CN106356713A - 一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器 - Google Patents
一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，包括半导体激光器泵浦模块、旋转增益介质和激光谐振腔，其中：所述半导体激光器泵浦模块包括半导体激光器和泵浦光耦合系统，所述激光谐振腔包括组成谐振腔的镜片以及锁模器件；所述旋转增益介质设置于所述激光谐振腔中；所述半导体激光器发出的泵浦光经泵浦光耦合系统整形后耦合进入所述激光谐振腔中的旋转增益介质，从而旋转增益介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射生成的激光在所述激光谐振腔内振荡并模式锁定后从所述激光谐振腔输出。本发明提出的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器方案能得到高功率、高光束质量的超快锁模脉冲激光输出。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器。
背景技术
半导体激光器泵浦的全固态激光器因具有稳定性好、高效率、结构紧凑、寿命长等优点，吸引着众多研究者的关注与研究。其中半导体激光器泵浦的固体锁模超快脉冲激光器由于独特的物理特性在高精度冷加工、超快化学及非线性光学等众多领域有着重要应用。
通过锁模可以获得超快激光脉冲输出，而随着技术发展，半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM)被动锁模技术使锁模更容易实现。获得超快激光脉冲要求增益介质有宽的发射谱，钛宝石的发射谱很宽，是一种实现超快锁模激光脉冲的增益介质，但是钛宝石的吸收谱在绿光波段，所以钛宝石的泵浦源也是一个技术难点。钕玻璃也具有比较宽的发射谱，而且其吸收谱在近红外波段，现在半导体技术的发展是容易为其提供泵浦源的，所以也有很多学者对钕玻璃锁模超快激光进行过研究，但是受限于钕玻璃不良的导热性能，半导体泵浦的钕玻璃锁模超快脉冲激光器的平均输出功率很低，影响了其实用性。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，获得更高功率、高光束质量以及高转换效率的超快脉冲激光输出。
为了实现上述目标，本发明提供了一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，包括半导体激光器泵浦模块、旋转增益介质和激光谐振腔，其中：
所述半导体激光器泵浦模块包括半导体激光器和泵浦光耦合系统，所述激光谐振腔包括组成谐振腔的镜片以及锁模器件；所述旋转增益介质设置于所述激光谐振腔中；
所述半导体激光器发出的泵浦光经泵浦光耦合系统整形后耦合进入所述激光谐振腔中的旋转增益介质，从而旋转增益介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射生成的激光在所述激光谐振腔内振荡并模式锁定后从所述激光谐振腔输出；
所述旋转增益介质为处于旋转状态的圆盘状、或者椭圆盘状、或者圆环状、或者椭圆环状的增益介质，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转的圆盘状增益介质的非中心位置入射或通过，在旋转过程中，所述旋转增益介质的不同位置产生受激辐射。
本发明的一个实施例中，所述旋转增益介质以其边缘处泵浦光入射位置的法线为中心轴公转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转增益介质的非中心位置入射或通过；或者，所述旋转增益介质以自身中心轴线为中心轴自转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转增益介质的非中心位置入射或通过。
本发明的一个实施例中，所述激光谐振腔需使激光模式与泵浦光良好匹配，并且使激光器满足稳定的连续锁模条件。
本发明的一个实施例中，所述泵浦光耦合系统由透镜或者光纤构成。
本发明的一个实施例中，所述激光谐振腔包括分色镜、输出镜以及锁模器件，泵浦光经泵浦光耦合系统入射到旋转增益介质，旋转增益介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射产生的激光在激光谐振腔内振荡，振荡激光通过分色镜反射到增益介质上，通过增益介质后经锁模器件，再由输出镜输出部分激光并反射剩余激光再经锁模器件与增益介质来回振荡。
