质膜。
在本发明的一个优选实施例中，为了方便调节第一端镜30的位置，优选地，将第一端镜30设置在可调节的光学平移台上。这样可以根据需要对第一端镜30的位置进行调节，进而调节光斑大小。
在本发明的一个最佳实施例中，第一端镜30的调制深度为0.4％，非饱和吸收损耗为0.7％，饱和通量为90μJ/cm2，弛豫时间为500fs。
在本发明的一个具体实施例中，第一端镜30和用于输出激光的第二端镜40构成了谐振腔的两个端镜，整个谐振腔的长度为1.47m，对应于重复频率为102MHz。
本发明除了提供上述的飞秒锁模激光器外，还提供了一种Nd,Y:SrF2材料作为激光晶体在激光器中的应用。同时也提供了一种激光器，其具有用作增益介质的激光晶体，该激光晶体由Nd,Y:SrF2材料形成。
本发明的最佳实施中提供的激光器得到的平均输出功率达106mW，该锁模具有自启动特性，用快速光电二极管及采样频率为500MHz的示波器检测到的腔内锁模脉冲序列如图2所示。从图2中可以看出锁模处于稳定的连续状态。
图3为采用型号为FR-103MN的强度自相关仪测得的脉冲自相关信号。从图3中可以看出，在双曲脉正割型脉冲假设下，对应的脉冲宽度为85fs，可见，采用本发明所提供的激光器能够达到较短的脉冲输出。
图4为采用YOKOGAWA生产的型号为AQ6370C的光谱仪在分辨率为2nm下测得的光谱图，从图4中可以看出，其量程范围为1020nm～1100nm，中心波长为1060nm，光谱半高宽为14.3nm。
可见，本发明具有很好的实用性和可操作性，不仅结构紧凑小巧，同时具有成本低、脉冲宽度窄、光光转换效率高以及能耗低等特点，可广泛应用于国防、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种飞秒锁模激光器，用于输出经锁模的激光，包括：
具有聚焦系统的泵浦源(10)，用于提供泵浦激光并将所述泵浦激光聚焦到激光晶体(20)上；
激光晶体(20)，用作增益介质；
由多个光学元件构成的光学系统，包括用于形成所述激光的往返光路的谐振腔，所述激光晶体(20)设置在所述往返光路中；
其中，所述激光晶体(20)由Nd,Y:SrF2材料形成；
所述谐振腔具有设置在所述往返光路的第一端部处用于反射所述激光的第一端镜(30)，以及
设置在所述往返光路的第二端部处用作输出镜的第二端镜(40)，用于部分反射和部分透射所述激光；
所述第二端镜(40)面向谐振腔内的一面镀有在增益激光处输出耦合率为0.3％的介质膜，所述第二端镜(40)背向谐振腔内的一面还镀有促进增益激光透射的增透介质膜；所述谐振腔还具有沿所述往返光路设置在所述第一端镜(30)和所述第二端镜(40)之间的第一凹面镜(50)、第二凹面镜(60)和第三凹面镜(70)；并且布置成使得所述具有聚焦系统的泵浦源(10)发出的所述泵浦激光经过所述第一凹面镜(50)后入射到所述激光晶体(20)上，经振荡产生的激光先入射到所述第二凹面镜(60)上，并被所述第二凹面镜(60)和所述第三凹面镜(70)依次反射，然后入射到所述第一端镜(30)上；所述第一端镜(30)将激光原路返回，到达所述第一凹面镜(50)，并被所述第一凹面镜(50)依次反射，最终入射到所述第二端镜(40)上，透过所述第二端镜(40)输出经锁模的所述激光；
所述激光晶体(20)上面向所述第一端镜(30)的侧面与面向所述第二端镜(40)的侧面上依次镀有促进泵浦激光透射的增透介质膜和促进增益激光透射的增透介质膜；所述激光晶体(20)上未镀增透介质膜的侧面上，包覆有铟铂层。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一凹面镜(50)的曲率半径为120mm，所述第二凹面镜(60)的曲率半径为150mm，所述第三凹面镜(70)的曲率半径为300mm。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的激光器，其特征在于，所述谐振腔还具有设置在所述往返光路中用于色散补偿的GTI镜(80)，所述GTI镜(80)布置成将来自所述第二凹面镜(60)和所述第三凹面镜(70)中一个的激光反射至另一个。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述GTI镜(80)提供的反常色散值为-1000fs2～-250fs2。
5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述GTI镜(80)提供的反常色散值为-750fs2。
6.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述第一端镜(30)为半导体可饱和吸收镜，用于形成所述飞秒锁模激光器的稳定锁模。
7.根据权利要求1-2、4-6中任一项所述的激光器，其特征在于，
所述激光晶体(20)中Nd原子的掺杂浓度为0.2％～1.5％，Y原子的掺杂浓度为2％～15％。
8.根据权利要求7所述的激光器，所述激光晶体(20)中Nd原子的掺杂浓度为0.4％，Y原子的掺杂浓度为10％。
9.根据权利要求1-2、4-6中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光晶体(20)为长方体；所述激光晶体(20)的尺寸为3mm×3mm×6mm。
10.根据权利要求1-2、4-6中任一项所述的激光器，其特征在于，
所述第一端镜(30)的调制深度为0.4％，非饱和吸收损耗为0.7％，饱和通量为90μJ/cm2，弛豫时间为500fs，中心波长为1064nm。
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| Pulsed and continuous-wave laser operation of TGT-grown Nd,Y-codoped:SrF2 single crystal;Michal Jelinek et al.;《Laser Physics Letters》;20140314;第11卷;第2页左栏倒数第1段-右栏第1段,第3页右栏倒数第1段,第4页右栏第1段、图3 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104009389A (zh) | 2014-08-27 |
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