CN105207047A - 具有双z字形激光谐振腔的飞秒激光振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，包括泵浦光源、由第一透镜和第二透镜组成的泵浦耦合装置、及飞秒激光谐振腔；飞秒激光谐振腔包括第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、激光增益介质、负色散啁啾镜、第一可饱和吸收体和耦合输出镜，还包括第四凹面镜、第二可饱和吸收体。由激光增益介质、第二凹面镜、第三凹面镜和第一可饱和吸收体形成激光谐振腔第一个Z字形；由负色散啁啾镜、耦合输出镜、第四凹面镜和第二可饱和吸收体形成激光谐振腔第二个Z字形。本发明所述飞秒激光振荡器为解决环境改变对其输出稳定性的影响提供了一种新的、结构和调试更简单的设计，且成本低。

Description

具有双Z字形激光谐振腔的飞秒激光振荡器

技术领域

本发明属于飞秒激光振荡器领域，具体涉及一种具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器。

背景技术

用于工业、医疗及科研中的激光器都应具有高稳定性、易于调试的特点。但随着激光器运转时间的增加或者环境的变化，激光器的输出能量往往会有所下降，输出功率不稳定。这是由于激光器的激光谐振腔中的光学元件因温度等环境变化发生了位置偏移，这些位置偏移包括光学元件的位置移动和俯仰角度的改变。在飞秒激光振荡器中，由于激光腔较长，一般都在一米左右甚至更长，激光腔内光学元件的位置移动和光学元件的俯仰角度改变对激光输出的影响更加明显，微小的偏移就很可能造成激光器输出功率下降并停止连续锁模，严重影响激光器使用，甚至对激光器造成致命的损伤。为了避免上述问题发生，往往需要对飞秒激光器进行机械设计或者引入功率反馈系统的方法。机械设计的方法是指对激光器外壳进行精密巧妙的机械结构设计，以降低激光器外壳由于环境变化造成的畸变，从而降低环境变化对激光器输出的影响；但对飞秒激光器进行机械设计复杂繁琐，且对激光器输出稳定性的提高有限。所述引入功率反馈系统方法是指对激光器输出功率实时监控，然后通过电路反馈系统，改变加在泵浦光源上的电流，从而以改变泵浦光源的输出，进而以稳定激光器的输出。该方法可以非常有效地降低环境对激光器输出稳定性的影响，但对探测器系统的准确度要求非常高，且电路系统非常复杂，成本亦较高。

经本课题组研究分析与实验，提出一种激光谐振腔具有特别形状的飞秒激光振荡器，以克服其激光腔较长使置于腔内的光学元件因温度等环境改变的微小位置移动和光学元件的俯仰角度的改变发生的微小偏移造成激光器输出功率下降并停止连续锁模，对激光器造成致命的损伤等缺陷，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，该飞秒激光振荡器是通过对其腔型进行改进设计，从而能够降低其腔内光学元件因温度等环境变化的微小位置移动或光学元件的俯仰角度的改变的微小偏移对飞秒激光振荡器输出稳定性的影响，同时简化设计，降低了成本。

本发明所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，包括泵浦光源、由第一透镜和第二透镜组成的泵浦耦合装置、以及飞秒激光谐振腔；所述飞秒激光谐振腔包括第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、激光增益介质、负色散啁啾镜、第一可饱和吸收体和耦合输出镜，还包括第四凹面镜、第二可饱和吸收体；

按光路描述：由泵浦光源发出的泵浦光经光纤进入泵浦耦合装置，所述第一透镜位于泵浦光源经光纤发出的泵浦光的光路上，用于准直泵浦光，所述第二透镜位于经第一透镜准直后的光束的光路上，用于将该光束汇聚，所述激光增益介质位于经第二透镜汇聚形成的汇聚光束的束腰处，用于形成增益激光并使增益激光向其左右两边传播，所述第二凹面镜位于增益激光向右传输的光路上，用于将该束增益激光反射，所述第三凹面镜位于第二凹面镜形成的反射光束的光路上，用于将该光束反射；所述第一可饱和吸收体位于第三凹面镜形成的反射光束的光路上，并与该光路垂直，用于调制入射的增益激光并使该增益激光原路返回；所述激光增益介质、第二凹面镜、第三凹面镜、第一可饱和吸收体形成飞秒激光谐振腔的第一个Z字形；

