CN105720473A - 一种被动锁模皮秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光技术领域，公开了一种被动锁模皮秒激光器。该激光器包括泵浦模块、泵浦耦合装置、激光增益介质、小孔光阑和激光谐振腔，其中激光增益介质和小孔光阑设置在激光谐振腔内；泵浦模块用于发射泵浦光，泵浦光经过泵浦耦合装置进行准直聚焦后，进入激光谐振腔内，并作用在激光增益介质上，激光增益介质吸收泵浦光后通过受激辐射跃迁产生信号光，信号光穿过小孔光阑后在激光谐振腔内不断循环振荡并不断输出激光。本发明可以有效地抑制了激光高阶模起振，使得被动锁模皮秒激光器输出激光光束质量好，锁模稳定性佳，同时其具有输出功率高，脉冲稳定性好，激光单路输出，结构紧凑，操作过程简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体的说，特别涉及一种被动锁模皮秒激光器。
背景技术
随着激光技术产业的发展，对激光光源的脉冲宽度提出了更高的要求，传统的纳秒激光器已不能满足未来激光产业发展的需求。而皮秒激光器可以实现皮秒级的超短脉冲输出，能进一步推动激光行业的发展。皮秒激光器在激光加工，生物医学，国防军事，科学研究等领域有着广阔的应用前景。尤其在激光加工领域，皮秒激光器与传统纳秒激光器相比，具有独特的优势，皮秒脉冲可以直接破坏材料的化学键，能有效的降低材料的热效应和热效应作用范围，具有加工尺度小(几微米)、加工质量高(皮秒脉宽无热效应)、速度快、高分辨率、高去除率的优势，产品广泛用于高精密尺度的钻孔、修圆、切割、焊接、划线、刻蚀、安全印务、冷切等。受到越来越多客户的关注。应用材料包括金、银、铜、铝、钼、钨等金属，也包括硅、二氧化硅、金刚石等非金属材料，还可以加工尼龙、聚酯等有机材料。因此，皮秒激光器将以其自身独特的优势在未来的激光产业中开创出一片新天地。
自1992年半导体可饱和吸收体发明以来，半导体可饱和吸收镜(SESAM)在皮秒被动锁模激光器中得到蓬勃的发展和广泛的应用。通过SESAM被动锁模来实现皮秒激光脉冲的输出是一种非常有效可行的方案。目前国内外对SESAM锁模皮秒激光器进行了大量的研究，也取得了较大的成果，专利号为CN102882113A、CN103259176A、CN102832534A、CN102832536A、CN101562310B等专利都公开了锁模皮秒激光器，但依然存在一些需要进一步改善的问题。如国内专利号为CN101562310B的专利中采用等效共焦腔的稳腔设计，使激发光在由平面镜和平凹镜构成的等效共焦腔中往返八次，得到一种锁模皮秒激光器。其优点是有效地增加了光程，降低了锁模脉冲的重复频率，激光器光学元件少，结构紧凑。然而，此锁模皮秒激光器存在如下缺点：(1)激发光多次在平凹镜上反射，会引起像散，影响激光输出的光束质量；(2)激光增益介质置于平凹镜上，不利于激光增益介质的冷却和系统稳定性；(3)平面镜和平凹镜的相对角度需要精确控制，容易受到外界环境和镜片热胀冷缩的影响，从而不利于激光器的长期稳定运转。
因此，为了解决目前被动锁模皮秒激光器存在的问题，需要一种性能更佳的被动锁模皮秒激光器。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种被动锁模皮秒激光器，其具有输出功率高，脉冲稳定性好，光束质量佳，激光单路输出，结构紧凑，操作过程简单的优点。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种被动锁模皮秒激光器，该激光器包括泵浦模块、泵浦耦合装置、激光增益介质、小孔光阑和激光谐振腔，其中激光增益介质和小孔光阑设置在激光谐振腔内；
泵浦模块用于发射泵浦光，泵浦光经过泵浦耦合装置进行准直聚焦后，进入激光谐振腔内，并作用在激光增益介质上，激光增益介质吸收泵浦光后通过受激辐射跃迁产生信号光，信号光穿过小孔光阑后在激光谐振腔内不断循环振荡并不断输出激光。
