CN104733991B - 一种被动锁模板条激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动锁模板条激光器，其中，该被动锁模板条激光器包括：半导体泵浦源1，用于输出泵浦光；耦合系统2；双色镜3；板条晶体4；平面全反镜5；第一平凸镜6；第一平凹镜7；第二平凹镜8；第三平凹镜9；半导体可饱和吸收镜SESAM10；第二平凸镜11；输出镜12。本发明将锁模激光技术和端面泵浦板条激光技术相结合，解决了高功率锁模激光技术中的增益介质的散热问题，利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模，输出功率高，单脉冲能量大，有着广泛的应用前景。

Description

一种被动锁模板条激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种被动锁模板条激光器。

背景技术

激光技术对国民经济及社会发展起着重要作用。激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。随着激光技术的不断发展，激光应用已经渗透到科研、产业的各个方面，在汽车制造、航空航天、钢铁、金属加工、冶金、太阳能以及医疗设备等领域都起到重要作用。特别是超快激光技术的飞速发展，大能量的超快激光器已广泛应用于激光加工、激光医疗、生物光子学和激光检测等相关领域。

通常连续锁模的激光器输出重复频率在百MHz左右，脉冲能量在nJ(10-9J)量级，严重限制了其应用范围，大能量、高功率、高光束质量的锁模激光器的研制已成为当前的迫切需要。

端面泵浦板条激光技术是获得高效率、高功率、高光束质量激光输出的一种重要方法。这种激光器采用两个大面散热，散热效果好，振荡光直线通过增益介质，能够与泵浦光达到良好的模式匹配，有利于基横模的输出。

但是，现有技术中并未将锁模激光技术和端面泵浦板条激光技术相结合，导致高功率锁模激光技术中的增益介质的散热效果不佳。

针对现有的高功率锁模激光技术中的增益介质的散热效果不佳的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对现有的高功率锁模激光技术中的增益介质的散热效果不佳的问题，本发明提供了一种被动锁模板条激光器，用以解决上述技术问题。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种被动锁模板条激光器，其中，该被动锁模板条激光器包括：半导体泵浦源1，用于输出泵浦光；耦合系统2；双色镜3；板条晶体4；平面全反镜5；第一平凸镜6；第一平凹镜7；第二平凹镜8；第三平凹镜9；半导体可饱和吸收镜SESAM10；第二平凸镜11；输出镜12；其中，所述双色镜3和所述平面全反镜5相对于垂直所述板条晶体4的通光方向非对称放置；从半导体泵浦源1发出的泵浦光经耦合系统2和双色镜3入射到板条晶体4上，激光起振后入射到平面全反镜5，依次被平面全反镜5、双色镜3、第一平凸镜6、第一平凹镜7、第二平凹镜8、第三平凹镜9反射到SESAM10，经SESAM10锁模后按原路返回，在双色镜3和平面全反镜5间多次反射后，经第二平凸镜11反射到输出镜12，经输出镜12输出锁模激光。

优选地，所述半导体泵浦源1，为3bar或4bar的半导体堆扎；其中，每个bar条的输出功率为80W或者100W，输出泵浦光波长为808nm、880nm或940nm。

优选地，所述双色镜3，面向所述半导体泵浦源1方向的一面镀泵浦光增透膜，另一面镀泵浦光增透膜和锁模激光高反膜。

优选地，所述板条晶体4，尺寸为12㎜×10㎜×1㎜，通光方向为10㎜，厚度为1㎜，12㎜×1㎜面镀泵浦光和锁模激光增透膜，采用水温冷却方式。

优选地，所述平面全反镜5镀泵浦光增透膜和锁模激光高反膜。

优选地，所述第一平凸镜6和所述第二平凸镜11，用于保证板条晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配。

优选地，所述第一平凹镜7和所述第二平凹镜8的曲率半径为3500mm。

优选地，所述第三平凹镜9的曲率半径为650mm。

优选地，所述SESAM10紧贴水冷铜块。

优选地，所述输出镜12为平面输出镜，面向谐振腔内的一面镀透射15％锁模激光的介质膜，另一面镀锁模激光增透膜。

本发明提供的被动锁模板条激光器具有以下优点：

1.本发明采用端面泵浦板条激光技术，大面冷却，能够有效的解决高功率锁模激光器增益介质的散热问题。

2.本发明采用可饱和吸收体作为被动锁模器件，该器件技术成熟，有利于锁模的稳定，而且不需要外界附加的调制器件，结构简单。

3.本发明可以输出稳定性高、重复频率低，单脉冲能量大的超短脉冲激光，大大增加了超短脉冲的应用范围。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是根据本发明实施例的被动锁模板条激光器的光路结构示意图；