本发明的一个实施例中，所述锁模器件为半导体可饱和吸收镜，或者二硫化钼饱和吸收体，或者石墨烯可饱和吸收体。
本发明的一个实施例中，所述增益介质为钕玻璃，或者Yb:KGW，或者Nd:YVO4。
本发明的一个实施例中，在所述激光谐振腔内或者激光谐振腔外加入脉宽压缩器件，以抵消色散获得更窄的脉冲输出。
本发明的一个实施例中，使振荡激光以布儒斯特角入射所述旋转增益介质，或者不以布儒斯特角入射增益介质但在激光谐振腔内插入布儒斯特片，以获得线偏振光输出。
本发明的一个实施例中，所述激光谐振腔中的分色镜双面镀泵浦光增透膜，用于反射激光的一面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光全反膜；全反镜中用于反射激光的一面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光全反膜；输出镜的两面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光部分透过膜，透过率根据使激光输出功率最佳来选取。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明采用半导体激光器端面泵浦旋转的增益介质，采用锁模技术获得脉冲激光输出。首先，增益介质中受半导体激光器泵浦的区域周期性变化，增益介质同一区域可以避免长时间连续吸收热量，吸热与散热交替进行，所以增益介质可以承受更高功率的泵浦光以获得更高功率的激光输出；其次，低温流体冷却使增益介质的温度降低，减小热效应；再者，半导体激光器发出的泵浦光与激光模式良好匹配，提高转换效率；最后，采用适合的谐振腔结构可以得到稳定的连续锁模脉冲。
总而言之，本发明提出的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器方案能得到高功率、高稳定性以及高转换效率的稳定的连续锁模激光脉冲输出。
附图说明
图1是本发明实施例中一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器结构示意图；
图2是为本发明实施例中一种旋转增益介质的旋转示意图；
图3是为本发明实施例中另一种旋转增益介质的旋转示意图；
图4是本发明实施例中另一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器结构示意图；
图5是本发明实施例中另一种的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器结构示意图；
图6是本发明实施例中另一种的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-半导体激光器泵浦模块 2-旋转增益介质 3-激光谐振腔 11-半导体激光器12-耦合系统 121-第一耦合透镜 122-第二耦合透镜 31-分色镜 32-第一折叠镜 33-第二折叠镜 34-输出镜 35-SESAM。
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，以下结合附图及实施例，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，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明采用半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的方案，增益介质中受半导体激光器泵浦的区域周期性变化，增益介质同一区域可以避免长时间连续吸收热量，吸热与散热交替进行，所以增益介质可以承受更高功率的泵浦光，可以突破静态钕玻璃导热性能差的限制，再通过SESAM锁模获得高平均功率的超快激光脉冲输出；对于其他材料的增益介质，此设计也能使其承受更高功率泵浦，获得高功率锁模激光输出。增益介质可以为钕玻璃，或者Yb:KGW，或者Nd:YVO4。
具体地，如图1所示，本发明提供了一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，包括半导体激光器泵浦模块1、旋转增益介质2和激光谐振腔3，其中：
所述半导体激光器泵浦模块1包括半导体激光器11和泵浦光耦合系统12，所述激光谐振腔3包括组成谐振腔的镜片以及锁模器件；所述旋转增益介质设置于所述激光谐振腔3中；
