CN1044365A - 对撞脉冲主-被动锁模激光器 - Google Patents

Abstract

对撞脉冲主—被动锁模激光器，有输出耦合镜、固体激光介质、分束板、两块全反射镜，其特征在所说的输出耦合镜和固体激光介质之间紧靠输出耦合镜处还有一主动调制器，处于非谐振环中相对于分束板的中心位置有一可饱和吸收体变换机构，可同时随意地更换可饱和吸收体，所说的分束板是对S偏振分量或P偏振分量的半透半反镜。该激光器快回复时间和慢回复时间的可饱和吸收体均可使用。

Description

本发明属于锁模固体激光器。

激光器的锁模技术自1986年发明以来，已有长足的发展。在固体激光器（晶体工作介质如Nd：YAG，Nd：YLF，红宝石等，玻璃工作介质如Nd：硅酸盐玻璃，Nd：磷酸盐玻璃）中。广泛采用Fabry-Perot型谐振腔结构的锁模技术来获得超短光脉冲。1981年，A.E.Siegman[参考Optics    Letters，vol.6，334（1981）]提出用一个带非谐振环的激光腔结构来实现激光的对撞脉冲锁模的建议。该技术是把用来锁模的Kodak    A9860或9740染料溶液放置于谐振环中相对于分束板的中心位置上，实现对撞脉冲被动锁模的。其结构如图1所示。该激光器由输出耦合镜1、固体激光介质2、分束板3、全反射镜4和5、装可饱和吸收体的装置6组成。

该对撞脉冲被动锁模激光器（以Nd：YAG或Nd：玻璃激光器为例）有如下问题：

（1）由于属于被动锁模操作，被动锁模中激光脉冲形成的随机性，使得输出的锁膜脉冲列包络的幅度有很大的涨落，输出脉冲列的稳定性和再现性差（约75%的稳定度）。

（2）用来作被动锁模的可饱和吸收体，必须是具有快回复时间的染料溶液，如美国柯达公司的A9860或9740染料、国产的五甲川染料溶液等。这些染料溶液的光化学稳定性差，光照下易分解、变质、失效，故使用时必须用附加的染料循环系统并定期更换染料溶液、因而增加了操作复杂性、造价和维修费用。

（3）光化学稳定性极佳的BDN染料及各种色心晶体，虽有可饱和吸收特征，但因其回复时间长而不能用来在此种激光腔作锁模的可饱和吸收体。

（4）对应于固定的激光腔参量，相应有一定的最佳可饱和吸收体染料浓度，输出一定脉冲宽度的激光脉冲，改变脉冲宽度很困难。

（5）如在激光腔内不置起偏振元件，则不能获得完全线偏振光输出，这对大多数需要线偏振光的应用而言，意味着要损耗一半的输出能量。

本发明的目的是提供一种对撞脉冲主-被动锁模激光器，它能获得高稳定的、高再现的、较高功率水平和脉冲宽度可调的锁模激光脉冲列，而且具有操作方便、可靠、维护费用低的特点。

本发明的目的是通过对图1所示的对撞脉冲被动锁模固体激光器的改进实现的。

首先，在图1所示的激光腔中，在输出耦合镜1和固体激光介质2之间紧靠输出耦合镜处设有一主动调制器，其调制频率与激光腔的有效腔长相匹配，所说的主动调制器可以是声光调制器，也可以是电光调制器，或其他形式的调制器。以形成对撞脉冲主-被动锁模。

其次，在图1中的可饱和吸收体装置改用一个能快速更换不同光密度和各种可饱和吸收体的变换机构，例如幻灯机中的换片机构，或使用一个具有转轴的多孔转盘，该转盘上有两个以上的通孔，这些通孔相对于转轴处于同一圆周上，盘上各通孔嵌压上已校正好光程的具有不同光密度，即对激光波长具有不同透过率的可饱和吸收 体，包括快回复时间可饱和吸收体，如五甲川，Kodak A 9740，Kodak A9860等，和慢回复时间可饱和吸收体，如BDN溶液或塑料片，或不同厚度的色心晶体，如LiF∶F₂色心晶体，Cr∶Nd∶YAG色心晶体。多孔转盘的转轴安装方式使得旋动转盘时，光束将逐一通过盘上的孔，而且孔中的可饱吸收体正好处在由分束板，两块全反射镜构成的非谐振环中相对于分束板的中心位置，因此在该激光器运转过程中，可根据对脉冲宽度的要求随时旋动转盘迅速而准确地选用相应的溶液或薄片作可饱和吸收体。

所说的主动调制器可以是声光调制器，也可以是电光调制器，或其他。

为了获得线偏振光输出，提高该激光器输出光的利用率，所说的分束板，采用只对一个偏振光分量（S分量或P分量）有精确50/50分束能力的半透半反镜，就可获得完全线偏振光输出，既方便分束板的镀膜工艺又提高了分束精度。

本发明的优点是：

1、由于发明中的主动调制器的主动调制窗口作用和非谐振环的对撞脉冲锁模作用的结合，构成了对撞脉冲主-被动锁模激光腔，使得该激光腔不仅可用Kodak    A9860，Kodak    A    9740，五甲川染料作为可饱和吸收体，主-被动锁模较纯被动锁模输出脉冲列包络的幅度稳定性从75%提高到95%以上，信噪比也相应提高，输出脉宽在20PS-50PS范围（对固体激光介质为Nd：YAG而言）而且还能选用光化学稳定性极佳但具有慢回复时间特性的可饱和吸收体，如BDN染料和各种色心晶体，获得稳定的锁模脉冲输出，输出脉冲列包络的幅度稳定性达到95%以上。大大提高了激光振荡器的长期稳定工作 性能。

