CN104348071A - 克尔透镜锁模全固态激光器 - Google Patents

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张金伟
韩海年
田文龙
吕亮
魏志义
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Abstract

本发明提供了一种克尔透镜锁模全固态激光器，包括位于聚焦的泵浦激光的焦点处的掺镱激光晶体；第一凹面镜，所述第一凹面镜的平面部的法线方向和所述泵浦激光的方向形成的第一夹角为5°-15°，第一凹面镜的凹面部的曲率半径为30毫米-200毫米；第二凹面镜，所述第二凹面镜的平面部的法线方向和所述泵浦激光的方向形成的第二夹角为5°-15°，第二凹面镜的凹面部的曲率半径为30毫米-200毫米；GTI镜，用于补偿色散使得激光谐振腔的色散量为负值；以及全反射镜；其中，GTI镜位于所述第二凹面镜和全反射镜的光路之间，所述掺镱激光晶体位于激光谐振腔的束腰处。本发明的激光器能够产生脉冲宽度小于100fs的稳定锁模脉冲激光脉冲。

Description

克尔透镜锁模全固态激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体涉及一种克尔透镜锁模全固态激光器。
背景技术
超短脉冲激光技术的发展为人们探索自然、发现新现象提供了有力工具。例如在原子分子瞬态动力学以及光频标等领域，由于亚100飞秒（fs）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。
1991年，英国的D.E.Spence等人首次采用克尔透镜锁模技术实现了脉冲宽度为60fs的掺钛蓝宝石飞秒振荡器，腔内不需要任何锁模元件，仅利用增益介质本身的克尔效应作为可饱和吸收体，在一定结构下即可实现稳定的自锁模运转，这种新的锁模机制称为克尔透镜锁模，它成为掺钛蓝宝石飞秒振荡器发展过程中的里程碑。利用克尔透镜锁模，掺钛蓝宝石飞秒振荡器目前已经实现了周期量级脉冲宽度的飞秒脉冲输出。
克尔透镜锁模掺钛蓝宝石飞秒振荡器也存在着一些固有的缺点，例如成本高昂，结构复杂庞大，这样就限制了掺钛蓝宝石飞秒激光器的应用，使得掺钛蓝宝石飞秒激光器的应用只局限在一些大型的实验室中，不能获得广泛的应用。
如何实现成本低廉、结构简单紧凑并产生脉冲宽度小于100fs的激光器是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种克尔透镜锁模全固态激光器，以产生脉冲宽度小于100fs的脉冲激光。
为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种克尔透镜锁模全固态激光器，包括：
掺镱激光晶体，所述掺镱激光晶体位于聚焦的泵浦激光的焦点处，用于将聚焦的泵浦激光转变为振荡激光；
第一凹面镜，所述第一凹面镜的平面部的法线方向和所述泵浦激光的方向形成第一夹角；
第二凹面镜，所述第二凹面镜的平面部的法线方向和所述泵浦激光的方向形成第二夹角；
GTI镜，用于补偿色散使得激光谐振腔的色散量为负值；
全反射镜；
其中，所述泵浦激光透过所述第一凹面镜入射到所述掺镱激光晶体，所述第一凹面镜和第二凹面镜分别位于所述掺镱激光晶体的两侧，所述GTI镜位于所述第二凹面镜和全反射镜的光路之间，用于将从所述第二凹面镜入射过来的振荡激光反射到所述全反射镜以及将从所述全反射镜入射过来的振荡激光反射到所述第二凹面镜，所述掺镱激光晶体位于激光谐振腔的束腰处，所述第一夹角为5°-15°，所述第二夹角为5°-15°，所述第一凹面镜的凹面部的曲率半径为30毫米-200毫米，所述第二凹面镜的凹面部的曲率半径为30毫米-200毫米。
优选的，所述第一凹面镜的凹面部的曲率半径和所述第二凹面镜的凹面部的曲率半径相等且为30毫米-80毫米。更优选的，所述第一夹角与所述第二夹角相等且为5°-10°。采用对称共焦式的谐振腔结构，能够使得输出耦合镜远离受热效应影响最严重的掺镱激光晶体，使得输出的激光的光束质量得到了提高。
