CN105576491A - 一种飞秒激光振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光振荡器，包含一台532nm泵浦光、一块钛宝石晶体、一套激光谐振腔及一套色散补偿元件等几个部分组成，532nm的泵浦光经过泵浦光导入装置照射到钛宝石晶体上，产生受激辐射，受激辐射的光在激光谐振腔内来回振荡得到放大，并输出连续光，色散补偿元件放置在谐振腔内补偿输出激光在谐振腔内振荡所产生的色散以达到锁模条件，其中本激光器的扰动锁模方式采用腔外反回光的形式来实现，将出射的连续光部分的反回到飞秒激光器内，从而达到锁模，实现飞秒脉冲的输出。

Description

一种飞秒激光振荡器

技术领域

本发明属于超快激光领域，涉及一种钛宝石飞秒激光器。

背景技术

飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短，目前已经达到了4fs以内。1飞秒(fs)，即10^-15s，仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大(CPA)技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦(TW，即10¹²W)甚至拍瓦(PW，即10¹⁵W)量级，其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。

近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。桑迪亚国家实验室的R.Trebino说：“过去10年中，(超快)技术已有显著改善，钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒)激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到，而10年前，你却必须自己建立。”

根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域，并开创了一些全新的研究领域，如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合，使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面，人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/探测技术，研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在10²⁰W/cm²的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。10¹⁹-10²¹W/cm²的超高强激光产生的热电子(200keV＜E＜1MEV)可以加热大量离子而引发核聚变。这种惯性约束核聚变(ICF)快点火概念的最终实现将为国家安全和能源利用做出不可估量的贡献。

飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒(相当于热传导时间)的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。我们相信，随着超短脉冲激光技术的进一步发展以及具有高可靠性的商用飞秒激光器的进一步完善，飞秒激光一定会在更多领域获得更为广泛的应用。

目前最常用的就是钛宝石飞秒激光器，其原理主要为掺钛蓝宝石的自锁模效应，掺钛蓝宝石激光的自锁模现象是由苏格兰的Spence等人于1990年发现的，该技术的问世可以说是完全翻开了超短脉冲激光研究的全新篇章，与传统的主动锁模及被动锁模不同的是，对于某些含有强克尔效应介质的激光振荡器，在特定的腔型结构下，无需采用任何外加的调制或饱和吸收体，即可实现稳定的锁模运转，这种简单的结构与具有超宽调谐带宽的掺钛蓝宝石激光相结合，已成为当前超短脉冲激光发展的主流，并已直接产生了短于5fs的光脉冲。

目前这种锁模技术所依赖的基本原理普遍认为是由于固体增益介质在强聚焦泵浦下所形成的克尔效应所致，我们知道，在非均匀光作用下，由于克尔效应，介质的折射率由下式表述：

n(r)＝n₀+n₂I(r)

其中n₀为与光强无关的静态折射率，n₂为克尔系数，I(r)为光强分布，这样在泵浦光及振荡光的作用下，介质的折射率分布将沿径向发生变化，增益介质等价为一自聚焦透镜，当振荡激光通过该介质时，较强的光与较弱的光表现为两套不同的聚焦形式，其在腔内各处也表现为不同的光束尺寸，这样如果在腔内某处加一尺寸合适的硬边光栏，使得较强光由于强聚焦引起的传输光束正好通过该光栏，而较弱光的弱聚焦引起的传输光束不能通过，则系统等价于一快速饱和吸收体，激光经过多次往返振荡达到动态平衡后，稳定的自锁模过程也就建立起来了。进一步的研究表明，在一定的腔型结构下，具有自聚焦效应的激光晶体中也存在着类似光栏的泵浦光-振荡光相互分布，这种机理通常也称为软边光栏，软边光栏技术使得自锁模激光结构更加简单，锁模调节也更为方便。