2、可根据对脉冲宽度的要求，由可饱和吸收体的变换机构，例如多孔转盘迅速而准确地改变可饱和吸收体的光密度，获得不同脉冲宽度。因此同一台激光振荡器可方便地随意产生几种不同的脉冲宽度，脉宽复盖范围比传统的锁模激光器宽，如用Kodak    A    9860，Kodak    A    9740，五甲川染料，输出脉宽在20PS-50PS范围，用BDN染料和各种色心晶体，输出脉宽135PS～1.9nS范围（对Nd：YAG激光器而言）。

3、当用色心晶体作可饱和吸收体时，激光腔内不必外加选模光阑，便能做到单基横模（TEMoo）振荡，输出光束的空间分布为高斯颁布的衍射极限激光束。

4、因为采用只对一个偏振分量（S分量或P分量）有精确50/50分束能力的半透半反镜作分束板，激光腔内不必外加起偏器即可获得完全线偏振光输出。

5、本发明不仅可用于脉冲式运转的（重复频率的）对撞脉冲主-被动锁模，而且也能用于连续波的对撞脉冲主-被动锁模。

下面结合附图对本发明及其实施例作进一步说明。

图1是A.E.Siegman的对撞脉冲被动锁模激光器结构示意图。

图2是本发明一个实施例的结构示意图。

图3是图2中多孔转盘9的A向视图。

图4是多孔转盘9图3的右向部分剖视图。

在图2、3、4中，1-输出耦合镜，2-固体激光介质，3-对S（或P）偏振分量的50/50分束板，即对S或P偏振分量有精确的50/ 50分束能力的半透半反镜，4和5是两块全反射镜，7是主动调制器，分束板3，全反射镜4和5一起构成非谐振环，9是带有转轴10的多孔转盘，该转盘上有多个通孔8，这些通孔相对于转轴处于同一个圆周上，这些通孔嵌上已校正好光程的具有不同光密度，即对激光波长具有不同透过率的BDN染料的密封式溶液或塑料片，或各种色心晶体，或其他染料作为可饱和吸收体。至于可饱和吸收体如何在通孔11中嵌入，普通技术人员是可以想见的，例如图3图4所示，通孔8作成带有较大的圆形台阶的，放入含有可饱和吸收体的塑料片12，靠压圈11和圆形台阶的弹性压住即可，也可以将转盘9加一个透明盖来压住可饱和吸收体，等等。转盘的转轴安放方式使得旋动转盘时，光束将逐一通过这些孔，而且孔中的可饱和吸收体正好处在由分束板3和全反射镜4和5构成的非谐振环中相对于分束板3的中心位置为准。

实施例1：输出耦合镜1的反射率R＝50%，曲率半径r＝10米，激光介质2为Na：YAG，3为S偏振分量的50/50半透半反镜，可饱和吸收体采用BDN塑料片，对1.064微米激光的弱光透过率分别为T1＝35.4%，T2＝30.2%，T3＝24.7%，T4＝60%，主动调制器采用调制频率为50MHz的声光调制器，结果获得了脉冲宽度分别为139PS，186PS，219PS，453PS的稳定的锁模激光脉冲。

实施例2：在实施例1的条件下，采用LiF：F-₂作可饱和吸收体，T＝58%，输出脉冲宽度为1.98ns的稳定的锁模脉冲激光。

实施例3：在实施例1的条件下，用Cr∶Nd∶YAG色心晶体作可饱和吸收体，T＝20%，获得了激光脉冲宽度为370PS的稳定的锁模激光脉 冲。

实施例4：在实施例1的条件下，用五甲川染料（循环）作可饱和吸收体，T＝25%，获得了激光脉冲宽度为30PS的稳定的锁模激光脉冲。

以上均为线偏振光输出。

Claims (4)

1、对撞脉冲主-被动锁模激光器，有输出耦合镜1，固体激光介质2，构成非谐振环的分束板3和全反射镜4、5，处于所说非谐振环中相对于分束板的中心位置的装有可饱和吸收体的装置，其特征是在所说的输出耦合镜1和固体激光介质2之间紧靠输出耦合镜处还有一主动调制器7，所说的装置是可饱和吸收体变换机构。

2、按照权利要求1的激光器，其特征在于所说的可饱和吸收体变换机构是一多孔转盘9，它可绕轴10旋转，在转盘9上相对于轴心的同一圆周上有两个以上的通孔8，该通孔中有一台阶放置可饱和吸收体12，用压圈11固定，当转盘9绕轴10旋动时，通孔8中的可饱和吸收体通过所说的非谐振环中相对于分束板的中心位置并截割光路。

3、按照权利要求2的激光器，其特征在于在每个通孔8中安放的可饱和吸收体是具有不同光密度的BDN溶液或塑料片，或不同厚度的色心晶体。

4、按照权利要求1、2或3的激光器，其特征在于所说的分束板3是对S偏振分量或P偏振分量的半透半反镜。

Images