所述半导体激光器11发出的泵浦光经泵浦光耦合系统12整形后耦合进入所述激光谐振腔3中的旋转增益介质2，从而旋转增益介质2在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射生成的激光在激光谐振腔3内振荡并模式锁定后从所述激光谐振腔3输出。
在本发明实施例中，所述泵浦光耦合系统由透镜或者光纤构成，泵浦光经透镜组整形成合适尺寸耦合进入增益介质，也可以将泵浦光经光纤耦合进入增益介质。本发明实施例中，以透镜组为作为泵浦光耦合系统说明本发明技术方案。
在本发明具体实施例中，所述旋转增益介质为处于旋转状态的圆盘状、或者椭圆盘状、或者圆环状、或者椭圆环状的增益介质，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转的圆盘状增益介质的非中心位置入射或通过，在旋转过程中，所述旋转增益介质的不同位置产生受激辐射。
所述旋转增益介质2并非固定静态不动，而是处于动态旋转状态。为了使增益界面得到均匀的受激辐射，可以使用圆盘状增益介质，并且应处于匀速旋转状态。具体实施时，可将圆盘状增益介质夹持于一个小辊筒内，中间为通光孔，小辊筒分别与两个轴承的内圈过盈配合，两个轴承的外圈分别与另一个大辊筒的内圈过盈配合，而大辊筒固定在基座上，一个大的同步带轮与小辊筒固定在一起通过键连接传力转动，一个小的同步带轮与电动机的转动轴固定在一起通过键连接传力转动，而小的同步带轮与大的同步带轮之间通过同步带传力转动，因此圆盘状的增益介质在电机、轴承及相关组件驱动下旋转。而泵浦光与激光振荡光路从旋转的圆盘状增益介质的边缘处入射并通过，增益介质受激辐射的区域周期性变化。
而旋转增益介质2通过低温的空气流动带走热量而冷却，从而减小增益介质中的热效应，获得高功率高光束质量激光输出。
具体地，如图2所示，为本发明实施例中一种旋转增益介质的旋转示意图，所述旋转增益介质2以其边缘处泵浦光入射位置的法线为中心轴公转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转增益介质的非中心位置入射或通过；
如图3所示，为本发明实施例中另一种旋转增益介质的旋转示意图，所述旋转增益介质2以自身中心轴线为中心轴自转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转增益介质的非中心位置入射或通过。
图4所示，为本发明实施例中另一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器的结构示意图。
在本发明具体实施例中，旋转增益介质的实施方案与图1所述实施例相同。
所述泵浦光耦合系统12包括第一耦合透镜121和第二耦合透镜122，所述第一耦合透镜121和第二耦合透镜122分别是焦距为35mm与150mm的聚焦镜，并镀802nm光高透过率膜。
所述激光谐振腔包括：分色镜31、第一折叠镜32、第二折叠镜33、输出镜34和SESAM35，SESAM35作为锁模器件的同时也是谐振腔的全反尾镜。具体地，锁模器件可以为半导体可饱和吸收镜SESAM，或者二硫化钼饱和吸收体，或者石墨烯可饱和吸收体，本发明实施例中以SESAM为例。
本实施例中，泵浦光经第一耦合透镜121和第二耦合透镜122入射到旋转增益介质2，旋转增益介质2在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射产生的激光在激光谐振腔3内振荡，通过第一折叠镜32和第二折叠镜33入射到由SESAM35上，由SESAM35反射，再由第二折叠镜33、第一折叠镜32反射到增益介质2上，通过增益介质2后由分色镜31反射，再由输出镜34输出激光。
优选地，半导体激光器泵浦模块1放置于旋转增益介质2的通光方向上，泵浦光光轴从旋转增益介质2的端面通过，并与旋转增益介质2的端面中心轴成一定角度，第一耦合透镜121和第二耦合透镜122的中心位于泵浦光光轴上，第一耦合透镜121和第二耦合透镜122位于半导体激光器11和旋转增益介质2之间；分色镜31中心位于泵浦光光轴上，其反射面法线与泵浦光光轴成一定角度，增益介质2位于分色镜31与第一折叠镜32中间，第一折叠镜31与第二折叠镜32分别与泵浦光光轴成一定角度，第一折叠镜32、第二折叠镜33、分色镜31以及增益介质2端面中心轴分别与泵浦光光轴成的角度由考虑象散的大小决定。
优选地，上述增旋转增益介质2可选用钕玻璃；钕玻璃尺寸可选为Φ15mm×5mm，通光方向为Φ15mm尺寸方向，厚度为5mm，Φ15mm面镀泵浦光和激光增透膜。也可以为Nd:YVO4，Yb:KGW。
优选地，半导体激光器11发出的泵浦光经过泵浦光耦合系统12整形后在旋转增益介质2端面是圆光斑，光斑尺寸与谐振腔3内基模尺寸匹配。
