CN104064947A - 一种全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，利用全固态锁模飞秒Yb激光器输出功率大、结构紧凑、成本低的优点，结合同步泵浦飞秒光学参量振荡技术，实现了信号光波长在1.4-1.8μm以及空闲光波长在2.5-4.2μm连续可调谐的相干飞秒近-中红外激光；与传统的基于锁模钛宝石激光器泵浦的飞秒光学参量振荡器相比，本发明提供的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器具有结构简单、性能稳定、输出功率高、价格低廉的优势。

Description

一种全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，尤其涉及一种全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器。

背景技术

飞秒激光脉冲的产生经历几十年的研究，人们已经成功地利用克尔透镜锁模(KLM)、SESAM被动锁模等原理在许多种增益介质中获得从可见光到2μm左右的近红外飞秒脉冲。相对于利用粒子数反转提供激光增益的激光器而言，飞秒光参量振荡器(OPO)利用在非线性光学介质中(如BBO，KTP以及周期极化铌酸锂等)泵浦光、信号光以及空闲光能量相互耦合的原理来产生超短激光脉冲，从而具有独特的优势：首先，采用同步泵浦方式抽运的飞秒OPO，利用同一种晶体、同一飞秒泵浦源，可以同时产生多种波长的飞秒脉冲输出；其次，飞秒OPO具有从可见光到中红外的调谐范围，大大扩展了基于锁模原理的激光器的输出波长范围，并且其波长是可连续调谐的；此外，由于参量互作用有很宽的参量带宽，不受限于原子或分子的能级带宽，从理论上可以获得比泵浦光更窄的脉冲输出。

随着钛宝石KLM锁模技术的成熟，以飞秒钛宝石振荡器为泵浦源的飞秒OPO得到了飞速的发展，国内外相继报道了利用不同增益介质、基频和倍频钛宝石泵浦的飞秒OPO。国内首次利用飞秒钛宝石振荡器实现同步泵浦的飞秒OPO是在2007年，随后又相继实现了大功率钛宝石泵浦的双波长飞秒OPO和腔内倍频飞秒OPO。

虽然利用钛宝石激光器泵浦飞秒OPO具有工作稳定、光束质量好等优点，但是由于钛宝石振荡器需要价格昂贵的532nm激光器作为泵浦源，因此整套系统成本非常之高，限制了在许多大众化行业的研究和应用。因此发展价格低廉的激光二极管泵浦的全固态锁模飞秒Yb激光器作为飞秒OPO的泵浦源，一方面可以极大地节省成本，另一方面飞秒Yb激光器可以输出更高的平均功率，从而能够获得更高功率的可调谐近-中红外激光。因此建立一种利用全固态锁模飞秒Yb激光器作为泵浦源的同步泵浦飞秒光学参量振荡器具有重要的意义和价值。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，旨在解决现有的飞秒光学参量振荡器存在的价格较高，输出功率低的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，该全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器包括：全固态飞秒锁模Yb激光器、隔离器、半波片、聚焦透镜、PPLN晶体、第一凹面镜、第二凹面镜、GTI反射镜、平面反射镜、输出镜；

全固态飞秒锁模Yb激光器，输出波长在1μm附近的飞秒锁模激光脉冲，用于泵浦PPLN晶体产生飞秒OPO；

隔离器，泵浦激光通过光隔离器，用于避免返回激光干扰Yb振荡器锁模状态；

半波片，泵浦激光经过隔离器后通过半波片，用于调整泵浦激光的偏振方向；

聚焦透镜，泵浦激光经过隔离器和半波片后通过聚焦透镜，用于将泵浦激光聚焦到PPLN晶体上；

PPLN晶体，用于产生光学参量振荡的非线性晶体，放置于聚焦透镜的焦点以及第一凹面镜和第二凹面镜的焦点；

第一凹面镜和第二凹面镜，用于形成共焦谐振腔结构；

GTI反射镜，接收第二凹面镜反射的参量信号光，用于提供负色散，补偿信号光在参量谐振腔内产生的正色散，并将信号光反射到平面反射镜上；

平面反射镜，接收GTI反射镜反射的参量信号光，按原路返回反射参量信号光，用于构成参量谐振腔的一个端镜；

输出镜，从第一凹面镜反射的参量信号光到达输出镜，按原路返回反射参量信号光，用于构成参量谐振腔的另一个端镜并输出一部分信号光。

进一步，泵浦激光采用LD泵浦的Yb掺杂增益介质的半导体可饱和吸收镜被动锁模飞秒振荡器，中心波长在1052nm，泵浦激光的平均输出功率为600mW，脉冲宽度为100fs、重复频率为76MHz。

进一步，泵浦激光通过一个光隔离器，防止返回激光干扰Yb振荡器的锁模状态。

进一步，泵浦激光经半波片调整偏振方向后，经一枚两面对泵浦激光高透的聚焦透镜聚焦到PPLN晶体上。

进一步，产生参量激光的非线性晶体是掺杂5％MgO的PPLN晶体，PPLN晶体放置于聚焦透镜的焦点。

进一步，第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦共焦谐振腔结构，PPLN晶体放置于两凹面镜的焦点。

