CN107565358A

CN107565358A - 一种光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器

Info

Publication number: CN107565358A
Application number: CN201711022513.2A
Authority: CN
Inventors: 魏志义; 田文龙; 朱江峰; 刘寒; 王兆华
Original assignee: Xidian University; Institute of Physics of CAS
Current assignee: Xidian University; Institute of Physics of CAS
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明公开了一种光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，属于光纤激光器泵浦的高功率超快技术领域。激光器包括：光纤激光器泵浦源；从泵浦源发出的激光经过一个半波片和一个准直聚焦镜后入射到Yb:YSO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；激光到达平面反射镜后被反射并原路返回，到达第一凹面镜；通过第一凹面镜反射到达输出镜。本发明首次实现了基于Yb:YSO激光晶体的克尔透镜自锁模激光器，获得脉冲宽度小于100fs、平均功率大于2W的超短激光脉冲输出，与现有的技术相比输出功率有了显著提升。

Description

一种光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器泵浦的超快激光技术领域，尤其涉及一种光纤激光器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，人们一直追求着并希望获得更短的脉冲宽度。快速时间分辨成为可能得益于超短的脉冲宽度，类似于高速摄像机捕捉高速的动作一样，超短脉冲激光可以将像分子或电子这样超快运动“定格”在某一瞬间，因此可以探测化学反应动力学和高速运动电子，以及其他飞秒动力学过程的电光采样。利用超短脉冲激光可以间接的探测，分子分解动力学和更多复杂的化学反应动力学过程。于此同时，超短的脉冲宽度在频域上对应的是宽带的光谱，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))，在腔内不需要添加任何调制元件，仅凭借掺钛蓝宝石增益介质本身的克尔效应作为可饱和吸收体，在适当的腔型结构下即可实现稳定的自锁模运转，后来将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，列如：体积大，价格昂贵，因此在某种意义上就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只局限应用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。在众多掺杂离子当中，掺杂Yb³⁺离子的激光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，较长的荧光寿命以及具有较宽的发射带宽。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 et al.Opt.Express 22(16),19040-19046(2014))、Yb:YGG(J.Zhang et al.Optics Express 21,29867-29873(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。在过去的十年里，高功率的超快激光器在科学研究和应用上得到了快速的发展。基于掺Yb的正硅酸盐晶体的全固态激光器很适合产生亚百飞秒高平均功率的脉冲，这得益于其相对较宽的荧光光谱和出色的热导率。然而目前基于LD泵浦的掺Yb的正硅酸盐克尔透镜锁模激光器仅仅只能产生百毫瓦量级的输出，这远远不是该类晶体的输出极限。

综上所述，现有的技术存在问题是：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。而目前成熟的商业用于的单横模LD激光器最高输出功率只有1W，从而制约了克尔透镜锁模的输出功率。虽然多模LD可以得到很高的输出功率，但亮度偏低，很难实现软光阑的克尔透镜锁模。如果加入硬光阑，高功率的输出又被限制。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本发明提供一种光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，提供一种高光束质量，高亮度，高功率的泵浦源泵浦Yb全固态激光器，产生平均功率为瓦级的亚百飞秒超短激光脉冲。

具体的，光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，包括泵浦源，还包括半波片、准直聚焦镜、Yb:YSO激光晶体、第二凹面镜、第一GTI镜、第二GTI镜、第三凹面镜、平面反射镜、第一凹面镜、输出镜；

所述激光器的光路具体为：从泵浦源出射的激光经过半波片和准直聚焦镜后入射到Yb:YSO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；激光到达平面反射镜后被反射并原路返回，到达第一凹面镜；通过第一凹面镜反射到达输出镜。

进一步的，所述泵浦源：用于单模输出波长为976nm的泵浦激光，光束质量为M²<1.1；

所述半波片，用于调节泵浦光的偏振态；

所述聚焦镜，用于进一步缩小泵浦光光斑；

所述Yb:YSO激光晶体，垂直于激光入射方向摆放，前后表面镀有980-1100nm的防反射膜；

所述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；

所述第一GTI镜和第二GTI镜，用于提供-1350fs²的反常色散，补偿腔内空气以及激光晶体引入的正常色散。

所述第三个凹面镜，用于调节腔内模式的分布；

所述平面反射镜，反射率R>99.9％，厚度为1020-1100nm；

所述输出镜，为一个楔形的平面镜，用于激光输出。

进一步的，所述泵浦源最大输出功率为10W，为单模输出。

进一步的，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径均为100mm。

进一步的，所述Yb:YSO晶体通光长度为3mm，采用铟箔包裹固定在紫铜质地的热沉上，并通以水冷，温度维持在14℃。

进一步的，所述第三凹面镜的曲率半径为300mm。

进一步的，所述输出镜面向谐振腔的一面镀有在震荡激光处输出耦合率为10％的介质膜，输出镜的另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。

进一步的，所述第一GTI镜和第二GTI镜分别提供-550fs²和-800fs²的负色散，其负色散总量为-1350fs²。

本发明的积极进步效果在于，从泵浦源发出的激光经过半波片和准直聚焦镜后入射到掺Yb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、第三凹面镜依次反射到平面反射镜，平面反射镜反射激光并将其原路返回，到达第一凹面镜，并被第一凹面镜反射到到输出镜，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2W的锁模激光。