优选地，上述半导体激光器1可选用的中心波长为802nm。
优选地，分色镜31双面镀泵浦光增透膜，用于反射激光的一面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光全反膜；第一折叠镜32、第二折叠镜33用于反射激光的一面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光全反膜；输出镜34两面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光部分透过膜，透过率根据使激光输出功率最佳来选取。
优选地，第一折叠镜32与分色镜31的曲率为500mm，第二折叠镜33的曲率为200mm，SESAM35的调制深度为1.2％，第一折叠镜32、第二折叠镜33与分色镜31的曲率及SESAM35参数由满足稳定连续锁模条件及激光模式与泵浦光良好匹配选取。
优选地，可以在激光谐振腔3内或者激光谐振腔3外加入脉宽压缩器件如棱镜对、Gires-Tournois反射镜和光栅对，可以抵消色散获得更窄的脉冲输出。
优选地，可以使振荡激光以布儒斯特角入射增益介质2，或者不以布儒斯特角入射增益介质2但在激光谐振腔3内插入布儒斯特片，获得线偏振光输出。
如图5所示，为本发明实施例中一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器的结构示意图。其与图4所示结构并无实质性区别，只是输出镜34的摆放位置有所调整。
如图6所示，为本发明实施例中另一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器的结构示意图。
旋转增益介质的实施方案与图1所述实施例相同。所述泵浦光耦合系统12包括第一耦合透镜121和第二耦合透镜122，所述第一耦合透镜121和第二耦合透镜122分别是焦距为35mm与150mm的聚焦镜，并镀802nm光高透过率膜。
所述激光谐振腔包括：分色镜31、第一折叠镜32、输出镜34和SESAM35，SESAM35作为锁模器件的同时也是激光谐振腔的全反尾镜。
本实施例中，泵浦光经第一耦合透镜121和第二耦合透镜122入射到旋转增益介质2，旋转增益介质2在泵浦光的激励下产生受激辐射，激光在激光谐振腔3内振荡，通过第一折叠镜32入射到由SESAM35上，由SESAM35反射，再由第一折叠镜32反射到增益介质2上，通过增益介质2后由分色镜31反射，再由输出镜34输出激光。
优选地，半导体激光器泵浦模块放置于旋转增益介质2的通光方向上，泵浦光光轴从旋转增益介质2的端面通过，并与旋转增益介质2的端面中心轴成一定角度，第一耦合透镜121和第二耦合透镜122的中心位于泵浦光光轴上，第一耦合透镜121和第二耦合透镜122位于半导体激光器11和旋转增益介质2之间；分色镜31中心位于泵浦光光轴上，其反射面法线与泵浦光光轴成一定45度角，增益介质2位于分色镜31与第一折叠镜32中间，第一折叠镜32以及增益介质2端面中心轴分别与泵浦光光轴成的角度由考虑象散的大小决定。
优选地，上述增旋转增益介质2可选用钕玻璃；钕玻璃尺寸可选为Φ15mm×5mm，通光方向为Φ15mm尺寸方向，厚度为5mm，Φ15mm面镀泵浦光和激光增透膜。也可以为Nd:YVO4，Yb:KGW。
优选地，半导体激光器11发出的泵浦光经过泵浦光耦合系统12整形后在旋转增益介质2端面是圆光斑，光斑尺寸与激光谐振腔3内基模尺寸匹配。
优选地，上述半导体激光器1可选用的中心波长为802nm。
优选地，分色镜31双面镀泵浦光增透膜，用于反射激光的一面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光全反膜；第一折叠镜32用于反射激光的一面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光全反膜；输出镜34两面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光部分透过膜，透过率根据使激光输出功率最佳来选取。
优选地，分色镜31为平面镜，第一折叠镜32的曲率为200mm，SESAM34的调制深度为1.2％，第一折叠镜32的曲率及SESAM35参数由满足稳定连续锁模条件及激光模式与泵浦光良好匹配选取。
优选地，可以在激光谐振腔3内或者激光谐振腔3外加入脉宽压缩器件如棱镜对、Gires-Tournois反射镜和光栅对，可以抵消色散获得更窄的脉冲输出。
