CN104377538B - 全固态陶瓷锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全固态陶瓷锁模激光器，包括泵浦镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、平面反射镜、输出耦合镜、Tm:YAG陶瓷和半导体可饱和吸收体；其中，Tm:YAG陶瓷位于聚焦的泵浦激光的焦点处，Tm:YAG陶瓷位于泵浦镜和第一凹面镜之间且位于第一凹面镜的焦点处，且Tm:YAG陶瓷位于第二凹面镜焦点处，半导体可饱和吸收体位于第三凹面镜和平面反射镜之间，且位于第三凹面镜的焦点处，输出耦合镜、第一凹面镜、泵浦镜、第二凹面镜、第三凹面镜和平面反射镜形成“Z”型折叠共焦腔，且形成的折叠角为5°‑8°。本发明的全固态陶瓷锁模激光器输出2μm波段的超短脉冲激光。
Description
技术领域
本发明涉及激光器，特别是涉及一种全固态陶瓷锁模激光器。
背景技术
传统的固态激光器的激光增益介质主要是晶体或者玻璃材料。晶体材料由于具有优异的光学性能和热机械性能而成为目前应用最广泛的激光增益介质。晶体主要是靠提拉法生长得到的，而提拉法生长需要的设备较为昂贵，生长过程需要较高的温度、工艺较为复杂、掺杂浓度较低，而且难以得到大尺寸激光晶体，这限制了晶体在高功率激光系统中的应用。而玻璃材料较为容易实现大尺寸生长，但是其热导率较差，只能应用于低重复频率的激光系统中。鉴于晶体和玻璃材料的局限性，人们不断的寻找可以兼具晶体和玻璃材料优点的新激光材料，因此高透明激光陶瓷应运而生。陶瓷材料生产工艺较为简单、成熟，可以在较低温度真空烧结获得，而且较易实现大尺寸生长，高浓度掺杂，而且热导率远高于玻璃材料，因此在一定程度上弥补了晶体和玻璃的局限性，受到了人们的广泛关注。
1964年，Hatch等人首次报道了Dy2+:CaF2陶瓷的激光发射，但是受限于当时陶瓷的制作工艺，透明度不高，所以效率较低，也未引起人们更多的关注。直到1995年Ikesue等人报道了高透明度的Nd:YAG激光陶瓷，并获得可与Nd:YAG激光晶体相比拟的激光性能，之后，人们开始广泛关注高透明度激光陶瓷作为激光增益介质的优越性及潜在发展前景。目前为止，发展较为成熟的基于高透明度陶瓷的固态激光器主要以Nd、Yb、Er等离子掺杂的YAG陶瓷和倍半氧化物陶瓷以及Cr离子掺杂的Zn:Se，Zn:S陶瓷为主。在这些陶瓷激光器中，人们得到了比相同化学组成成分的激光晶体更好的激光性能和优异特性。Nd、Yb、Er等离子掺杂的YAG陶瓷和倍半氧化物陶瓷的激光运转波长在1-1.6μm范围，而Cr离子掺杂的Zn:Se、Zn:S陶瓷的激光运转波长在2.4μm附近，这些波段目前的研究报道相对较多，较为成熟。但是目前并没有报道采用Tm离子掺杂YAG陶瓷材质获得2μm波段的超短脉冲激光。
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全固态陶瓷锁模激光器，以产生2μm波段的超短脉冲激光。
为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种全固态陶瓷锁模激光器，包括：
泵浦镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、平面反射镜、输出耦合镜、Tm:YAG陶瓷和半导体可饱和吸收体；
