CN107565354B - 一种ld泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光二极管泵浦的超快激光技术领域，公开了一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，包括：LD泵浦源；从泵浦源发出激光经过准直聚焦镜后入射到Yb激光晶体，增益激光起振后入射到第二凹面镜，并被第二凹面镜、第一GTI镜、第二GTI镜和第三凹面镜依次反射；通过布儒斯特角摆放的克尔介质入射到第四凹面镜；第四凹面镜反射到平面反射镜，平面反射镜反射激光并将其原路返回，到达双色镜，并依次被双色镜和第一凹面镜反射；通过一个小孔到达输出镜。本发明首次实现LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模全固态激光器，获得脉冲宽度小于100fs、平均功率大于1W的超短激光脉冲输出，与现有技术相比输出功率有了显著的提高。

Description

一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器

技术领域

本发明属于LD(Laser Diode，激光二极管)泵浦的超快激光技术领域，尤其涉及一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器。

背景技术

自从激光诞生以来，追求更短的脉冲宽度一直是人们努力追求的目标。超短的脉冲宽度使得快速时间分辨成为可能，类似于闪光灯捕捉高速的动作一样，超短脉冲激光也能“冻结”像分子或电子这样超快运动的物体，因此可以探测化学反应动力学和高速运动电子的电光采样。利用超短脉冲激光，分子分解动力学和更多复杂的化学反应动力学过程可以被观测。同时，时域上超短的脉冲宽度对应着频域上宽带的光谱，使得更精细的空间分辨成为可能。1991年，英国的D.E.Spence等人首次采用自锁模技术实现了脉冲宽度为60fs的掺钛蓝宝石飞秒振荡器(D.E.Spence et al.,Opt.Lett.16,42(1991))，腔内不需要任何锁模元件，仅利用增益介质本身的克尔效应作为可饱和吸收体，在一定结构下即可实现稳定的自锁模运转，这种新的锁模机制称为克尔透镜锁模，它成为掺钛蓝宝石飞秒振荡器发展过程中的里程碑。利用克尔透镜锁模，掺钛蓝宝石飞秒振荡器目前已经实现了周期量级脉冲宽度的飞秒脉冲输出。虽然克尔透镜锁模掺钛蓝宝石飞秒振荡器取得了辉煌的成就，但是它也存在着一些固有的缺点，例如成本高昂，结构复杂庞大，限制了掺钛蓝宝石飞秒激光器的应用，使得掺钛蓝宝石飞秒激光器的应用只局限在一些大型的实验室中，不能获得广泛的应用。基于这种状况，LD泵浦的全固态飞秒激光器应运而生，采用LD泵浦具有成本低廉，结构简单紧凑等优点，有利于飞秒激光器的广泛应用。同时，采用LD泵浦具有亮度高，功率大等优点，十分适合高功率飞秒激光的输出，在国防、工业、医疗以及科研等领域有着十分重要的应用。随着高功率、高亮度的LD的发展，各种全固态晶体、陶瓷以及其他材料被用作于产生飞秒激光的研究当中。在众多的材料当中，掺杂Yb³⁺离子的激光晶体具有很大的优势，这种晶体具有很多优良的特性，例如没有激发态的吸收、没有交叉弛豫，很高的量子效率，很小的量子亏损，很长的荧光寿命以及具有很宽的发射带宽。利用高亮度LD作为泵浦源，利用克尔透镜效应，人们已经在多种掺镱激光晶体如Yb:LYSO(W.Tian etal.Opt.Express 22(16),19040-19046(2014))、Yb:YGG(J.Zhang et al.Optics Express21,29867-29873(2013).)和Yb:KYW(H.Liu et al.Opt.Lett.26,1723-1725(2001).)等中实现了亚100fs的超短脉冲产生。但是为了实现克尔透镜锁模，要求使用高亮度的LD泵浦源(耦合光纤芯径为50微米)，而这种泵浦源的输出功率不超过8W，大大的限制了克尔透镜锁模脉冲的平均功率。目前从LD泵浦的克尔透镜锁模全固态激光器中输出的亚百飞秒超短脉冲，其平均功率只有百毫瓦量级。以Yb:CYA晶体为例，Yb:CYA晶体的发射光谱半高宽约为77nm，非常有利于产生亚50fs超短脉冲。而且Yb:CYA晶体的热力学性能也比较优良。在301K下，掺杂浓度为1at.％的Yb:CYA晶体的比热容为0.593Jg-1K-1，这与Nd:YAG的比热容基本相同，并且在温度变化时，其比热容值基本保持不变。Yb:CYA晶体较高的比热容值也预示着该晶体具有较高的光学破坏阈值。Yb:CYA晶体的热导率为3.6Wm/K，而Yb:CYA晶体的发射截面值为0.8×10-20cm2。因此Yb:CYA晶体是能够同时兼顾高平均功率和窄脉冲宽度输出的优秀激光介质，非常具有潜力直接输出平均功率大于1W的亚100fs超短脉冲。然而尽管LD泵浦的Yb:CYA克尔透镜锁模激光器可以产生短至33fs的自锁模脉冲，但其平均功率仅仅只有36mW(Z.Y.Gao et al.Photonics Research,3(6):335-338(2015).)。即使利用单模光纤激光器作为泵浦源，克尔透镜锁模的Yb:CYA振荡器目前输出的57fs脉冲平均功率也只有250mW(Z.J.Yu et al.Optics Express,24(3):3103-3111(2016).)。