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信号光高反介质膜。

进一步，第二凹面镜面向PPLN晶体的一端镀有对泵浦激光高透介质膜以及对信号光高反介质膜，另一面镀有对泵浦激光高透的介质膜。

进一步，GTI反射镜在参量谐振腔内提供负色散，补偿信号光的正色散。

进一步，平面反射镜面向参量谐振腔的一面镀有对信号光高反介质膜，另一面未镀膜。

进一步，输出镜面向谐振腔内的一面镀有在信号光波段具有一定输出耦合率的介质膜，另一面镀有信号光波段的增透介质膜。

本发明提供的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，利用全固态锁模飞秒Yb激光器输出功率大、结构紧凑、成本低的优点，泵浦PPLN晶体，在PPLN晶体中形成参量增益，在满足非线性参量相位匹配、泵浦谐振腔和参量谐振腔腔长匹配以及达到参量振荡的阈值条件情况下，参量信号光即可在参量谐振腔内形成振荡，并可以实现参量输出。实现了信号光波长在1.4-1.8μm以及空闲光波长在2.5-4.2μm连续可调谐的相干飞秒近-中红外激光。与传统的基于锁模钛宝石激光器泵浦的飞秒光学参量振荡器相比，本发明提供的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器具有结构简单、性能稳定、输出功率高、价格低廉的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的信号光波长调谐的示意图；

图3是本发明实施例提供的信号光功率与波长的关系示意图；

图4是本发明实施例提供的采用强度自相关仪测得的输出信号光脉冲宽度的示意图；

图中：1、全固态飞秒锁模Yb激光器；2、隔离器；3、半波片；4、聚焦透镜；5、第一凹面镜；6、PPLN晶体；7、第二凹面镜；8、GTI反射镜；9、平面反射镜；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，本发明实施例的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器主要由：全固态飞秒锁模Yb激光器1、隔离器2、半波片3、聚焦透镜4、第一凹面镜5、PPLN晶体6、第二凹面镜7、GTI反射镜8、平面反射镜9和输出镜10组成；

在本发明的实施例中，全固态飞秒锁模Yb激光器1，为一台LD泵浦的Yb掺杂增益介质的半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模飞秒振荡器，中心波长在1052nm，根据Yb增益介质的不同，中心波长有所不同，泵浦激光的平均输出功率为600mW，脉冲宽度为100fs、重复频率为76MHz。

隔离器2，用于隔离从参量振荡器返回的部分锁模激光，避免返回激光干扰Yb振荡器锁模状态；

半波片3，用于调整锁模泵浦激光的偏振状态，以实现泵浦光、信号光与空闲光的相位匹配；

聚焦透镜4，用于将锁模泵浦激光聚焦到PPLN晶体上，透镜两面镀对泵浦激光波长增透膜，焦距为100mm或75mm，相应地PPLN晶体距聚焦透镜的距离100mm或75mm；

第一凹面镜5和第二凹面镜7，用于形成共焦的紧聚焦腔型，使得PPLN晶体上的信号光束腰尺寸与泵浦光的束腰尺寸相匹配，实现高的参量转换效率。两凹面镜均镀1000-1100nm的增透膜(R<3％)以及对1400-1800nm(R>99.8％)的高反膜，曲率半径为R＝100mm；

PPLN晶体6，为掺杂5％MgO的周期极化铌酸锂晶体，晶体通光截面为1mm×6mm，通光长度为1mm，晶体上面有五个极化周期，分别为29/29.5/30/30.5/31μm，每个极化周期的长度为1mm、两个极化周期之间的间隔为0.2mm，晶体两端各有0.1mm的未极化区。晶体两通光面分别镀有对1000-1100nm(R<1％)/1400-1900nm(R<1％)/2300-4000nm(R<10％)的增透膜。晶体放置在一个五维平移台上，位于两凹面镜的焦点处，可以通过微调五维平移台的方位角和XYZ位置，实现高效率参量振荡和波长调谐；