其中，所述Tm:YAG陶瓷位于聚焦的泵浦激光的焦点处，用于吸收所述泵浦激光然后转化成振荡激光，所述Tm:YAG陶瓷位于所述泵浦镜和第一凹面镜之间且位于所述第一凹面镜的焦点处，且所述Tm:YAG陶瓷位于所述第二凹面镜焦点处，所述半导体可饱和吸收体位于所述第三凹面镜和平面反射镜之间，且位于所述第三凹面镜的焦点处，所述输出耦合镜、第一凹面镜、泵浦镜、第二凹面镜、第三凹面镜和平面反射镜形成“Z”型折叠共焦腔，所述平面反射镜将垂直入射到平面反射镜的振荡激光依次反射到所述第三凹面镜、第二凹面镜、泵浦镜、第一凹面镜并垂直入射到所述输出耦合镜，从输出耦合镜反射到第一凹面镜的振荡激光和从第一凹面镜反射到泵浦镜的振荡激光形成的第一折叠角为5°-8°，从第一凹面镜入射到泵浦镜的振荡激光和从泵浦镜反射到第二凹面镜的振荡激光形成的第二折叠角为5°-8°，从泵浦镜入射到第二凹面镜的振荡激光和从第二凹面镜反射到第三凹面镜的振荡激光形成的第三折叠角为5°-8°，从第二凹面镜入射到第三凹面镜的振荡激光和从第三凹面镜反射到平面反射镜的振荡激光形成的第四折叠角为5°-8°。
优选的，所述泵浦镜和所述Tm:YAG陶瓷的间距为15毫米-25毫米，所述泵浦镜和所述第二凹面镜的间距为130毫米-140毫米，所述Tm:YAG陶瓷和所述第一凹面镜的间距为150毫米-155毫米，所述第三凹面镜和所述平面反射镜的间距为100毫米-105毫米。优选的，所述第一凹面镜和所述输出耦合镜的间距为450毫米-550毫米。更优选的，所述第二凹面镜和第三凹面镜的间距为600毫米-700毫米。
优选的，所述第一折叠角为5°，所述第二折叠角为5°，所述第三折叠角为5°，所述第四折叠角为5°。
优选的，所述输出耦合镜的输出率为1%。
优选的，所述泵浦激光的波长为785纳米。
优选的，所述Tm:YAG陶瓷中Tm离子的掺杂浓度为6%。
优选的，半导体可饱和吸收体的调制深度为0.6%，饱和通量为300μJ/cm2，吸收恢复时间是500飞秒。半导体可饱和吸收体用于启动并维持稳定锁模。
本发明的全固态陶瓷锁模激光器结构简单，成本低，并且产生了波长为2014nm、脉冲宽度为60皮秒的超短脉冲激光。
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是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器的结构示意图。
图2是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器锁模状态下的功率曲线图。
图3是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光的锁模脉冲序列图。
图4是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光的光谱图。
图5是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光倍频后的光谱图。
图6是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光在分辨率为1kHz时的频谱图。
图7是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光在分辨率为3MHz时的频谱图。
图8是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光用非共线强度自相关仪测量的脉冲宽度。
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是根据本发明较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器的结构示意图。如图1所示，包括泵浦激光器7、泵浦镜1、Tm:YAG陶瓷6、凹面镜2、凹面镜3、凹面镜4、平面反射镜5、半导体可饱和吸收体8和输出耦合镜9。