所述第一凹面镜位于激光增益介质发出的增益激光向左传输的光路上，用于将该束增益激光反射，所述负色散啁啾镜位于第一凹面镜形成的反射光束的光路上，用于将该光束反射，所述耦合输出镜位于负色散啁啾镜形成的反射光束的光路上，用于将入射的增益激光部分透射部分反射，所述第四凹面镜位于耦合输出镜形成的反射光束的光路上，用于将该光束反射，所述第二可饱和吸收体位于第四凹面镜形成的反射光束的光路上，并与该光路垂直，用于将入射的增益激光调制并使该增益激光原路返回；所述负色散啁啾镜、耦合输出镜、第四凹面镜、第二可饱和吸收体形成飞秒激光谐振腔的第二个Z字形。

上述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，所述第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、第四凹面镜的凹面上均镀有对增益激光具有的高反介质膜。

上述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，所述第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、第四凹面镜的两面均镀有对泵浦光具有的高透介质膜。

上述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，所述耦合输出镜邻谐振腔的一面镀有对增益激光部分透过的介质膜，另一面镀有对增益激光的增透介质膜。

上述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，所述负色散啁啾镜邻谐振腔的一面镀有对增益激光具有负色散的高反介质膜。

本发明使激光器能够保持连续锁模状态是保证激光器输出稳定的必要条件，本发明所述具有双Z字形激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征就是通过增加第二可饱和吸收体和第四凹面镜，对飞秒激光振荡器的腔型做改进设计，其目的以获得更大的可容忍腔臂长度变化量，即可保持激光器处于连续锁模状态的激光腔臂长度变化量，和更大的光学元件的可容忍失调角度，又可保持激光器处于连续锁模状态的光学元件俯仰角度的变化量，从而使飞秒激光振荡器在环境改变时也能保持连续锁模的状态，保证其输出稳定性，降低了环境改变对激光器输出稳定性的影响，其原理如下:

一方面，新增加的激光腔臂，即第二可饱和吸收体与第四凹面镜之间的激光腔臂和第四凹面镜与耦合输出镜之间的激光腔臂，可以辅助第一可饱和吸收体实现连续锁模状态。为了获得连续锁模状态，激光器腔内的激光能量需要大于一个临界能量值，该能量值与在增益介质和可饱和吸收体上的激光光斑大小相关。光斑越大，该临界能量值越大，激光器获得连续锁模状态需要的能量也越大，因此越难获得连续锁模状态，并且激光器输出功率下降对连续锁模状态及激光器性能的影响越大。本发明所述飞秒激光振荡器在激光腔中增加了第二可饱和吸收体，增益介质不变，其临界能量值由第一和第二两个可饱和吸收体上的光斑较小的一个决定。所述飞秒激光振荡器中对光斑大小起决定性作用的为第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、第四凹面镜的位置。由激光腔ABCD矩阵计算可知，当四个凹面镜的位置分别发生移动的时候，即相应激光腔的腔臂长度发生改变时，会出现第一可饱和吸收体上光斑增大，而同时第二可饱和吸收体上的光斑减小的现象，因此第二可饱和吸收体可以在第一可饱和吸收体由于腔臂长度发生变化无法保持连续锁模的时候，有效地协助第一可饱和吸收体实现并保持激光腔的连续锁模状态。因而相比现有飞秒激光振荡器能够获得更大的可容忍腔臂长度变化量，使激光器在环境改变时保持连续锁模状态。