现在常用的锁模技术均是在振荡腔内进行，或者在腔内插入声光调制器，或者推动腔镜、棱镜，或者在腔内插入光阑进行。不论哪种方式，均因为在腔内进行，会造成腔的不稳定或者在腔内引入损耗、色散，对飞秒激光的脉冲宽度或者输出稳定性产生影响。本发明正是针对上述问题提出的一种飞秒激光器，可以通过新型的锁模装置，提高飞秒激光器的稳定性，缩短脉冲宽度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有钛宝石飞秒激光锁模装置的缺点，提供一种新型的锁模装置，提高飞秒激光器的稳定性，缩短脉冲宽度。

本发明的飞秒激光振荡器，包含一台532nm泵浦光、一块钛宝石晶体、一套激光谐振腔及一套色散补偿元件等几个部分组成，532nm的泵浦光经过泵浦光导入装置照射到钛宝石晶体上，产生受激辐射，受激辐射的光在激光谐振腔内来回振荡得到放大，并输出连续光，色散补偿元件放置在谐振腔内补偿输出激光在谐振腔内振荡所产生的色散以达到锁模条件，其中本激光器的扰动锁模方式采用腔外反回光的形式来实现，将出射的连续光部分的反射回到飞秒激光器内，从而达到锁模，实现飞秒脉冲的输出。

腔外反回光可以通过镜面反射来实现，反回光点易于调节且整个装置可以放置在远离激光出口处。

腔外反回光可以通过漫反射来实现，整个装置可以放在激光器出口处，整个装置基本上不需要调节装置就可以实现有光返回到输出光内。

腔外反回光可以通过介质膜反射镜的反射来实现，可以通过选择镀膜选择反回光的比例，提高锁模几率。

其中腔外反回光装置放置在平移台上，可以通过平移台的移动来控制是否反回光。

其中腔外反回光装置放置在旋转台上，可以通过旋转台的转动来控制是否反回光

其中，色散补偿元件可以为棱镜对，且棱镜对的高度高于整个激光谐振腔的高度，输出的飞秒激光锁模后经爬高镜，原路返回谐振腔内，再次经过棱镜对进行色散补偿，这样可以对飞秒激光进行再一次的压缩。

最后，由于移动锁模装置外置，飞秒激光振荡器所有元件可以全部采用永久固定方式固定，提高飞秒激光的稳定性

本发明和现有技术相比，其优势在于：

首先，锁模装置在谐振腔外，可以减少腔内的移动元件，提高谐振腔的稳定性，并且和声光调制锁模方式相比，不用在腔内插入额外器件，从而可以减小腔内的色散，进一步压缩飞秒激光脉冲宽度。并且，通过镜片反回光，可以实现远距离锁模；通过漫反射反回光，可实现简易锁模，并提高锁模成功率；通过介质膜反射镜锁模，可以在远距离锁模时提高锁模成功率；

其次，通过平移台移动锁模装置或转台转动锁模装置，可以实现锁模装置的自动化；因为腔内再没有任何移动装置，可以通过永久固定方式固定所有镜片，从而极大的提高激光器的稳定性。

最后，通过色散补偿装置的特殊设计，可以提高色散补偿装置的利用效率，进一步压缩飞秒激光的脉冲宽度。

总之，本发明的飞秒激光器，既具有较高的稳定性，又具有较短的脉冲宽度，对于飞秒激光器的大范围推广有着十分重要的意义。

附图说明

图1是一个飞秒激光振荡器的示意图；

101-532nm泵浦激光器，102-泵浦光反射镜，103-聚焦镜，104-凹面反射镜，105-钛宝石晶体，106-凹面反射镜，107-色散补偿棱镜，108-平面反射镜，109-平面反射镜，110-平面反射镜，111-色散补偿棱镜，112-输出镜，113-毛玻璃，114-后端镜