在本实施例中，泵浦激光器7选取北京国科世纪激光技术有限公司型号为GKD-30FMS的半导体激光器，将其中的激光二极管的工作温度设定在20℃，此时输出激光的波长随着控制电流的增加向长波方向漂移，把电流调节到15A，此时输出的激光的波长为787nm，与Tm离子的吸收峰相匹配。在其他的实施例中，只需泵浦激光器7输出的泵浦激光波长在785nm附近即可，例如需要泵浦激光器输出的泵浦激光的波长为782nm-788nm，但其中以785nm的泵浦波长泵浦效率最高。把泵浦激光器7输出的泵浦激光通过光学耦合系统（图中未示出）聚焦后透过泵浦镜1垂直入射到Tm:YAG陶瓷6的中间以提供泵浦能量，其中Tm:YAG陶瓷6置于泵浦激光器7输出激光的焦点处。泵浦镜1和Tm:YAG陶瓷6之间的距离为20毫米。Tm:YAG陶瓷6的尺寸为3×3×3.6（mm3），Tm离子的掺杂浓度为6%，激光通过Tm:YAG陶瓷6入射和出射的两个端面都同时镀有785nm的防反膜和1900-2100nm的高反膜，用铟箔包裹后用紫铜夹具夹持固定在紫铜块上，紫铜块通过水管连接到恒温循环水上并使得循环水的温度保持在10℃。
从Tm:YAG陶瓷6出射的振荡激光入射到曲率半径为300mm的凹面镜2上，其中Tm:YAG陶瓷6和凹面镜2之间的距离为153mm。凹面镜2的凹面上具有1900-2100nm的高反膜，凹面镜2将振荡激光反射到位于Tm:YAG陶瓷6一侧（图1的上方）的输出耦合镜9上，凹面镜2和输出耦合镜9之间的间距为500毫米，输出耦合镜9的输出率为1%，用于将99%的振荡激光垂直反射到凹面镜2上，经凹面镜2反射的振荡激光经过Tm:YAG陶瓷6入射到泵浦镜1上，泵浦镜1将振荡激光反射到Tm:YAG陶瓷6的另一侧（图1的下方）的凹面镜3上，从而使得输出耦合镜9、凹面镜2、泵浦镜1和凹面镜3之间的光路呈“Z”型。其中凹面镜3和泵浦镜1的间距为135mm，凹面镜3的曲率半径为300mm。凹面镜3的凹面具有1900-2100nm的高反膜，凹面镜3将振荡激光向左反射到凹面镜4上，从而使得凹面镜2、泵浦镜1、凹面镜3和凹面镜4之间的光路呈“Z”型，凹面镜4和凹面镜3之间的距离为650mm。凹面镜4的凹面具有1900-2100nm的高反膜，凹面镜4将振荡激光向右下侧反射并垂直入射到平面反射镜5上，使得泵浦镜1、凹面镜3、凹面镜4和平面反射镜5之间的光路呈“Z”型。其中凹面镜4的曲率半径为200mm，在凹面镜4和平面反射镜5之间设有半导体可饱和吸收体8，半导体可饱和吸收体8位于凹面镜4的焦点处，且调制深度为0.6%，饱和通量为300μJ/cm2，吸收恢复时间是500fs。凹面镜4和平面反射镜5的间距为103毫米，从而激光谐振腔的腔长为1561毫米。平面反射镜5为全反射镜，表面镀有1900-2100nm的高反膜，将振荡激光按照原光路的反方向依次反射经过半导体可饱和吸收体8、凹面镜4、凹面镜3、泵浦镜1、Tm:YAG陶瓷6、凹面镜2并垂直入射到输出耦合镜9上，输出耦合镜9再将99%的激光垂直反射到凹面镜2上，从而使得激光在输出耦合镜9和平面反射镜5之间振荡，并且振荡激光在输出耦合镜9、凹面镜2、泵浦镜1、凹面镜3、凹面镜4和平面反射镜5之间的光路呈“Z”型折叠，Tm:YAG陶瓷6位于泵浦镜1和凹面镜2之间且位于凹面镜2对振荡激光的汇聚焦点处，同时位于凹面镜3对振荡激光汇聚后经过泵浦镜1反射的焦点处，从而输出耦合镜9、凹面镜2、泵浦镜1、凹面镜3、凹面镜4和平面反射镜5形成了“Z”型折叠共焦腔。
其中，从平面反射镜5入射到凹面镜4的振荡激光和从凹面镜4反射到凹面镜3的振荡激光形成的折叠角δ为5°。从凹面镜4入射到凹面镜3的振荡激光和从凹面镜3反射到泵浦镜1的振荡激光形成的折叠角β为5°。从凹面镜3入射到泵浦镜1的振荡激光和从泵浦镜1反射到凹面镜2的振荡激光形成的折叠角α为5°。从泵浦镜1入射到凹面镜2的振荡激光和从凹面镜2反射到输出耦合镜9的振荡激光形成的折叠角θ为5°。
在本实施例中，采用He-Ne激光器发出的红光作为参考光，用于调节Tm:YAG陶瓷6、凹面镜2、凹面镜3、凹面镜4、平面反射镜5和输出耦合镜9的位置和角度。