另一方面，新增加的第四凹面镜对激光有汇聚作用，当增益激光由于光学元件俯仰角度改变引起传播角度发生改变的时候，增加的第四凹面镜可通过汇聚作用减小该传播角度的改变，也就等效于增大了光学元件的可容忍失调角度，使激光器能够在环境改变时保持输出功率相对稳定和连续锁模状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益的技术效果：

1、本发明所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，为解决环境改变对飞秒激光振荡器输出稳定性的影响提供了一种新的，其结构更简单的设计。

2、本发明所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，通过增加第二可饱和吸收体和第四凹面镜来新增激光腔臂，对飞秒激光振荡器的腔型做改进设计，获得更大的可容忍腔臂长度变化量，和更大的光学元件的可容忍失调角度，从而使飞秒激光振荡器在环境改变时能保持相对稳定的输出功率，保持连续锁模的状态，从而降低了环境改变对飞秒激光振荡器输出稳定性的影响。

3、本发明所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其结构和调试简单，避免了复杂的激光器机械设计，更容易实现稳定激光器的输出和具体操作，且成本低。

附图说明

图1是本发明所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的结构示意图。

图2是本发明实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的功率输入输出曲线。

图3是本发明实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的激光输出光谱图。

图4是本发明实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的输出脉冲串序列图。

图中，1—泵浦光源，2—泵浦耦合装置，2-1—第一透镜，2-2—第二透镜，3—第一凹面镜，4—第二凹面镜，5—第三凹面镜，6—第四凹面镜，7—激光增益介质，8—负色散啁啾镜，9—第一可饱和吸收体，10—第二可饱和吸收体，11—耦合输出镜。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式对本发明所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器作进一步说明，但并不意味着是对本发明所述内容的任何限定。

本实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器其结构如图1所示，包括泵浦光源1、由第一透镜2-1和第二透镜2-2组成的泵浦耦合装置2和飞秒激光谐振腔，所述飞秒激光谐振腔由第一凹面镜3、第二凹面镜4、第三凹面镜5、第四凹面镜6、激光增益介质7、负色散啁啾镜8、第一可饱和吸收体9、第二可饱和吸收体10和耦合输出镜11组成。

按光路描述：由泵浦光源1发出的泵浦光经光纤进入泵浦耦合装置2，泵浦耦合装置2中所述第一透镜2-1位于泵浦光源1经光纤发出的泵浦光的光路上，用于准直泵浦光，所述第二透镜2-2位于经第一透镜2-1准直后的光束的光路上，用于将该光束进行汇聚；所述激光增益介质7位于经第二透镜2-2汇聚形成的汇聚光束的束腰处，用于将增益激光向其左右两边传播，所述第二凹面镜4位于增益激光向右传输的光路上，用于将该束增益激光反射；所述第三凹面镜5位于第二凹面镜4形成的反射光束的光路上，用于将该光束反射；所述第一可饱和吸收体9位于第三凹面镜5形成的反射光束的光路上，并与该光路垂直，用于调制入射的增益激光并使该增益激光原路返回；所述激光增益介质7、第二凹面镜4、第三凹面镜5、第一可饱和吸收体9形成飞秒激光谐振腔的第一个Z字形；

所述第一凹面镜3位于激光增益介质7发出的增益激光向左传输的光路上，用于将该束增益激光反射，所述负色散啁啾镜8位于第一凹面镜3形成的反射光束的光路上，用于将该光束反射并精确控制激光谐振腔内的总色散；所述耦合输出镜11位于负色散啁啾镜8形成的反射光束的光路上，用于将入射的增益激光部分透射部分反射，透射的部分即为激光器输出的激光。所述第四凹面镜6位于耦合输出镜11形成的反射光束的光路上，用于将该光束反射，所述第二可饱和吸收体10位于第四凹面镜6形成的反射光束的光路上，并与该光路垂直，用于将入射的增益激光调制并使该增益激光原路返回；所述负色散啁啾镜8、耦合输出镜11、第四凹面镜6、第二可饱和吸收体10形成飞秒激光谐振腔的第二个Z字形。