本发明首次实现了光纤激光器泵浦Yb:YSO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2W的超短激光脉冲输出；相比以往的LD泵浦的克尔透镜锁模掺Yb全固态激光器来说，输出功率有了明显的提高；产生小于100fs的超短脉冲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。而目前商品化的单模LD激光器的最大输出功率只有1W，从而限制了克尔透镜锁模的输出功率。虽然多横模的LD可以达到很高的输出功率，但亮度会同时减低，很难实现软光阑的克尔透镜锁模。

本发明具有很好的实用性，结构简单紧凑、适合批量的产业化，成本低、2W的平均功率、亚100fs量级的脉冲宽度、高稳定性、高光束质量等优点，可以广泛应用在军事、工业、医疗、科研等领域，具有广阔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光纤激光器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用光谱仪和强度自相关仪测得的稳定锁模光谱和自相关曲线示意图。

图3是本发明实施例提供的激光器用电耦合CCD测得的连续光和稳定锁模的光斑示意图。

图4是本发明实施例提供的激光器用频谱分析仪测得的射频频谱示意图。

图5是本发明实施例提供的激光器的入射功率分别与输出功率和脉冲宽度的函数关系示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行说明：

如图1所示，本发明提出的一种光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器包括：

泵浦源(fiber laser)：用于单模输出波长为976nm的泵浦激光，亮度高，光束质量为M²<1.1，低噪声线性偏振光，最大输出功率为10W；

半波片(HWP)，用于调节泵浦光的偏振态；

聚焦镜(L)，用于进一步缩小泵浦光光斑，聚焦在晶体上的光斑束腰半径为31x36μm(1/e²).

Yb:YSO激光晶体，垂直摆放，采用铟箔包裹固定在紫铜质地的热沉上，并通以水冷，温度维持在14℃，前后表面镀有防反射膜(980-1100nm)；

第一凹面镜(C1)和第二凹面镜(C2)，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(GTI1)和第二GTI镜(GTI2)，用于提供-1350fs2的反常色散，补偿腔内空气以及激光晶体引入的正常色散。

第三个凹面镜(C3)，用于调节腔内模式的分布；

平面反射镜(HR)，反射率R>99.9％(1020-1100nm)；

输出镜(OC)面向谐振腔的一面镀有在震荡激光处输出耦合率为10％的介质膜，另一面镀有对振荡激光的增透介质膜，而且输出镜为楔形。

本发明的光路传播具体为：从泵浦源(fiber laser)出射的激光经过一个半波片(HWP)和一个准直聚焦镜(L)后入射到Yb:YSO激光晶体，增益激光起振后入射到第二凹面镜(C2)，并被第二凹面镜(C2)、第一GTI镜(GTI1)、第二GTI镜(GTI2)和第三凹面镜(C3)依次反射；激光到达平面反射镜(HR)后被反射并原路返回，到达第一凹面镜(C1)；通过第一凹面镜(C1)反射到达输出镜(OC)。

输出镜(OC)和平面反射镜(HR)构成了谐振腔的两个端镜，对应的重复频率为137MHz。用ABCD矩阵计算到晶体上的束腰为31x36μm。

激光器可以获得2W的稳定连续锁模，锁模输出功率曲线如图5所示，在入射功率为7W时，腔内的净色散和自相位调制平衡获得了最短的脉冲宽度，并接近极限脉宽。用光谱仪和自相关仪测得的锁模光谱图和自相关曲线如图2所示，假设脉冲为双曲正割型时，脉冲宽度为95fs，光谱的半高全宽为11nm。图3分别为该激光器输出的连续激光光斑和稳定的锁模激光光斑。用一个1GHz带宽2dB的光电二极管和一台商用的射频频谱分析仪测得的该激光器锁模脉冲的射频频谱图如图4所示。

本发明第一凹面镜和第二凹面镜选择大小适中的曲率半径，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。

本发明第三凹面镜可以调节晶体上的激光模式，有利于激光和泵浦光之间的模式匹配，便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，因此有利于获得宽光谱和更窄的脉冲宽度，如图5所示。

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

1.一种光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，包括泵浦源，其特征在于，所述激光器还包括半波片、准直聚焦镜、Yb:YSO激光晶体、第二凹面镜、第一GTI镜、第二GTI镜、第三凹面镜、平面反射镜、第一凹面镜、输出镜；

2.如权利要求1所述的光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，

所述泵浦源：用于单模输出波长为976nm的泵浦激光，光束质量为M²<1.1；

所述半波片，用于调节泵浦光的偏振态；

所述聚焦镜，用于进一步缩小泵浦光光斑；

所述第三个凹面镜，用于调节腔内模式的分布；

所述平面反射镜，反射率R>99.9％，厚度为1020-1100nm；

所述输出镜，为一个楔形的平面镜，用于激光输出。

3.如权利要求1所述的光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述泵浦源最大输出功率为10W，为单模输出。

4.如权利要求1所述的光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径均为100mm。

5.如权利要求1所述的光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述Yb:YSO晶体通光长度为3mm，采用铟箔包裹固定在紫铜质地的热沉上，并通以水冷，温度维持在14℃。

6.如权利要求1所述的光纤激光器泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，其特征在于，所述第三凹面镜的曲率半径为300mm。

7.如权利要求1所述的光纤激光器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的一面镀有在震荡激光处输出耦合率为10％的介质膜，输出镜的另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。