图2是根据本发明上述较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器在锁模状态下的功率曲线图。将从输出耦合镜9输出的激光和泵浦激光器7输出泵浦功率采用功率计记录从而得到了锁模运转状态下的功率曲线。在本实施例中，从连续光运转状态到锁模运转状态的阈值泵浦功率为2.56瓦，最大的锁模功率为182毫瓦，对应的斜率效率为4.3%。当泵浦功率进一步增大时，激光谐振腔中的能流密度过大，导致半导体可饱和吸收体8破坏，因此未能得到更高的锁模功率输出。
图3是根据本发明上述较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光的锁模脉冲序列图。图3中右下角的标尺为20ns，从图3可以看到，本实施例得到了整齐、稳定的锁模脉冲序列。
图4是根据本发明上述较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光的光谱图。从图4可以看出，锁模脉冲激光的中心波长为2007nm，由于锁模脉冲激光是通过最高分辨率为6nm的光谱仪进行测量，图4中并未标识出光谱半高宽的准确值。
图5是根据本发明上述较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光倍频后的光谱图。将经过倍频后的锁模脉冲激光通过分辨率为0.05nm的光谱仪进行测量，可以得出倍频后的锁模脉冲激光的波长为1007nm，光谱半高宽为0.293nm，因此我们得到输出耦合镜9输出的锁模脉冲激光的更准确的中心波长为2014nm，光谱半高宽大约为0.3nm。
图6是根据本发明上述较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光在分辨率为1kHz时的频谱图。从图6可以看出，锁模信号相对于噪声的强度是71.9dBc，说明锁模非常的稳定。锁模脉冲的中心频率为95.2MHz，和激光谐振腔的腔长是相对应的。
图7是根据本发明上述较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光在分辨率为3MHz时的频谱图。当分辨率为3MHz时，可以看到干净的基次和高次锁模重频信号，没有其他的边锋，即腔内没有多个脉冲同时在运转，说明实现了稳定的锁模。
图8是根据本发明上述较佳实施例的全固态陶瓷锁模激光器输出激光用非共线强度自相关仪测量的脉冲宽度。从图8中可以看出锁模脉冲激光的脉冲宽度为60ps，其中1.543是采用双曲正割拟合后的拟合系数。
在其他的实施例中，通过微调各个光学元件之间的距离和角度关系也能得到2um的超短脉冲激光。例如调整使得从平面反射镜5入射到凹面镜4的振荡激光和从凹面镜4反射到凹面镜3的振荡激光形成的折叠角δ为5°-8°；从凹面镜4入射到凹面镜3的振荡激光和从凹面镜3反射到泵浦镜1的振荡激光形成的折叠角β为5°-8°；从凹面镜3入射到泵浦镜1的振荡激光和从泵浦镜1反射到凹面镜2的振荡激光形成的折叠角α为5°-8°；从泵浦镜1入射到凹面镜2的振荡激光和从凹面镜2反射到输出耦合镜9的振荡激光形成的折叠角θ为5°-8°。另外，通过微调使得泵浦镜1和Tm:YAG陶瓷6之间的距离为15毫米-25毫米，Tm:YAG陶瓷6和凹面镜2之间的间距为150毫米-155毫米，泵浦镜1和凹面镜3之间的间距为130毫米-140毫米，凹面镜2和输出耦合镜9之间的间距为450毫米-550毫米，凹面镜3和凹面镜4之间的间距为600毫米-700毫米，凹面镜4和平面反射镜5之间的间距为100毫米-105毫米。
本发明采用Tm:YAG陶瓷作为激光增益介质，成本低，光学结构简单，实现了被动锁模输出，从而获得了波长为2μm、脉冲宽度为60皮秒的激光输出。2μm的激光源在激光雷达、激光医疗、材料加工等领域有着较为重要的应用价值。2μm波段处于大气窗口，而且也覆盖了一些有毒气体、空气等吸收峰，可以广泛应用于大气通讯与检测，激光雷达和土壤污染物探测等。同时，由于2μm波段有较为丰富的水吸收峰，在生物组织中的穿透深度只有几十个微米，对周围组织的热损伤较小，因此作为红外波段的冷激光用于医学诊断和治疗中。另外，2μm的激光源可以通过光学参量振荡器的方法产生3-5μm的激光，而且利用2μm波段的超短脉冲激光作为驱动源，在与物质相互作用产生高次谐波的过程中，所得到的波长更短，光子能量更高，有利于更短的阿秒脉冲产生。