实施例

本实施例中，所述第一凹面镜3、第二凹面镜4、第三凹面镜5、第四凹面镜6的凹面上均镀有对增益激光中1020～1100nm光高反介质膜和对泵浦光中800～1000nm光的高透介质膜，所述第一凹面镜3、第二凹面镜4、第三凹面镜5、第四凹面镜6的另一面均镀有对泵浦光中800-1000nm光的高透介质膜。为了精确控制四个凹面镜的位置，四个凹面镜都放置在光学平移台上。

所述耦合输出镜11邻谐振腔的一面镀有对增益激光中1040±20nm光透过率为1.5％的介质膜，另一面镀有对增益激光中1040±20nm光的增透介质膜。

本实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的各元件的参数及规格如下：

泵浦光源1为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长为976nm的泵浦激光，输出功率为1W；光纤芯径为8μm，数值孔径为0.12；

泵浦耦合装置2，为两个透镜，第一透镜2-1的焦距为30mm，第二透镜2-2的焦距为60mm，第一和第二两个透镜两面均镀有对泵浦光(976nm)高透的增透膜，第二透镜2-2焦点处的泵浦光的聚焦半径约为16μm；激光增益介质7为Yb:KYW晶体，晶体的尺寸为5×5×2(mm)³，其质量掺杂浓度为5％，通光长度为2mm，所述晶体两端镀有对泵浦光976nm以及增益激光1050nm都为高透的增透膜，并用铟箔包裹固定在紫铜晶体夹内；

第一可饱和吸收体9的饱和能流为70μJ/cm²，调制深度为0.6％，弛豫时间为10ps，第二可饱和吸收体10的饱和能流为120μJ/cm²，调制深度为0.3％，弛豫时间为1ps；

负色散啁啾镜8提供-550fs²的二阶色散量。

本实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的输出情况如图2、图3、图4所示。由图2可知，所述飞秒激光振荡器最高输出的功率为80mW，激光输出的斜效率为31％；由图3可知，所述飞秒激光振荡器输出激光的中心波长为1046.2nm，光谱半高全宽为5.45nm；由图4可知，所述飞秒激光振荡器输出的重复频率为73.14MHz，激光器腔长总长为2050mm。

以可保持激光器处于连续锁模状态的第三凹面镜5到第一可饱和吸收体9的腔臂长度变化量为例，对本实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器和传统激光谐振腔的飞秒激光振荡器的可容忍腔臂长度变化量做测试和比较，测试方法如下：

保持激光腔内其它光学元件不动的情况下，移动第三凹面镜5的位置，以改变第三凹面镜5到第一可饱和吸收体9的腔臂长度，此时激光输出会出现停止连续锁模的情况。记录激光输出一直保持连续锁模状态的情况下的第三凹面镜5的可移动距离范围，计算出腔臂长度相应的腔臂长度变化量，即为该实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的可容忍腔臂长度变化量。其测试结果见表1。

对本实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器和传统激光谐振腔的飞秒激光振荡器的光学元件可容忍的失调角度做测试和比较，测试方法如下：

保持激光腔内其它光学元件不动的情况下，依次改变第一凹面镜3、第二凹面镜4、第三凹面镜5、第四凹面镜6、耦合输出镜11、负色散啁啾镜8、第一可饱和吸收体9、第二可饱和吸收体10的俯仰角。当这些光学元件俯仰角发生变化的时候，飞秒激光振荡器的输出功率会下降，并且激光输出会出现停止连续锁模的情况。记录激光输出功率下降10％的时候，各光学元件俯仰角的改变量，即为光学元件的可容忍失调角度。其测试结果见表1。

表1.