图2是根据本发明实施例的激光器输出的稳定锁模脉冲光波图；

图3是根据本发明实施例的激光器输出脉冲宽度信号示意图；

图4是根据本发明实施例的激光器远场光斑图；

图5是根据本发明实施例的激光器输出激光光束质量示意图。

具体实施方式

为了解决现有的高功率锁模激光技术中的增益介质的散热效果不佳的问题，本发明提供了一种被动锁模板条激光器，以下结合附图以及实施例，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，并不限定本发明。

本实施例提供了一种被动锁模板条激光器，图1是根据本发明实施例的被动锁模板条激光器的光路结构示意图，如图1所示，被动锁模板条激光器包括：半导体泵浦源1，用于输出泵浦光；耦合系统2；双色镜3；板条晶体4；平面全反镜5；第一平凸镜6；第一平凹镜7；第二平凹镜8；第三平凹镜9；半导体可饱和吸收镜SESAM10；第二平凸镜11；输出镜12。在本实施例中，被动锁模板条激光器的设计原理是：

双色镜3和平面全反镜5相对于垂直板条晶体4的通光方向非对称放置；从半导体泵浦源1发出的泵浦光经耦合系统2和双色镜3入射到板条晶体4上，激光起振后入射到平面全反镜5，依次被平面全反镜5、双色镜3、第一平凸镜6、第一平凹镜7、第二平凹镜8、第三平凹镜9反射到SESAM10，经SESAM10锁模后按原路返回，在双色镜3和平面全反镜5间多次反射后，经第二平凸镜11反射到输出镜12，经输出镜12输出锁模激光1064nm。

下面分别对各个部件进行介绍，具体地：

1为半导体泵浦源，为3bar或4bar的半导体堆扎，例如：DILAS生产的4bar半导体堆扎，每个bar条的输出功率为80W或者100W，输出泵浦光波长为808nm、880nm或940nm。每个bar条的快轴方向准直，准直后快轴方向的发散角＜8mrad；慢轴方向不准直，慢轴方向发散角＜8°，有利于板条的端面泵浦。

2是耦合系统(或称为泵浦光耦合系统)，通过该耦合系统，泵浦光被整形为快轴方向为0.5mm的窄条，慢轴方向宽度为10㎜。

3是双色镜，面向半导体泵浦源1方向的一面镀泵浦光增透膜，例如：泵浦光808nm增透膜(T>98％)，另一面镀泵浦光增透膜和锁模激光高反膜，例如：泵浦光增透膜(T>98％)和锁模激光1064nm高反膜(T>99.8％)。

4是板条晶体Nd:YVO4，参杂原子分数为0.3％。尺寸为12㎜×10㎜×1㎜，通光方向为10㎜，厚度为1㎜，12㎜×1㎜面镀泵浦光和锁模激光双增透膜，例如：泵浦光808nm(T>99％)和锁模激光1064nm(T>99％)双增透膜，12㎜×10㎜面冷却，采用水温传导冷却方式。冷却水温度设置为25℃，水温控制精度为0.1℃，有利于锁模的稳定性。

5为平面全反镜，镀泵浦光增透膜和锁模激光高反膜，例如：泵浦光808nm增透膜(T>98％)和锁模激光1064nm高反膜(T>99.8％)。

6是第一平凸镜，11是第二平凸镜，用于保证板条晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，设计的激光的束腰半径为0.2mm。第一平凸镜6和第二平凸镜11的曲率半径为1000mm，凸面镀1064nm全反膜。

7和8分别为第一平凹镜和第二平凹镜，曲率半径都为3500mm，凹面镀1064nm全反膜。

9是第三平凹镜，曲率半径为650mm，用于将激光聚焦到SESAM晶体上，使SESAM上的功率密度达到饱和，输出稳定锁模激光。

10是SESAM(或称为SESAM锁模器)，将SESAM锁模器10紧贴水冷铜块，将调制产生的热及时散掉。SESAM的调制深度为3％，饱和通量为70μJ/㎝2。

12为输出镜(或称为平面输出镜)，面向谐振腔内镀透射15％锁模激光的介质膜，例如：透射15％锁模激光1064nm的介质膜，另一面镀锁模激光增透膜，例如：锁模激光1064nm增透膜(T>98％)。