优选的，还包括输出耦合镜，所述第一凹面镜、第二凹面镜、GTI镜、全反射镜和输出耦合镜形成“X”型折叠腔结构。
优选的，第一凹面镜的平面部镀有对所述泵浦激光的增透膜，且所述第一凹面镜的凹面部镀有对所述泵浦激光的增透膜和对所述振荡激光的高反膜，所述第二凹面镜的凹面部镀有对所述振荡激光的高反膜，所述第二凹面镜的平面部镀有对所述泵浦激光的增透膜，所述第二凹面镜的凹面部镀有对所述泵浦激光的增透膜。第二凹面镜的凹面部和平面部上的对泵浦激光的增透膜可以有效的过滤没有转换成振荡激光的泵浦激光，从而避免了泵浦激光的干扰，有利于得到高质量的超短激光脉冲。
优选的，所述输出耦合镜为平面镜。更优选的，所述输出耦合镜在所述振荡激光的入射面镀有对所述振荡激光输出耦合率为0.3%-2%的介质膜，所述输出耦合镜在所述振荡激光的出射面镀有对所述振荡激光的增透膜。通过改变输出耦合镜对振荡激光的输出耦合率可以方便改变输出功率，另外还可以调节输出激光的脉冲宽度。
优选的，所述泵浦激光垂直入射到所述掺镱激光晶体。
优选的，所述泵浦源为LD泵浦源。采用LD泵浦源可以使得整个激光器的结构紧凑小巧。
优选的，所述掺镱激光晶体是Yb:YAG、Yb:KYW、Yb:KGW、Yb:YGG或Yb:GYSO。
本发明实现了稳定的输出高重复频率、脉冲宽度为亚100fs量级的激光，同时本发明的光学元器件少，整个激光器更加紧凑。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是本发明第一个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。
图2是图1所示的激光器稳定锁模输出的脉冲信号。
图3是图1所示的激光器的脉冲宽度信号。
图4是图1所示的激光器的输出光谱信号。
图5是本发明第二个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。
图6是本发明第三个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。
图7是本发明第四个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图1是本发明第一个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。包括泵浦源11、凹面镜12、凹面镜14、掺镱激光晶体13、GTI镜15（Gires-Tournois Interferometer mirrors）、全反射镜16和输出耦合镜17。
在本实施例中，泵浦源11为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出波长为970nm的泵浦激光，输出功率为4W，在其他的实施例中，泵浦源11的输出功率还可以是4W-10W。泵浦源11发射出聚焦的泵浦激光，焦距长度为50毫米，聚焦后的泵浦激光在焦点处的光斑直径约为50μm。掺镱激光晶体13为掺杂浓度5at%（原子百分数比）的Yb:YGG(Yb:Y3Ga5O12，掺镱钇镓石榴石)晶体，用于将入射的泵浦激光转变为振荡激光，在掺镱激光晶体13的两个端面都镀有双增透膜，即对泵浦激光增透介质膜(增透率大于98%)以及对振荡激光增透介质膜(增透率大于99.8%)，并将掺镱激光晶体13放置在水冷铜块上，避免由于热积累导致输出激光的稳定性变差。凹面镜12的平面部121镀有对泵浦激光的增透膜，且凹面镜12的凹面部122镀有对泵浦激光的增透膜和对振荡激光的高反膜（反射率大于99.9%）。凹面镜14的平面部141镀有对泵浦激光的增透膜，凹面镜14的凹面部142镀有对泵浦激光的增透膜和对振荡激光的高反膜（反射率大于99.9%）。凹面镜12和凹面镜14的凹面部的曲率半径相等且都为75毫米。全反射镜16优选是反射率大于99.9%的平面反射镜，用于将激光反射回去。输出耦合镜17为平面镜，并且在振荡激光的出射面镀有对振荡激光的增透膜，在振荡激光的入射面镀有对振荡激光输出耦合率为0.3%的介质膜，使得入射到输出耦合镜17的振荡激光其中的0.3%能够通过输出耦合镜17而输出，而99.7%的振荡激光按照原光路反射回去。