从表1可知，相比传统激光谐振腔的飞秒激光振荡器，本实施例所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器的可容忍腔臂长度变化量，即第三凹面镜5到第一可饱和吸收体9的距离和各个光学元件的可容忍失调角度均有显著提高。进一步证明本发明对飞秒激光振荡器的腔型做改进设计后，获得更大的可容忍腔臂长度变化量，和更大的光学元件的可容忍失调角度，从而使飞秒激光振荡器在环境改变时能保持相对稳定的输出功率，保持连续锁模的状态，进而降低了环境改变对飞秒激光振荡器输出稳定性的影响。

Claims (9)

1.一种具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，包括泵浦光源(1)、由第一透镜(2-1)和第二透镜(2-2)组成的泵浦耦合装置(2)、以及飞秒激光谐振腔；所述飞秒激光谐振腔包括第一凹面镜(3)、第二凹面镜(4)、第三凹面镜(5)、激光增益介质(7)、负色散啁啾镜(8)、第一可饱和吸收体(9)和耦合输出镜(11)；其特征在于还包括第四凹面镜(6)、第二可饱和吸收体(10)；

按光路描述：由泵浦光源(1)发出的泵浦光经光纤进入泵浦耦合装置(2)中位于此泵浦光路上第一透镜(2-1)，第二透镜(2-2)位于经第一透镜(2-1)准直后的泵浦光路上；激光增益介质(7)位于经第二透镜(2-2)汇聚形成的汇聚光束束腰处，使增益激光向其左右两边传输；第二凹面镜(4)位于增益激光向右传输的光路上，第三凹面镜(5)位于经第二凹面镜(4)形成反射光束的光路上；第一可饱和吸收体(9)位于第三凹面镜(5)形成反射光束的光路上且与该光路垂直，并调制入射增益激光原路返回；所述激光增益介质(7)、第二凹面镜(4)、第三凹面镜(5)、第一可饱和吸收体(9)形成激光谐振腔的第一个Z字形；

所述第一凹面镜(3)位于增益激光向左传输的光路上，所述负色散啁啾镜(8)位于经第一凹面镜(3)形成的反射光束光路上，耦合输出镜(11)位于负色散啁啾镜(8)形成的反射光束光路上，第四凹面镜(6)位于耦合输出镜(11)形成的反射光束光路上，第二可饱和吸收体(10)位于第四凹面镜(6)形成的反射光束光路上且与该光路垂直，并调制入射增益激光原路返回；所述负色散啁啾镜(8)、耦合输出镜(11)、第四凹面镜(6)以及第二可饱和吸收体(10)形成激光谐振腔的第二个Z字形。

2.根据权利要求1所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述第一凹面镜(3)、第二凹面镜(4)、第三凹面镜(5)、第四凹面镜(6)的凹面上均镀有对增益激光具有的高反介质膜。

3.根据权利要求1或2所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述第一凹面镜(3)、第二凹面镜(4)、第三凹面镜(5)、第四凹面镜(6)的两面均镀有对泵浦光具有的高透介质膜。

4.根据权利要求1或2所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述耦合输出镜(11)邻谐振腔的一面镀有对增益激光部分透过的介质膜，另一面镀有对增益激光的增透介质膜。

5.根据权利要求3所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述耦合输出镜(11)邻谐振腔的一面镀有对增益激光部分透过的介质膜，另一面镀有对增益激光的增透介质膜。

6.根据权利要求1或2所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述负色散啁啾镜(8)邻谐振腔的一面镀有对增益激光具有负色散的高反介质膜。

7.根据权利要求3所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述负色散啁啾镜(8)邻谐振腔的一面镀有对增益激光具有负色散的高反介质膜。

8.根据权利要求4所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述负色散啁啾镜(8)邻谐振腔的一面镀有对增益激光具有负色散的高反介质膜。

9.根据权利要求5所述具有双Z字形的激光谐振腔的飞秒激光振荡器，其特征在于所述负色散啁啾镜(8)邻谐振腔的一面镀有对增益激光具有负色散的高反介质膜。