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 (9)
1.一种全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，包括：
泵浦镜、第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、平面反射镜、输出耦合镜、Tm:YAG陶瓷和半导体可饱和吸收体；
其中，所述Tm:YAG陶瓷位于聚焦的泵浦激光的焦点处，用于吸收所述泵浦激光然后转化成振荡激光，所述Tm:YAG陶瓷位于所述泵浦镜和第一凹面镜之间且位于所述第一凹面镜的焦点处，且所述Tm:YAG陶瓷位于所述第二凹面镜焦点处，所述半导体可饱和吸收体位于所述第三凹面镜和平面反射镜之间，且位于所述第三凹面镜的焦点处，所述输出耦合镜、第一凹面镜、泵浦镜、第二凹面镜、第三凹面镜和平面反射镜形成“Z”型折叠共焦腔，所述平面反射镜将垂直入射到平面反射镜的振荡激光依次反射到所述第三凹面镜、第二凹面镜、泵浦镜、第一凹面镜并垂直入射到所述输出耦合镜，从输出耦合镜反射到第一凹面镜的振荡激光和从第一凹面镜反射到泵浦镜的振荡激光形成的第一折叠角为5°-8°，从第一凹面镜入射到泵浦镜的振荡激光和从泵浦镜反射到第二凹面镜的振荡激光形成的第二折叠角为5°-8°，从泵浦镜入射到第二凹面镜的振荡激光和从第二凹面镜反射到第三凹面镜的振荡激光形成的第三折叠角为5°-8°，从第二凹面镜入射到第三凹面镜的振荡激光和从第三凹面镜反射到平面反射镜的振荡激光形成的第四折叠角为5°-8°。
2.根据权利要求1所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，所述泵浦镜和所述Tm:YAG陶瓷的间距为15毫米-25毫米，所述泵浦镜和所述第二凹面镜的间距为130毫米-140毫米，所述Tm:YAG陶瓷和所述第一凹面镜的间距为150毫米-155毫米，所述第三凹面镜和所述平面反射镜的间距为100毫米-105毫米。
3.根据权利要求2所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，所述第一凹面镜和所述输出耦合镜的间距为450毫米-550毫米。
4.根据权利要求2或3所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，所述第二凹面镜和所述第三凹面镜的间距为600毫米-700毫米。
5.根据权利要求4所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，所述第一折叠角为5°，所述第二折叠角为5°，所述第三折叠角为5°，所述第四折叠角为5°。
6.根据权利要求4所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，所述输出耦合镜的输出率为1%。
7.根据权利要求1所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，所述泵浦激光的波长为785纳米。
8.根据权利要求1所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，所述Tm:YAG陶瓷中Tm离子的掺杂浓度为6%。
9.根据权利要求6所述的全固态陶瓷锁模激光器，其特征在于，半导体可饱和吸收体的调制深度为0.6%，饱和通量为300μJ/cm2，吸收恢复时间是500飞秒。
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