所述激光谐振腔为折叠稳定腔，其包括二向色镜、第一平凹镜、平面镜、激光输出镜、第二平凹镜和半导体可饱和吸收镜，其中二向色镜设置在泵浦耦合装置和激光增益介质之间，二向色镜上镀制泵浦光对应波长的增透膜和信号光对应波长的高反膜；
穿过小孔光阑的信号光入射至第一平凹镜，经过第一平凹镜将其反射至平面镜，平面镜也将信号光反射至激光输出镜，激光输出镜将信号光部分反射部分输出；
被激光输出镜反射的信号光依次被平面镜、第一平凹镜反射，并依次经过小孔光阑、激光增益介质至二向色镜，二向色镜将振荡光反射至第二平凹镜，第二平凹镜将其反射至半导体可饱和吸收镜，半导体可饱和吸收镜又将信号光反射回至第二平凹镜并沿原来的路线不断振荡，即信号光在激光谐振腔内不断循环振荡并不断从激光输出镜输出激光。
所述泵浦模块采用光纤耦合输出的激光二极管，最大输出功率为30W，输出波长为808nm，耦合输出光纤的芯径为400um或800um。
所述泵浦耦合装置采用两片相同的平凸镜构成，平凸镜的焦距为30mm-60mm，两片平凸镜设置在调节架上，并能调节泵浦光聚焦在激光增益介质上的位置。
所述激光增益介质(4)采用Nd:YVO4或Nd:YAG或Nd:GVO4。
所述二色向镜(3)采用45°镜。
所述小孔光阑的直径大小为0.5mm-1mm之间。
所述第一平凹镜的曲率半径为600mm-800mm，第二平凹镜的曲率半径为200mm-400mm。
所述第一平凹镜和第二平凹镜上入射光线和反射光线的夹角小于8°。
所述激光输出镜的透过率在2％-20％之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过在激光谐振腔中插入小孔光阑，通过激光增益介质受激辐射跃迁产生的信号光在激光谐振腔内振荡时，可以有效地抑制激光高阶模起振，使得被动锁模皮秒激光器输出激光光束质量好，锁模稳定性佳。
2、本发明的激光谐振腔内通过设置二向色镜、第一平凹镜、平面镜、激光输出镜、第二平凹镜和半导体可饱和吸收镜，可以实现激光单路输出，且激光器输出功率高、脉冲稳定性好；此外整个激光器的结构简单紧凑，易于实现也易于调节操作，同时其可靠性好。
附图说明
图1为本发明被动锁模皮秒激光器的组成原理图。
图2为本发明在连续锁模时输出功率与泵浦功率的关系图。
图3为本发明被动锁模皮秒激光器获得的调Q锁模脉冲波形图。
图4为本发明被动锁模皮秒激光器获得的连续锁模脉冲波形图。
图5为本发明被动锁模皮秒激光器获得的自相关曲线图。
附图标记说明：1-泵浦模块、2-泵浦耦合装置、3-二向色镜、4-激光增益介质、5-小孔光阑、6-第一平凹镜、7-平面镜、8-激光输出镜、9-第二平凹镜、10-半导体可饱和吸收镜
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1所示，本发明提供的一种被动锁模皮秒激光器，包括功率可调的泵浦模块1、泵浦耦合装置2、激光增益介质4、小孔光阑5和激光谐振腔，其中激光谐振腔为折叠稳定腔，包括二向色镜3、第一平凹镜6、平面镜7、激光输出镜8、第二平凹镜9和半导体可饱和吸收镜10，激光谐振腔内设置有激光增益介质4和小孔光阑5。
上述中，各部分功能和原理如下：
所述泵浦模块1发射泵浦光，其功率可调并采用光纤耦合输出的激光二极管，最大输出功率为30W，输出波长为808nm，耦合输出光纤的芯径为400um。工作时，将激光二极管安装在通有循环水的热沉上。
所述泵浦耦合装置2由两片相同的平凸镜构成，平凸镜的焦距为60mm，用于将泵浦模块1输出的泵浦光准直聚焦在激光晶体中心。所述的泵浦耦合装置2装配在四维调节架上，可以自由调节泵浦光聚焦在激光增益介质4上的位置。
所述二色向镜3为45°镜，并且镀制泵浦光增透膜和激光波长对应的高反膜，其对泵浦光进行透射，对激光进行反射。
所述激光增益介质4为Nd:YVO4晶体，激光增益介质4两端均镀有泵浦光和激光对应波长的增透膜，可以有效的避免标准具效应。
所述小孔光阑5的直径大小为0.8mm，小孔光阑5置于激光增益介质4后，用于抑制激光谐振腔内高阶模振荡，提高锁模稳定性和输出光束质量。