GTI反射镜8，用于提供腔内信号光波长的负色散，根据实际实验选择不同的色散量，以实现接近傅里叶变换极限的信号光脉冲宽度；

平面反射镜9，1410-1830nm处的反射率大于99.9％，放置在一个一维精密平移台上面，可以精密改变参量谐振腔的腔长，实现与Yb谐振腔的腔长匹配；

输出镜10,1220-1750nm处的输出率为2％，用于输出信号光。

本发明的具体实施例：

在图1中，全固态飞秒锁模Yb激光器1，用于产生飞秒脉冲宽度的泵浦激光，通过光学隔离器2和半波片3后，经聚焦透镜4聚焦进入PPLN晶体6中。第一凹面镜5、第二凹面镜7、GTI反射镜8、平面反射镜9和输出镜10构成参量振荡谐振腔，其中第一凹面镜5和第二凹面镜7形成共焦的紧聚焦腔型，使得PPLN晶体上的信号光束腰尺寸与泵浦光的束腰尺寸相匹配，GTI反射镜8提供负色散，平面反射镜9原路返回信号光并可以实现参量谐振腔的腔长调谐，输出镜10输出信号光；在满足相位匹配、腔长匹配、稳定腔条件和达到信号光振荡阈值的条件下，该光学参量振荡器可以实现稳定工作，信号光在参量谐振腔内往返传播，并每次到达输出镜时耦合输出一部分信号光能量。同时，产生波长在2.5-4.2μm的空闲光，经由第二凹面镜7透过输出，可以利用Ge滤光片分开剩余泵浦光和空闲光。根据同步泵浦的飞秒OPO的物理原理，可以通过以下方法调谐信号光和空闲光的波长：1、改变泵浦光的波长；2、改变PPLN晶体的极化周期；3、改变PPLN晶体的温度；4、改变OPO谐振腔的腔长。通过以上步骤，可以实现信号光运转在1.4-1.8μm、空闲光在2.5-4.2μm连续可调谐的相干飞秒近-中红外激光。

根据本发明的具体实施例，全固态飞秒锁模Yb激光器的激光增益介质是Yb:YCOB晶体，输出平均功率为600mW，脉冲宽度为100fs，中心波长为1052nm，重复频率为76MHz。

根据本发明的具体实施例，通过调节OPO谐振腔的腔长，得到了信号光1446-1700nm的调谐范围，1700nm以上的调谐范围受限于光谱仪，没有测量。光谱调谐曲线如图2所示。输出功率随信号光波长不同在10-140mW之间，如图3所示。利用-500fs²色散量的GTI反射镜补偿色散，得到的信号光的典型脉冲宽度为465fs，如图4所示，波长在1511nm。

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)

1.一种全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，该全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器包括：全固态飞秒锁模Yb激光器、隔离器、半波片、聚焦透镜、PPLN晶体、第一凹面镜、第二凹面镜、GTI反射镜、平面反射镜、输出镜；

全固态飞秒锁模Yb激光器，输出波长在1μm附近的飞秒锁模激光脉冲，用于泵浦PPLN晶体产生飞秒光学参量振荡；

隔离器，接收全固态飞秒锁模Yb激光器发射的泵浦激光，用于避免返回激光干扰Yb振荡器锁模状态；

半波片，接收透过隔离器的泵浦激光，用于调整泵浦激光的偏振方向；

聚焦透镜，接收透过隔离器和半波片的泵浦激光，用于将泵浦激光聚焦到PPLN晶体上；

PPLN晶体，用于产生光学参量振荡的非线性晶体，放置于聚焦透镜的焦点以及第一凹面镜和第二凹面镜的焦点；

第一凹面镜和第二凹面镜，用于形成共焦谐振腔结构；

GTI反射镜，接收第二凹面镜反射的参量信号光，用于提供负色散，补偿信号光在参量谐振腔内产生的正色散，并将信号光反射到平面反射镜上；

平面反射镜，接收GTI反射镜反射的参量信号光，按原路返回反射参量信号光，用于构成参量谐振腔的一个端镜；

输出镜，从第一凹面镜反射的参量信号光到达输出镜，按原路返回反射参量信号光，用于构成参量谐振腔的另一个端镜并输出一部分信号光。

2.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，泵浦激光采用LD泵浦的Yb掺杂增益介质的半导体可饱和吸收镜被动锁模飞秒振荡器，中心波长在1052nm，泵浦激光的平均输出功率为600mW，脉冲宽度为100fs、重复频率为76MHz。

3.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，泵浦激光通过一个光隔离器，防止返回激光干扰Yb振荡器的锁模状态。

4.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，泵浦激光经半波片调整偏振方向后，经一枚两面对泵浦激光高透的聚焦透镜聚焦到PPLN晶体上。

5.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，产生参量激光的非线性晶体是掺杂5％MgO的周期极化铌酸锂晶体，放置于聚焦透镜的焦点。

6.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦共焦谐振腔结构，PPLN晶体放置于第一凹面镜和第二凹面镜的焦点。

7.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，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信号光高反介质膜。

8.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，第二凹面镜面向PPLN晶体的一端镀有对泵浦激光高透介质膜以及对信号光高反介质膜，另一面镀有对泵浦激光高透的介质膜。

9.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，GTI反射镜在参量谐振腔内提供负色散，补偿信号光的正色散。

10.如权利要求1所述的全固态锁模Yb激光器同步泵浦的飞秒光学参量振荡器，其特征在于，平面反射镜面向参量谐振腔的一面镀有对信号光高反介质膜，另一面未镀膜；

输出镜面向谐振腔内的一面镀有在信号光波段具有一定输出耦合率的介质膜，另一面镀有信号光波段的增透介质膜。