如图1所示，掺镱激光晶体13位于泵浦源11发射的泵浦激光的焦点处，并使得泵浦激光垂直入射到掺镱激光晶体13的入射面。凹面镜12和凹面镜14分别对称分布在掺镱激光晶体13的右侧和左侧，且掺镱激光晶体13位于凹面镜12和凹面镜13的焦点附近且位于凹面镜12的焦点和凹面镜13的焦点的同一侧，即在图1中所示是位于凹面镜12和凹面镜13的焦点的上方。凹面镜12位于泵浦源11和掺镱激光晶体13之间。
泵浦激光首先从凹面镜12的平面部121入射到凹面部122，凹面镜12的平面部121的法线方向和泵浦激光的方向形成的角度α1为5°。经过凹面镜12的凹面部122出射后的激光垂直入射到掺镱激光晶体13的入射面，掺镱激光晶体13将入射的泵浦激光变成波长为1040nm的振荡激光并入射到凹面镜14的凹面部142，凹面镜14的凹面部142镀有对泵浦激光的增透膜和对振荡激光的高反膜且凹面镜14的平面部141镀有对泵浦激光的增透膜，因此凹面镜14透射变为振荡激光的泵浦激光并反射振荡激光，从而实现了泵浦激光的过滤，凹面镜14的平面部141的法线方向和泵浦激光的入射方向形成的角度α2为5°，凹面镜14的凹面部142将全部的振荡激光反射后并不会入射到掺镱激光晶体13中，而是沿着掺镱激光晶体13的一侧（图1所示的下方）反射到GTI镜15上，GTI镜15用于补偿激光腔内空气和激光晶体引入的正常色散，经过GTI镜15进行色散补偿后使得激光腔内总的色散量为-500(fs)2。经过GTI镜15反射后垂直入射到全反射镜16上，经过全反射镜16反射后，振荡激光沿着原光路反射。即反射到GTI镜15上，经过GTI镜15反射后又入射到凹面镜14上，凹面镜14的凹面部142上的对振荡激光的高反膜将振荡激光反射到掺镱激光晶体13中，从掺镱激光晶体13中出射的振荡激光入射到凹面镜12的凹面部122，由于凹面镜12的凹面部122镀有对振荡激光的高反膜，因此凹面镜12的凹面部122将振荡激光反射到掺镱激光晶体13的一侧（即图1所示的下方）并垂直入射到输出耦合镜17上，输出耦合镜17将99.7%的振荡激光反射回凹面镜12的凹面部122，经过凹面镜12的凹面部122反射后再次垂直入射到掺镱激光晶体13中。之后重复上述的光路过程，使得振荡激光在全反射镜16、GTI镜15、凹面镜14、掺镱激光晶体13、凹面镜12和输出耦合镜17中来回的振荡，直到有稳定的激光从输出耦合镜17输出。
如图1所示，凹面镜14的焦点、凹面镜12的焦点、GTI镜15、输出耦合镜17和全反射镜16都位于掺镱激光晶体13的同一侧，即在掺镱激光晶体13的下方，从而使得振荡激光在凹面镜12和输出耦合镜17之间的光线与振荡激光在凹面镜14和GTI镜15之间的光线呈“X”型，因而使得凹面镜12、凹面镜14、GTI镜15、全反射镜16和输出耦合镜17形成“X”型折叠腔结构。其中全反射镜16和输出耦合镜17构成了“X”型折叠腔结构的两个端镜。通过调节全反射镜16和输出耦合镜17之间光路的长度，使得激光脉冲的重复频率为159.3MHz。通过ABCD矩阵计算得到“X”型折叠腔结构的束腰为45um×38um。需要说明的是，凹面镜12、凹面镜14、GTI镜15、全反射镜16和输出耦合镜17形成“X”型折叠腔结构只是表示振荡激光在凹面镜12和输出耦合镜17之间的光线与振荡激光在凹面镜14和GTI镜15之间的光线呈“X”型，并不用于限定振荡激光在GTI镜15和全反射镜16之间的光线的方向。在实施例中，振荡激光在GTI镜15和全反射镜16之间的光线与振荡激光在凹面镜12和输出耦合镜17之间的光线平行。在其他的实施例中，凹面镜12、凹面镜14、GTI镜15、全反射镜16和输出耦合镜17还可以形成“Z”型折叠腔结构。