本实施例中，SESAM10和输出镜12构成锁模激光器的谐振腔，设计的谐振腔长7.5m，SESAM10上的光斑半径110μm，加大半导体泵浦源1的电流，增加SESAM10上激光的功率密度，使其达到饱和状态，从而输出稳定的20.1MHz的低重复频率脉冲，锁模脉冲光波如图2所示的激光器输出的稳定锁模脉冲光波图。

本实施例可提供输出功率大于10W的高功率锁模脉冲，输出脉冲宽度信号如图3所示的激光器输出脉冲宽度信号示意图，脉冲宽度为23.6ps。

通过光束分析仪仔细调节输出镜的俯仰，使输出远场光斑圆度较高。图4是根据本发明实施例的激光器远场光斑图，光束质量如图5所示的激光器输出激光光束质量示意图，X方向光束质量为1.5，Y方向光结质量为1.4。

根据本发明的其它实施例，其中上述实施例中的激光板条晶体并非限定的，例如可以是Nd:YAG，掺杂原子分数为0.5％，对于该激光器，采用LASCAD软件设计得到板条晶体上的光斑半径为200μm，SESAM上的光斑半径为90μm，可以得到输出功率大于8W的稳定锁模。

另外，本发明可以增大SESAM上的光斑半径和泵浦光的电流，由于板条晶体的散热效果好，可以进一步提高输出功率。

总之，本发明提供的一种将锁模激光技术和端面泵浦板条激光技术相结合的被动锁模板条激光器。有效的解决了高功率锁模激光技术中的增益介质的散热问题，利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模，输出功率高，单脉冲能量大，有着广泛的应用前景。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (3)

1.一种被动锁模板条激光器，其特征在于，所述被动锁模板条激光器包括：半导体泵浦源(1)，用于输出泵浦光；耦合系统(2)；双色镜(3)；板条晶体(4)；平面全反镜(5)；第一平凸镜(6)；第一平凹镜(7)；第二平凹镜(8)；第三平凹镜(9)；半导体可饱和吸收镜SESAM(10)；第二平凸镜(11)；输出镜(12)；其中，

所述双色镜(3)和所述平面全反镜(5)相对于垂直所述板条晶体(4)的通光方向非对称放置；

从半导体泵浦源(1)发出的泵浦光经耦合系统(2)和双色镜(3)入射到板条晶体(4)上，激光起振后入射到平面全反镜(5)，依次被平面全反镜(5)、双色镜(3)、第一平凸镜(6)、第一平凹镜(7)、第二平凹镜(8)、第三平凹镜(9)反射到SESAM(10)，经SESAM(10)锁模后按原路返回，在双色镜(3)和平面全反镜(5)间多次反射后，经第二平凸镜(11)反射到输出镜(12)，经输出镜(12)输出锁模激光；

所述半导体泵浦源(1)，为3bar或4bar的半导体堆扎，每个bar条的快轴方向准直，准直后快轴方向的发散角＜8mrad；慢轴方向不准直，慢轴方向发散角＜8°；

所述双色镜(3)，面向所述半导体泵浦源(1)方向的一面镀泵浦光增透膜，另一面镀泵浦光增透膜和锁模激光高反膜；

所述板条晶体(4)，尺寸为12㎜×10㎜×1㎜，通光方向为10㎜，厚度为1㎜，12㎜×1㎜面镀泵浦光和锁模激光双增透膜，采用水温冷却方式；

所述SESAM(10)紧贴水冷铜块；

所述输出镜(12)为平面输出镜，面向谐振腔内的一面镀透射15％锁模激光的介质膜，另一面镀锁模激光增透膜；

所述第一平凸镜(6)和所述第二平凸镜(11)，用于保证板条晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，所述第一平凸镜(6)和所述第二平凸镜(11)的曲率半径为1000mm；

所述第一平凹镜(7)和所述第二平凹镜(8)的曲率半径为3500mm；

所述第三平凹镜(9)的曲率半径为650mm。

2.如权利要求1所述的被动锁模板条激光器，其特征在于，每个bar条的输出功率为80W或者100W，输出泵浦光波长为808nm、880nm或940nm。

3.如权利要求1所述的被动锁模板条激光器，其特征在于，所述平面全反镜(5)镀泵浦光增透膜和锁模激光高反膜。