CN104852275B - 一种半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器，包括输出泵浦激光的泵浦源，提供增益的Yb：YAG薄片激光晶体，增大泵浦激光吸收效率的泵浦模块，补偿腔内色散的第一GTI镜和第二GTI镜；启动并维持锁模运转的半导体可饱和吸收镜；用于构成共焦结构的第一凹面镜和第二凹面镜；产生非线性效应并使输出振荡激光线偏振的石英片；增大半导体可饱和吸收镜上功率密度的第三凹面镜；输出高功率锁模激光脉冲的输出镜。本发明在Yb：YAG薄片激光晶体上实现了锁模，获得了12.1W的飞秒激光脉冲输出；相比于以往的块状固体激光器，功率得到了明显的提升，同时输出的激光具有良好的高光束质量。

Description

一种半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器。

背景技术

激光二极管泵浦的固态激光技术集合了传统固体激光器和半导体激光器的优势，具有效率高、成本低、输出稳定、使用寿命长、结构紧凑、方便实用等优点，在激光加工、医疗、测量、显示、航空航天等领域有广泛的应用。在固体激光器中存在一个普遍的问题：散热不均匀，存在热透镜和热应力等效应。热透镜效应的存在，不仅限制了激光器的输出功率，而且会导致输出激光光束质量的下降。除此之外，晶体内部存在的热应力会导致晶体的损坏。热效应成为限制固体激光器向高功率方向发展的重要因素。薄片结构的主要特点是增益介质的厚度很薄，通常为100～400μm，增益截面远大于介质厚度。这种结构使得薄片激光器可以承受较高的泵浦功率密度，同时增益介质的温度不会有大的变化。在纵向泵浦模式下，薄片结构的热梯度近似是一维的，热梯度的方向垂直于介质表面，产生的热量可以被水冷带走。因此热透镜、热畸变和热致双折射等效应可以最大程度避免。因此，薄片激光器可以实现高功率的激光输出，同时可以保证输出激光的光束质量。由于半导体可饱和吸收镜在工作波长以及饱和吸收特性等诸多参数上的可灵活设计的特点，使其成为是常用的被动锁模元件。虽然半导体可饱和吸收镜的典型吸收恢复时间为100fs-100ps量级，但是通过孤子锁模机制，能够从振荡器中直接产生10fs左右的超短激光脉冲。而且同克尔透镜锁模相比，通过采用半导体可饱和吸收镜，锁模状态对谐振腔的调节要求不再那么苛刻，激光器的设计变得更加简单、灵活，并且锁模脉冲能够自启动运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器，旨在解决固体激光器中存在的散热不均匀，热透镜和热应力等效应，限制了激光器的输出功率，导致输出激光光束质量的下降和晶体损坏的问题。

本发明是这样实现的，一种半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器，所述半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器依次设置有泵浦源、Yb:YAG薄片激光晶体、泵浦模块、第二GTI镜、半导体可饱和吸收镜、第一凹面镜、石英片、第三凹面镜、第一GTI镜、第二凹面镜、输出镜；

所述泵浦源，用于输出波长为940nm的泵浦激光；

所述Yb:YAG薄片激光晶体，用于提供增益；

所述泵浦模块，用于增大泵浦激光的吸收效率；

所述第一GTI镜和第二GTI镜，用于补偿腔内的色散；

所述半导体可饱和吸收镜，用于启动并维持锁模运转；

所述第一凹面镜和第二凹面镜，用于构成共焦结构；

所述石英片，用于产生非线性效应，并使输出的振荡激光线偏振；

所述第三凹面镜，用于将光斑聚焦到半导体可饱和吸收镜上，增大半导体可饱和吸收镜上的功率密度；

所述输出镜，用于输出高功率的锁模激光脉冲。

进一步，所述泵浦源为光纤耦合输出半导体激光器，输出功率为100W，经光纤输出后通过光学耦合系统，聚焦到增益晶体上的光斑直径为2.3mm。

进一步，所述Yb:YAG薄片激光晶体为厚度220μm，直径为10mm，掺杂浓度为7at.％的Yb:YAG，前表面镀有对泵浦激光和增益激光的高透介质膜，后表面镀有对泵浦激光和振荡激光的高反介质膜，后表面直接固定在水冷热沉上。