优选地，可以使振荡激光以布儒斯特角入射增益介质2，或者不以布儒斯特角入射增益介质2但在激光谐振腔3内插入布儒斯特片，获得线偏振光输出。
需要说明的是，上述实施例中仅对泵浦光耦合系统和激光谐振腔的结构做了举例说明，而泵浦光耦合系统和激光谐振腔的结构可以由本领域技术根据需求任意搭建，只要保证使激光模式与泵浦光良好匹配，并且使激光器满足稳定的连续锁模条件即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)
1.一种半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，包括半导体激光器泵浦模块、旋转增益介质和激光谐振腔，其中：
所述半导体激光器泵浦模块包括半导体激光器和泵浦光耦合系统，所述激光谐振腔包括组成谐振腔的镜片以及锁模器件；所述旋转增益介质设置于所述激光谐振腔中；
所述半导体激光器发出的泵浦光经泵浦光耦合系统整形后耦合进入所述激光谐振腔中的旋转增益介质，从而旋转增益介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射生成的激光在所述激光谐振腔内振荡并模式锁定后从所述激光谐振腔输出；
所述旋转增益介质为处于旋转状态的圆盘状、或者椭圆盘状、或者圆环状、或者椭圆环状的增益介质，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转的圆盘状增益介质的非中心位置入射或通过，在旋转过程中，所述旋转增益介质的不同位置产生受激辐射。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，
所述旋转增益介质以其边缘处泵浦光入射位置的法线为中心轴公转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转增益介质的非中心位置入射或通过；或者，
所述旋转增益介质以自身中心轴线为中心轴自转，所述泵浦光与激光振荡光路从旋转增益介质的非中心位置入射或通过。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，所述激光谐振腔需使激光模式与泵浦光良好匹配，并且使激光器满足稳定的连续锁模条件。
4.根据权利要求1或2所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，所述泵浦光耦合系统由透镜或者光纤构成。
5.根据权利要求1或2所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，所述激光谐振腔包括分色镜、输出镜以及锁模器件，泵浦光经泵浦光耦合系统入射到旋转增益介质，旋转增益介质在泵浦光的激励下产生受激辐射，受激辐射产生的激光在激光谐振腔内振荡，振荡激光通过分色镜反射到增益介质上，通过增益介质后经锁模器件，再由输出镜输出部分激光并反射剩余激光再经锁模器件与增益介质来回振荡。
6.根据权利要求1或2所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质锁模激光器，其特征在于，所述锁模器件为半导体可饱和吸收镜，或者二硫化钼饱和吸收体，或者石墨烯可饱和吸收体。
7.根据权利要求1或2所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质锁模激光器，其特征在于，所述增益介质为钕玻璃，或者Yb:KGW，或者Nd:YVO4。
8.根据权利要求1或2所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，在所述激光谐振腔内或者激光谐振腔外加入脉宽压缩器件，以抵消色散获得更窄的脉冲输出。
9.根据权利要求1或2所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，使振荡激光以布儒斯特角入射所述旋转增益介质，或者不以布儒斯特角入射增益介质但在激光谐振腔内插入布儒斯特片，以获得线偏振光输出。
10.根据权利要求5所述的半导体激光器端面泵浦旋转增益介质的锁模激光器，其特征在于，所述激光谐振腔中的分色镜双面镀泵浦光增透膜，用于反射激光的一面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光全反膜；输出镜的两面镀中心波长为1053nm的宽带宽激光部分透过膜，透过率根据使激光输出功率最佳来选取。
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