综上所述，现有技术存在的问题是：亚100fs的超短脉冲产生往往需要利用克尔透镜锁模技术来实现，而克尔透镜锁模要求高亮度单横模的泵浦源来引入软边光阑。而目前市面上的单横模LD激光器的最高输出功率只有1W，从而大大限制了克尔透镜锁模的输出功率。虽然多横模LD的输出功率很高，但其亮度非常低，很难实现软边光阑的克尔透镜锁模，因此如何利用高功率多横模的LD泵浦Yb全固态激光器产生平均功率>1W的亚百飞秒超短激光成为急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器。

本发明是这样实现的，一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，所述LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器包括：

泵浦源，用于输出波长为976nm的泵浦激光，输出功率为30W，光纤芯径为105微米，数值孔径0.22，光纤输出后经过1：1的光学耦合系统聚焦，聚焦后的光斑直径为105μm；

平面双色镜，用于耦合泵浦光到腔内；

Yb激光晶体，以布儒斯特角放置，并置于水冷铜块上；

第一凹面镜和第二凹面镜，用于保证激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；

第一GTI镜和第二GTI镜，用于提供-1850fs²的反常色散，补偿腔内空气以及激光晶体引入的正常色散；

第三凹面镜和第四凹面镜，用于提高克尔介质中的振荡激光功率密度；

克尔介质，用于引入克尔效应；

平面反射镜，作为谐振腔端镜，反射率R>99.9％；

小孔，置于输出镜前，用于硬边光阑；

输出镜，为平面镜，用于输出激光。

进一步，所述泵浦源最大输出功率为30W，其耦合光纤芯径为105微米。

进一步，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径为300mm。

进一步，所述Yb激光晶体两面不镀膜，以布儒斯特角放置，且被置于水冷铜块上。

进一步，所述平面双色镜面向泵浦源的一端镀有对泵浦激光增透的介质膜，另一端镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜。

进一步，所述第三凹面镜和第四凹面镜的曲率半径为100mm。

进一步，所述克尔介质的厚度为2mm，布儒斯特角放置。

进一步，所述第一GTI镜和第二GTI镜对腔内引入负色散，其负色散总量为-1850fs²。

进一步，所述输出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。

本发明的优点及积极效果为：从泵浦源发出的激光经过准直聚焦镜后入射到掺镱激光晶体上，增益激光起振后入射到第二凹面镜，并被第二凹面镜、第一GTI镜、第二GTI镜和第三凹面镜依次反射；然后通过布儒斯特角摆放的克尔介质入射到第四凹面镜；最后被第四凹面镜反射到平面反射镜，平面反射镜反射激光并将其原路返回，到达双色镜，并依次被双色镜和第一凹面镜反射，通过一个小孔到达输出镜，起振后通过输出镜输出脉冲宽度小于100fs、平均输出功率大于1W的锁模激光。

本发明首次实现LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模全固态激光器，获得了脉冲宽度小于100fs、平均功率大于1W的超短激光脉冲输出；相比于以往LD泵浦的克尔透镜锁模掺镱全固态激光器来说，输出功率有了显著的提高；亚100fs的超短脉冲产生往往需要利用克尔透镜锁模技术来实现，而克尔透镜锁模要求高亮度单横模的泵浦源来引入软边光阑。而目前市面上的单横模LD激光器的最高输出功率只有1W，从而大大限制了克尔透镜锁模的输出功率。虽然多横模LD的输出功率很高，但其亮度非常低，很难实现软边光阑的克尔透镜锁模优势就是功率高，脉冲短，高功率肯定比低功率有更好的应用前景。

本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧、适于重复生产和组装，适于批量化生产、成本较低、激光单向输出、高重复频率、W级平均功率、亚100fs量级的脉冲宽度、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器的光路结构示意图。

图2是本发明实施例提供的激光器得到的稳定锁模输出的功率曲线示意图。

图3是本发明实施例提供的激光器得到的稳定锁模输出的脉冲序列示意图。

图4是本发明实施例提供的激光器用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号示意图。

图5是本发明实施例提供的激光器用光谱仪测得的输出光谱信号示意图。

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以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器包括：

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976nm的泵浦激光，输出功率为30W，光纤芯径为105微米，数值孔径0.22，光纤输出后经过1：1的光学耦合系统聚焦，聚焦后的光斑直径约为105μm。

平面双色镜2，用于耦合泵浦光到腔内。

Yb:CYA激光晶体3，为a向切割，掺杂浓度8at.％的Yb:CYA晶体，以布儒斯特角放置，并置于水冷铜块上，避免由于热积累导致输出激光的稳定性变差。

第一凹面镜4和第二凹面镜5，用于保证激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，镜片镀有对振荡激光高反介质膜(R>99.9％)，曲率半径R＝300mm。