通过将凹面镜12和凹面镜14设置成对称共焦结构，并且采用平面的输出耦合镜17输出激光，使得光束质量得到了改善。通过对输出耦合镜17输出的激光光束质量进行测量，可以得到输出激光的M2因子（激光束质量因子）在X方向上为1.36，在Y方向上为1.17。
图2是图1所示的激光器稳定锁模输出的脉冲信号。图2是采用光电二极管监测到的腔内锁模信号图，从图2我们可以看出获得输出功率为60mW的稳定连续锁模激光。
图3是图1所示的激光器的脉冲宽度信号。图3是将图2所示的脉冲假设为双曲正割型时得到的脉冲宽度信号，从图3我们可以看出激光脉冲宽度为88fs。采用掺镱激光晶体成功获得脉冲宽度小于100fs的锁模激光。
图4是图1所示的激光器的输出光谱信号。采用光谱仪测得输出激光的光谱宽度为16.8nm。
图5是本发明第二个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。其与图1基本相同，区别在于，凹面镜22和凹面镜24的曲率半径为80毫米，凹面镜22的平面部221的法线方向和泵浦源21发射的泵浦激光的方向形成的角度β1为10°，凹面镜24的平面部241的法线方向和泵浦激光的方向形成的角度β2为10°。振荡激光在GTI镜25和全反射镜26之间的光线与振荡激光在凹面镜22和输出耦合镜27之间的光线不平行。将输出耦合镜27输出的锁模激光的脉冲宽度信号进行测量，得到的脉冲宽度为90fs。
图6是本发明第三个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。其与图1基本相同，区别在于，凹面镜32和凹面镜34的曲率半径为30毫米，凹面镜32的平面部321的法线方向和泵浦源31发射的泵浦激光的方向形成的角度γ1为15°，凹面镜34的平面部341的法线方向和泵浦激光的方向形成的角度γ2为15°。振荡激光在GTI镜35和全反射镜36之间的光线与振荡激光在凹面镜32和输出耦合镜37之间的光线不平行。将输出耦合镜37输出的锁模激光的脉冲宽度信号进行测量，得到的脉冲宽度为98fs。
图7是本发明第四个实施例的克尔透镜锁模全固态激光器的结构示意图。其与图1基本相同，区别在于，泵浦源41发射的泵浦激光的焦距长度为100毫米，泵浦源11的输出功率为10W，凹面镜42和凹面镜44的曲率半径为200毫米，凹面镜42的平面部421的法线方向和泵浦激光的方向形成的角度δ1为5°，凹面镜44的平面部441的法线方向和泵浦激光的方向形成的角度δ2为5°。将输出耦合镜47输出的锁模激光的脉冲宽度信号进行测量，得到的脉冲宽度为112fs。
本发明减小了激光在掺镱激光晶体上的束腰大小，使得激光晶体位于激光谐振腔的束腰处，增加了激光晶体的功率密度，增加了克尔透镜效应，形成了克尔透镜锁模，脉冲宽度得到了显著压缩，获得了低于100fs的超短激光脉冲输出，同时本发明的光学元器件少，整个激光器更加紧凑。
上述四个实施例只是示意性的说明本发明的技术特征，并非穷举，在本发明的基础上，可以选择具有不同曲率半径的两个凹面镜，还可以选择使得两个凹面镜的平面部的法线方向和泵浦激光的方向形成的角度不相等。当然，凹面镜的平面部的法线方向和泵浦激光的方向形成的角度在5°-15°范围内，且凹面镜的凹面部的曲率半径为30毫米-200毫米范围内都是可以的。
在其他的实施例中，还可以选择具有其他输出耦合率的输出耦合镜，例如采用输出耦合率为0.5%的输出耦合镜，从而得到输出功率为110mW、脉冲宽度为100fs的稳定锁模激光。当然，本发明的实施例中，可以选择输出耦合率在0.3%-2%之间的任意输出耦合镜，更优选的，可以选择输出耦合率在0.3%-0.5%之间的任意输出耦合镜。
本领域的技术人员在本发明的基础上，还可以是采用液氮冷却或采用水冷掺镱激光晶体。掺镱激光晶体还可以是掺杂浓度在1-10at%的Yb:YAG、Yb:KYW、Yb:KGW或Yb:GYSO。还可以选择不同的GTI镜使得激光腔内总的色散量为-500～-3000(fs)2范围内的任意值。