进一步，所述泵浦模块由屋脊棱镜和抛物面镜组成。

进一步，所述半导体可饱和吸收镜调制深度为1％，饱和通量为90μJ/cm²，弛豫时间小于500fs，中心波长为1040nm，安装在可调节的光学平移台上，且放置在所述第三凹面镜的焦点处。

进一步，所述第一凹面镜和第二凹面镜的镜片镀有对振荡激光高反介质膜，R>99.9％，曲率半径分别为R1＝200mm，R2＝150mm；所述第二凹面镜安装在可调节的光学平移台上。

进一步，所述石英片的厚度为2mm。

进一步，所述第三凹面镜镜片镀有对振荡激光高反介质膜，R>99.9％，曲率半径为R3＝500mm。

进一步，所述输出镜朝向谐振腔内的一面镀有对振荡激光处具有一定输出耦合率的介质膜，另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。

本发明提供的半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器，可以获得高平均功率和高光束质量的锁模激光脉冲；首先Yb：YAG薄片激光晶体的散热特性良好，可以承受较高的泵浦功率，进而获得较大的输出功率；其次谐振腔内，除半导体可饱和吸收镜外的光学元件上的激光模式的直径均较大(1.5～2mm)，大大降低的光学元件和Yb:YAG晶体的热效应，从而可以获得高光束质量的激光输出；最后采用的半导体可饱和吸收镜锁模，可以实现自启动并能长时间运行；解决了固体激光器中存在的热效应的问题，大大提高了锁模固体激光器输出的平均功率。本发明通过半导体可饱和吸收镜在Yb:YAG薄片激光晶体上实现了锁模，获得了12.1W的飞秒激光脉冲输出。本发明输出的激光脉冲具有良好的光束质量(M²<1.1)，相比于以往的块状固体激光器，功率得到了明显的提升。

附图说明

图1是本发明实施例提供的半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器结构示意图；

图中：1、泵浦源；2、Yb:YAG薄片激光晶体；3、泵浦模块；4、第二GTI镜；5、半导体可饱和吸收镜；6、第一凹面镜；7、石英片；8、第三凹面镜；9、第一GTI镜；10、第二凹面镜；11、输出镜；

图2是本发明实施例提供的一个实施例的激光器得到的稳定锁模输出的脉冲信号示意图；

图3是本发明实施例提供的一个实施例的激光器用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号示意图；

图4是本发明实施例提供的一个实施例的激光器用光谱仪测得的输出光谱信号示意图；

图5是本发明实施例提供的激光器用频谱分析仪测得的频谱图；

图中：(a)是分辨率1kHz时的频谱；(b)是分辨率为100kHz时的频谱。

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于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb:YAG薄片激光器光路如下：从泵浦源发出的940nm泵浦激光经过准直镜系统，通过泵浦模块聚焦到Yb:YAG薄片激光晶体上，由Yb:YAG薄片激光晶体产生的1.03μm增益激光入射到第一GTI镜，并被第二GTI镜和第三凹面镜反射，入射到半导体可饱和吸收镜上，半导体可饱和吸收镜将激光原路返回，到达第一凹面镜，透过布儒斯特角放置的石英片，并被第二凹面镜反射到输出镜，起振后通过输出镜输出高功率、高功率的锁模激光脉冲。

下面结合附图1对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb:YAG薄片激光器包括：泵浦源1、Yb:YAG薄片激光晶体2、泵浦模块3、第二GTI镜4、半导体可饱和吸收镜5、第一凹面镜6、石英片7、第三凹面镜8、第一GTI镜9、第二凹面镜10、输出镜11。

泵浦源1，为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出波长为940nm的泵浦激光，典型输出功率为100W，经光纤输出后通过光学耦合系统，聚焦到增益晶体上的光斑直径约为2.3mm。

Yb:YAG薄片激光晶体2为厚度220μm，掺杂浓度为7at.％的Yb:YAG，前表面镀有对泵浦激光和振荡激光的高透介质膜，后表面镀有对泵浦激光和振荡激光的高反介质膜，晶体的后表面直接固定在水冷热沉上，避免由于热积累导致输出激光的稳定性变差。

泵浦模块3由屋脊棱镜和抛物面镜组成，准直后的泵浦激光通过抛物面镜聚焦到晶体上，通过晶体和屋脊棱镜的反射，达到泵浦激光24次通过晶体的目的，从而增大对泵浦激光的吸收效率。