第一GTI镜6和第二GTI镜7，用于提供-1850fs2的反常色散，来补偿腔内空气以及激光晶体引入的正常色散。

第三凹面镜8和第四凹面镜10，用于提高克尔介质中的振荡激光功率密度，镜片镀有对振荡激光高反介质膜(R>99.9％)，曲率半径R＝100mm。

克尔介质9为直接半英寸的石英，其厚度为2mm，两面不镀膜，以布儒斯特角放置，用于引入克尔效应。

平面反射镜11，反射率R>99.9％。

小孔12，置于输出镜13前，起硬边光阑的作用。

输出镜13，为平面镜，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％)。

本发明的光路传播具体为：从泵浦源1发出的976nm泵浦激光穿过平面双色镜2入射到Yb:CYA激光晶体3上，由Yb:CYA激光晶体3产生的1.05μm增益激光入射到第二凹面镜5，并被第二凹面镜5反射到第一GTI镜6，然后被第一GTI镜6反射到第二GTI镜7，接着被第二GTI镜7反射到第三凹面镜8，被第三凹面镜8反射后透过石英克尔介质9后入射到第四凹面镜10，被第四凹面镜10反射到平面反射镜11，平面反射镜11反射激光并将其原路返回，依次经过第四凹面镜10、石英克尔介质9、第三凹面镜8、第一GTI镜7、第二GTI镜6、第二凹面镜5、激光晶体3，到达平面双色镜2并被平面双色镜2反射到第一凹面镜4，然后被第一凹面镜4反射后通过小孔12入射到输出镜13上，起振后通过输出镜13输出激光。

输出镜13和平面反射镜11构成了谐振腔的两个端镜，对应重复频率50MHz。用ABCD矩阵计算得到晶体上的束腰为51μm×52μm。

激光器可以获得输出功率为1.5W的稳定连续锁模，锁模输出功率曲线如图2所示。用光电二极管监测到的腔内锁模信号如图3所示，假设脉冲为双曲正割型时，如图4所示，脉冲宽度为68fs。其在光谱仪上所测得的光谱如图5所示，光谱宽度为14.5nm。

本发明采用的对称共焦式的谐振腔结构，能够使输出镜远离受热效应影响最严重的晶体，并且采用在平面镜端输出，使光束质量得到改善，通过测量得到谐振器输出的M2在X方向上约为1.36，在Y方向上约为1.17。

本发明第一凹面镜和第二凹面镜选择较大的曲率半径，能够有效的实现晶体中心激光模式和泵浦光模式的匹配，因此提高了振荡激光的提取效率，从而实现高功率克尔透镜锁模输出。

本发明第三凹面镜和第四凹面镜采用更小的曲率半径，提高了克尔介质中心的功率密度，大大增加了克尔透镜效应，有利于克尔透镜锁模的形成。而克尔透镜锁模不会像SESAM被动锁模一样受限于SESAM的带宽，因此有利于光谱的扩展，有利于脉冲宽度的压窄。

本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧、适于重复生产和组装，适于批量化生产、成本较低、激光单向输出、高重复频率、W级平均功率、亚100fs量级的脉冲宽度、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。

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 (5)

1.一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器沿光路传输方向依次设置泵浦源、平面双色镜、Yb激光晶体、第二凹面镜、第一GTI镜、第二GTI镜、第三凹面镜、克尔介质、第四凹面镜、平面反射镜、第一凹面镜、小孔和输出镜；其中：

泵浦源，用于输出波长为976nm的泵浦激光，输出功率为30 W，光纤芯径为105微米，数值孔径0.22，光纤输出后经过1：1的光学耦合系统聚焦，聚焦后的光斑直径为105μm；

平面双色镜，用于耦合泵浦光到腔内；

Yb激光晶体，以布儒斯特角放置，并置于水冷铜块上；

第一凹面镜和第二凹面镜，用于保证激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；

第一GTI镜和第二GTI镜，用于提供-1850fs²的反常色散，补偿腔内空气以及激光晶体引入的正常色散；

第三凹面镜和第四凹面镜，用于提高克尔介质中的振荡激光功率密度；

克尔介质，用于引入克尔效应；

平面反射镜，反射率R>99.9%；

小孔，置于输出镜前，用于硬边光阑；

输出镜，为平面镜，用于输出激光；

所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径为300 mm；

所述Yb激光晶体两面不镀膜，以布儒斯特角放置，且被置于水冷铜块上；

所述平面双色镜面向泵浦源的一端镀有对泵浦激光增透的介质膜，另一端镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜。

2.如权利要求1所述的LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述第三凹面镜和第四凹面镜的曲率半径为100 mm。

3.如权利要求1所述的LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述克尔介质的厚度为2 mm，布儒斯特角放置。

4.如权利要求1所述的LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述第一GTI镜和第二GTI镜对腔内引入负色散，其负色散总量为-1850 fs²。

5.如权利要求1所述的LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述输出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。

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