本发明的激光器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，适于批量化生产且成本较低，同时实现了稳定的输出高重复频率、脉冲宽度为亚100fs量级的激光，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有非常广泛的应用前景。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种克尔透镜锁模全固态激光器，包括：
掺镱激光晶体，所述掺镱激光晶体位于聚焦的泵浦激光的焦点处，用于将聚焦的泵浦激光转变为振荡激光；
第一凹面镜，所述第一凹面镜的平面部的法线方向和所述泵浦激光的方向形成第一夹角；
第二凹面镜，所述第二凹面镜的平面部的法线方向和所述泵浦激光的方向形成第二夹角；
GTI镜，用于补偿色散使得激光谐振腔的色散量为负值；
全反射镜；
其中，所述泵浦激光透过所述第一凹面镜入射到所述掺镱激光晶体，所述第一凹面镜和第二凹面镜分别位于所述掺镱激光晶体的两侧，所述GTI镜位于所述第二凹面镜和全反射镜的光路之间，用于将从所述第二凹面镜入射过来的振荡激光反射到所述全反射镜以及将从所述全反射镜入射过来的振荡激光反射到所述第二凹面镜，所述掺镱激光晶体位于激光谐振腔的束腰处，所述第一夹角为5°-15°，所述第二夹角为5°-15°，所述第一凹面镜的凹面部的曲率半径为30毫米-200毫米，所述第二凹面镜的凹面部的曲率半径为30毫米-200毫米。
2.根据权利要求1所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述第一凹面镜的凹面部的曲率半径和所述第二凹面镜的凹面部的曲率半径相等且为30毫米-80毫米。
3.根据权利要求2所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角相等且为5°-10°。
4.根据权利要求1所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，还包括输出耦合镜，所述第一凹面镜、第二凹面镜、GTI镜、全反射镜和输出耦合镜形成“X”型折叠腔结构。
5.根据权利要求1至4任一项所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述第一凹面镜的平面部镀有对所述泵浦激光的增透膜，且所述第一凹面镜的凹面部镀有对所述泵浦激光的增透膜和对所述振荡激光的高反膜，所述第二凹面镜的凹面部镀有对所述振荡激光的高反膜。
6.根据权利要求1至4任一项所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述第二凹面镜的平面部镀有对所述泵浦激光的增透膜，所述第二凹面镜的凹面部镀有对所述泵浦激光的增透膜。
7.根据权利要求1至4任一项所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述输出耦合镜为平面镜，所述输出耦合镜在所述振荡激光的入射面镀有对所述振荡激光输出耦合率为0.3%-2%的介质膜，所述输出耦合镜在所述振荡激光的出射面镀有对所述振荡激光的增透膜。
8.根据权利要求1至4任一项所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述泵浦激光垂直入射到所述掺镱激光晶体。
9.根据权利要求1至4任一项所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述泵浦源为LD泵浦源。
10.根据权利要求1至4任一项所述的克尔透镜锁模全固态激光器，其特征在于，所述掺镱激光晶体是Yb:YAG、Yb:KYW、Yb:KGW、Yb:YGG或Yb:GYSO。
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