所述第一平凹镜6、第二平凹镜9和平面镜7上均镀有激光波长对应的高反膜，第一平凹镜6的曲率半径为600mm，第二平凹镜9的曲率半径为400mm，并且第一平凹镜6和第二平凹镜9上入射光线和反射光线的夹角小于8度，从而可以减小像散。
所述激光输出镜8的透过率为10％，也可以采用其它透过率的输出镜(输出镜透过率在2％-20％之间)，不同透过率的激光输出镜实现的激光锁模阈值和激光输出功率不同。
本发明具体工作原理如下：
由泵浦模块1发射泵浦光，泵浦光经过泵浦耦合装置2进行准直聚焦后，进入激光谐振腔内，二向色镜3对准直聚焦后的泵浦光进行透射，激光增益介质4吸收泵浦光后通过受激辐射跃迁产生信号光，信号光穿过小孔光阑5后入射至第一平凹镜6，经过第一平凹镜6将其反射至平面镜7，平面镜7也将信号光反射至激光输出镜8，部分信号光被激光输出镜8透射成激光输出，剩余信号光被激光输出镜8反射，沿反方向运行。
被激光输出镜8反射的信号光依次被平面镜7、第一平凹镜6反射，并依次经过小孔光阑5、激光增益介质4至二向色镜3，二向色镜3将信号光反射至第二平凹镜9，第二平凹镜9将其反射至半导体可饱和吸收镜10进行锁模，半导体可饱和吸收镜10将信号光部分反射至第二平凹镜9并沿原来的路线不断振荡，即信号光在激光谐振腔内循环振荡并不断从激光输出镜8输出激光。
上述中，为了性能优良的折叠稳定腔即激光谐振腔，根据激光增益介质4的热透镜焦距，采用矩阵光学原理对激光谐振腔进行设计，通过优化激光增益介质4上泵浦光与振荡光的模式匹配、半导体可饱和吸收镜10上的光斑尺寸、激光谐振腔的稳定性以及输出激光光束的M2因子等参数，实现一种性能更佳的被动锁模皮秒激光器。
上述中，可以对整个激光器的光路进行调节，使各个光学元件的光轴位于同一条线上，其中，将激光增益介质4用铟膜包裹并置于通有循环水的热沉中，循环水的温度设置为25℃，并将其它部件都置于调节架中，半导体可饱和吸收镜10是将半导体可饱和吸收体和高反镜集于一体，可以当作激光谐振腔的端镜使用，并置于热沉中进行散热。
上述中，使激光二极管即泵浦模块1在低功率下运转，使泵浦光经过泵浦耦合装置2准直聚焦于激光增益介质4的中心，泵浦耦合装置2装配在四维调节架上，可以微调泵浦光聚焦在激光增益介质4中的位置。随后增加泵浦电流，实现激光输出，并在低输出功率下工作，此时，在激光增益介质4后插入小孔光阑，小孔光阑也装在调节架上。
逐步增加泵浦功率，此过程中用光电探头和示波器对输出脉冲进行监测，当泵浦功率从小到大的过程中，激光器依次经历着连续、调Q锁模和连续锁模的工作状态。最后将激光器运行在连续锁模状态即循环运行不断输出激光的状态，对激光器的性能进行测试，包括输出功率、输出脉冲稳定性、脉冲宽度和光束质量等。
本发明经过反复实验和优化，验证了被动锁模皮秒激光器的可靠性，达到了本发明的目的，最终得到一种输出功率高，脉冲稳定好，光束质量佳，结构紧凑，易于操作的被动锁模皮秒激光器。
图2可以看出，当泵浦功率为11.57W时，本发明被动锁模皮秒激光器实现连续锁模，且在泵浦功率逐渐增加至16.51W的过程中，激光器一直工作在连续锁模状态，对应的连续锁模输出功率从1.39W逐渐增加至5.05W。
当泵浦功率为7.71W至11.5W时，本发明的被动锁模皮秒激光器一直工作在调Q锁模状态，图3为泵浦功率为10.5W时测得的调Q锁模脉冲，从图中可以看出，调Q锁模脉冲稳定性很好。
图4为本发明被动锁模皮秒激光器在连续锁模激光输出功率为4.5W时获得的连续锁模脉冲波形图，从图中可以看出，激光器连续锁模状态稳定，脉冲稳定性好，脉冲峰-峰值变化小于3％。
图5为本发明被动锁模皮秒激光器连续锁模输出功率为4.5W时获得的自相关曲线图，从图中可以看出，输出的皮秒激光脉冲宽度约为19.2Ps。
此外，采用光束分析仪对激光输出光束的M2因子进行了测量，当连续锁模激光输出功率为4.5W时，测得的激光光束M2因子为1.15，输出光束质量很好，说明了通过在激光谐振腔中插入小孔光阑，成功地抑制了激光谐振腔内高阶模起振，极大地优化了输出激光光束的质量。