图2是一个放置在平移台上的外置锁模装置的示意图；

201-平移台外置锁模装置

图3是一个放置在旋转台上的外置锁模装置的示意图；

301-旋转台外置锁模装置

图4是一个带有双次色散补偿装置的飞秒激光振荡器示意图；

401-爬高镜，402-色散补偿棱镜，403-色散补偿棱镜，404-平面反射镜

具体实施方式

下面结合实施例和附图来对本发明作进一步说明。

实施例1：

一台飞秒激光振荡器如图1所示，532nm泵浦激光器101输出的532nm的激光经泵浦光反射镜102反射后，被聚焦镜103聚焦到激光谐振腔内，对钛宝石晶体105进行泵浦，钛宝石晶体105发出的自发光一部份经凹面反射镜106、反射镜105反射后到达后端镜114。另外一部分自发光经凹面反射镜104反射后，通过色散补偿棱镜107、反射镜108、反射镜110、色散补偿棱镜111后，到达输出镜112，仔细调整输出镜112和后端镜114的姿态，可以实现800nm的连续光输出，仔细调整色散补偿棱镜107和111的位置以充分弥补连续光在腔内振荡所产生的色散。此时将毛玻璃113插入到输出激光的光路中，将输出的激光部分的反射回激光腔内，即可实现锁模。

实施例2：

图2为一个放置在平移台上的外置锁模装置的示意图；平移台外置锁模装置201由反射镜，反射镜架及平移台组成。该装置可以放置于整个激光器外部，通过调整反射镜架，将镜片上的反射光部分的反射回激光腔内，从而实现锁模。而通过平移台的移动，可以将反射镜片插入和离开输出光束，从而实现锁模光的输出。平移台也可以是电动平移台，从而实现锁模装置的电动控制。

实施例3：

图3位一个放置在旋转台上的外置锁模装置的示意图；旋转台外置锁模装置301由反射镜，反射镜架及旋转台组成。与实施例2不同的是，其通过旋转反射镜实现将反射镜片插入和离开输出光束，从而实现锁模光的输出。旋转台也可以是电动旋转台，从而实现锁模装置的电动控制。

实施例4：

图4是一个带有双次色散补偿装置的飞秒激光振荡器示意图；输出镜输出的激光经爬高镜401之后反回到腔内，再次经过色散补偿棱镜402、403之后，被反射镜404反出激光腔外，输出激光。这样，色散棱镜可以被利用两次，并且可以使输出的激光带有一定的负色散，从而便于使用。

尽管参照上述的实施例已对本发明做出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解并可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (8)

1.一种飞秒激光振荡器，其由532nm泵浦光、钛宝石晶体、激光谐振腔及色散补偿元件等几个部分组成，532nm的泵浦光经过泵浦光导入装置照射到钛宝石晶体上，产生受激辐射，受激辐射的光在激光谐振腔内来回振荡得到放大，并输出连续光，色散补偿元件放置在谐振腔内补偿输出激光在谐振腔内振荡所产生的色散，其特征在于扰动锁模方式采用腔外反回光的形式来实现。

2.如权利要求1所述的飞秒激光振荡器，其特征在于腔外反回光通过镜面反射来实现。

3.如权利要求1所述的飞秒激光振荡器，其特征在于腔外反回光通过漫反射来实现。

4.如权利要求1所述的飞秒激光振荡器，其特征在于腔外反回光通过介质膜反射镜的反射来实现。

5.如权利要求1-4所述的飞秒激光振荡器，其特征在于腔外反回光装置放置在平移台上。

6.如权利要求1-4所述的飞秒激光振荡器，其特征在于腔外反回光装置放置在旋转台上。

7.如权利要求1-4所述的飞秒激光振荡器，其特征在于色散补偿元件为棱镜对，且棱镜对的高度高于整个激光谐振腔的高度，输出的飞秒激光锁模后经爬高镜后，原路返回谐振腔内，再次经过棱镜对进行色散补偿。

8.如权利要求1-7所述的飞秒激光振荡器，其特征在于振荡器所有元件全部采用永久固定方式固定。