第一凹面镜6和第二凹面镜10构成共焦结构，镜片镀有对振荡激光高反介质膜(R>99.9％)，曲率半径分别为R1＝200mm，R2＝150mm。

石英片7的厚度为2mm，与振荡激光成布儒斯特角放置，用于产生非线性效应，并使输出的振荡激光线偏振。

第二GTI镜4和第一GTI镜9，用来补偿腔内空气以及石英片引入的自相位调制。

第三凹面镜8，将光斑聚焦到半导体可饱和吸收镜5上，增大半导体可饱和吸收镜5上的功率密度。镜片镀有对振荡激光高反介质膜(R>99.9％)，曲率半径为R3＝500mm。

半导体可饱和吸收镜5，调制深度为1％，饱和通量为90μJ/cm²，弛豫时间小于500fs，中心波长为1040nm，用来启动和稳定锁模状态。

输出镜11，为平面透镜，面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为2.5％的介质膜，另一面镀有对振荡激光的增透介质膜(T>99.8％)。

在本发明的实施例中，输出镜11和半导体可饱和吸收镜5构成了谐振腔的两个端镜，对应重复频率57.43MHz，用ABCD矩阵计算得到Yb:YAG薄片激光晶体2上的束腰为1.5mm×1.5mm。

用本发明实施例提供的激光器可以获得输出功率为12.1W的稳定连续锁模，用光电二极管监测到的腔内锁模信号如图2所示，假设脉冲为双曲正割型时，如图3所示，脉冲宽度为698fs；其在光谱仪上所测得的光谱如图4所示，光谱宽度为1.9nm。

利用商用的频谱分析仪测得的锁模频谱图如图5所示。其中5(a)的分辨率为1kHz，频率范围为100kHz；图5(b)的分辨率为100kHz，频率范围为1GHz。示波器上所示脉冲序列与频谱仪测量的结果均表明本发明实施例提供的激光器具有很好的稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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 (1)

1.一种半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜锁模的高功率Yb：YAG薄片激光器依次设置有泵浦源、Yb:YAG薄片激光晶体、泵浦模块、第二GTI镜、半导体可饱和吸收镜、第一凹面镜、石英片、第三凹面镜、第一GTI镜、第二凹面镜、输出镜；

所述泵浦源，用于输出波长为940nm的泵浦激光；

所述Yb:YAG薄片激光晶体，用于提供增益；

所述泵浦模块，用于增大泵浦激光的吸收效率；

所述第一GTI镜和第二GTI镜，用于补偿腔内的色散；

所述半导体可饱和吸收镜，用于启动并维持锁模运转；

所述第一凹面镜和第二凹面镜，用于构成共焦结构；

所述石英片，用于产生非线性效应，并使输出的振荡激光线偏振；

所述第三凹面镜，用于将光斑聚焦到半导体可饱和吸收镜上，增大半导体可饱和吸收镜上的功率密度；

所述输出镜，用于输出高功率的锁模激光脉冲；

所述泵浦源为光纤耦合输出半导体激光器，输出功率为100W，经光纤输出后通过光学耦合系统，聚焦到增益晶体上的光斑直径为2.3mm；

所述Yb:YAG薄片激光晶体为厚度220μm，直径为10mm，掺杂浓度为7at.％的Yb:YAG，前表面镀有对泵浦激光和振荡激光的高透介质膜，后表面镀有对泵浦激光和振荡激光的高反介质膜，后表面直接固定在水冷热沉上；

所述泵浦模块由屋脊棱镜和抛物面镜组成；

所述半导体可饱和吸收镜调制深度为1％，饱和通量为90μJ/cm²，弛豫时间小于500fs，中心波长为1040nm，安装在可调节的光学平移台上，且放置在所述第三凹面镜的焦点处；

所述第一凹面镜和第二凹面镜的镜片镀有对振荡激光高反介质膜，R>99.9％，曲率半径分别为R1＝200mm，R2＝150mm；所述第二凹面镜安装在可调节的光学平移台上；

所述石英片的厚度为2mm；

所述第三凹面镜镜片镀有对振荡激光高反介质膜，R>99.9％，曲率半径为R3＝500mm；

所述输出镜为平面透镜，朝向谐振腔内的一面镀有对振荡激光处具有一定输出耦合率的介质膜，另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。