本发明中，所给出的所有数据值均为最优的实施方式，在其它实施方式中，可以根据实际需要进行增加或减小。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种被动锁模皮秒激光器，其特征在于：该激光器包括泵浦模块(1)、泵浦耦合装置(2)、激光增益介质(4)、小孔光阑(5)和激光谐振腔，其中激光增益介质(4)和小孔光阑(5)设置在激光谐振腔内；
泵浦模块(1)用于发射泵浦光，泵浦光经过泵浦耦合装置(2)进行准直聚焦后，进入激光谐振腔内，并作用在激光增益介质(4)上，激光增益介质(4)吸收泵浦光后通过受激辐射跃迁产生信号光，信号光穿过小孔光阑(5)后在激光谐振腔内不断循环振荡并不断输出激光。
2.根据权利要求1所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述激光谐振腔为折叠稳定腔，其包括二向色镜(3)、第一平凹镜(6)、平面镜(7)、激光输出镜(8)、第二平凹镜(9)和半导体可饱和吸收镜(10)，其中二向色镜(3)设置在泵浦耦合装置(2)和激光增益介质(4)之间，二向色镜(3)上镀制泵浦光对应波长的增透膜和信号光对应波长的高反膜；
穿过小孔光阑(5)的信号光入射至第一平凹镜(6)，经过第一平凹镜(6)将其反射至平面镜(7)，平面镜(7)也将信号光反射至激光输出镜(8)，激光输出镜(8)将信号光部分反射部分输出；
被激光输出镜(8)反射的信号光依次被平面镜(7)、第一平凹镜(6)反射，并依次经过小孔光阑(5)、激光增益介质(4)至二向色镜(3)，二向色镜(3)将振荡光反射至第二平凹镜(9)，第二平凹镜(9)将其反射至半导体可饱和吸收镜(10)，半导体可饱和吸收镜(10)又将信号光反射回至第二平凹镜(9)并沿原来的路线不断振荡，即信号光在激光谐振腔内不断循环振荡并不断从激光输出镜(8)输出激光。
3.根据权利要求1所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述泵浦模块(1)采用光纤耦合输出的激光二极管，最大输出功率为30W，输出波长为808nm，耦合输出光纤的芯径为400um或800um。
4.根据权利要求1所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述泵浦耦合装置(2)采用两片相同的平凸镜构成，平凸镜的焦距为30mm-60mm，两片平凸镜设置在调节架上，并能调节泵浦光聚焦在激光增益介质(4)上的位置。
5.根据权利要求2所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述激光增益介质(4)采用Nd:YVO4或Nd:YAG或Nd:GVO4。
6.根据权利要求2所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述二色向镜(3)采用45°镜。
7.根据权利要求2所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述小孔光阑(5)的直径大小为0.5mm-1mm之间。
8.根据权利要求2所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述第一平凹镜(6)的曲率半径为600mm-800mm，第二平凹镜(9)的曲率半径为200mm-400mm。
9.根据权利要求2或6所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述第一平凹镜(6)和第二平凹镜(9)上入射光线和反射光线的夹角小于8°。
10.根据权利要求2所述的被动锁模皮秒激光器，其特征在于：所述激光输出镜(8)的透过率在2％-20％之间。
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Application publication date: 20160629 |
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