CN107978961B - 飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器 - Google Patents
飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于激光器技术领域，公开了一种飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器，包括：75.6MHz Yb：KGW飞秒激光器泵浦源；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、平面输出镜依次反射并以其原路返回，依次经平面输出镜、第二凹面镜、激光晶体到达第一凹面镜上，并经第一凹面镜反射到平面反射镜上，经平面反射镜反射到平面反射银镜M1上，起振后经平面输出镜输出。最大输出功率82mW，在且在3.5小时内只有0.8％的均方根波动；输出的2μm中红外飞秒激光光谱覆盖范围从1600nm到2500nm，其半高全宽接近450nm。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器。
背景技术
水在2μm波长附近具有很强的吸收峰，这个波段的飞秒光源，不仅可以用于“人眼安全”的遥感，而且对高谐波的产生，驱动粒子加速以及光学频率梳等众多应用也有很大的吸引力。特别是对于2μm波段或2μm波段以上的光学频率梳，被广泛应用于许多领域，包括相干分子光谱探测和痕量气体检测等。目前，产生超快的2μm脉冲的方法包括基于Tm或Ho掺杂晶体的锁模固体激光器，基于Tm掺杂的光纤激光器和非线性参量过程。其中，不管是锁模固体激光器还是光纤激光器都是基于粒子数反转的受激辐射原理，受限于激活离子的发射光谱带宽以及目前的锁模技术，产生的2μm超快激光的光谱最多只有几十nm，且功率不超过50mW,很难用于产生光学频率梳。相比之下，基于非线性频率变换的简并飞秒光学参量振荡器(OPO)可以提供高达几百nm的光谱带宽。另外，处于简并状态的同步泵浦OPO，产生的信号光具有和泵浦光完全相同的相位和载波包络相位，因此如果利用近红外光学频率梳作为泵浦源，则产生的中红外飞秒激光也是频率稳定的光学频率梳。因此，宽带简并飞秒OPO是产生中红外波段宽带光学频率梳的最简便的方法虽然目前从宽带简并OPO中产生的2μm超快激光脉冲宽度可以到达48fs脉冲，光谱带宽超快400nm(RudyCWet.al.Opticsexpress,2012,20(25):27589-27595.)，但由于其2μm超快激光是通过腔内布儒斯特角插入的输出镜反射输出，平均输出功率只有10mW，相应的单个梳齿功率太低，大大限制了其在光学频率梳方面的应用。
综上所述，现有技术存在的问题是：(1)基于Tm掺杂晶体的锁模固体激光器以及基于Tm掺杂的光纤激光器产生的2μm超快激光受锁模技术的影响，其光谱都非常窄，只有几十nm，而且输出功率也是在30mW左右。(2)目前的简并飞秒OPO都是通过在腔内以布儒斯特角插入输出镜进行反射输出，平均功率都比较低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器。
本发明是这样实现的，一种飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器，所述飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器包括：
泵浦源：用于输出波长为1030nm的泵浦激光；
PPLN激光晶体，置于温控炉内；
第一凹面镜和第二凹面镜，用于实现激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；
平面反射镜，用于实现激光反射；
压电陶瓷(PZT)+银镜，用于调整腔长；
第一输出镜和第二输出镜，用于输出激光。
进一步，所述泵浦源输出脉冲宽度为90fs，平均输出功率达7W，重复频率为75.57MHz。
进一步，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径为150mm。
进一步，所述PPLN激光晶体厚度为3mm，极化周期为31μm，加热到94℃使用。
进一步，所述第一输出镜和第二输出镜面向谐振腔内的一面分别镀有在振荡激光处输出耦合率为20％和80％的介质膜，另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器的飞秒激光器。
本发明的泵浦源发出的激光经过准直聚焦镜后入射到PPLN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、第一平面输出镜、第二平面输出镜依次反射，最后被平面输出镜反射激光并将其原路返回，到达第一凹面镜，并依次被PZT+银镜和平面反射镜反射，起振后通过输出镜输出2μm、平均输出功率为82mW的锁模激光。
本发明基于MgO：PPLN的同步泵浦OPO，产生了82mW平均功率的2μm脉冲，2μm脉冲的光谱具有105nm的半高全宽，可以支持短达42fs的脉冲持续时间。在没有采取主动措施稳定的情况下，OPO可以自然稳定，3.5小时内只有0.8％的均方根波动。通过进一步提高腔内功率密度，成功获得了覆盖1600-2500nm光谱范围宽度的简并脉冲。相比于现有技术，输出功率和光谱宽度都有了显著的提高。
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、高平均功率、亚100fs量级的2μm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，尤其在光学频率梳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飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器结构示意图；
图中：1、泵浦源；2、PPLN激光晶体；3、第一凹面镜；4、第二凹面镜；5、平面反射镜；6、PZT+银镜；7、第一输出镜；8、第二输出镜。
图2是本发明实施例提供的飞秒激光器得到的稳定输出的功率曲线示意图及最大输出功率的长期稳定性曲线示意图；
图中：(a)稳定运转的简并OPO的功率曲线；(b)最大输出功率的长期稳定性。
图3是本发明实施例提供的飞秒激光器得到的从近简并运转到OPO简并运转的输出光谱信号演化曲线。
图4是本发明实施例提供的飞秒激光器用分辨率带宽为10kHz的频谱仪测得的简并和近简并OPO的射频频谱示意图；
图中：(a)飞秒OPO简并运转的射频频谱示意图；(b)非简并运转下的射频频谱示意图。
图5是本发明实施例提供的飞秒激光器用光谱仪测得的使用不同输出镜时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飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器包括：
泵浦源1：用于输出波长为1030nm的泵浦激光，脉冲宽度为90fs，平均输出功率达7W，重复频率为75.57MHz，相应的线性腔长为1985mm。
3mm长的5mol％MgO掺杂的PPLN激光晶体2，单个光栅周期为31μm。作为非线性晶体。两面上在1035nm(R<0.5％)和2070nm(R<0.5％)处镀有抗反射涂层。因为在94℃的温度下实现PPLN与31μm光栅周期的退化操作的相位匹配，使用温控炉加热MgO：PPLN，也可以限制由1μm泵浦引起的光折射损伤。
第一凹面镜3和第二凹面镜4，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％)，对泵浦激光高透介质膜(R<10％)，曲率半径R＝150mm。
平面反射镜5，反射率R>99.9％。
压电陶瓷(PZT)+银镜(M1)6，用于调整腔长。
第一输出镜7和第二输出镜8，为平面镜，用于输出激光。便于对输出激光进行检测。第一输出镜7在面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为20％的介质膜，第二输出镜8是宽度为0.5mm的宽带通滤波器，在面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为80％的介质膜。
本发明的光路传播具体为：从泵浦源发出的泵浦激光穿过第一凹面镜3入射到PPLN激光晶体2上，由PPLN激光晶体2产生的增益激光入射到第二凹面镜4，并被第二凹面镜4反射到第一输出镜7上，然后被第一输出镜7反射到第二输出镜8上，第二输出镜8反射激光并将其原路返回，经过第一输出镜7、第二凹面镜4、PPLN激光晶体2到达第一凹面镜3并被第一凹面镜3反射到平面反射镜5上，然后被平面反射镜5反射到平面反射银镜6上，起振后通过第一输出镜7和第二输出镜8输出激光。
第二输出镜8和平面反射银镜6构成了谐振腔的两个端镜。
本发明的激光器可以获得输出功率为82mW的稳定自相位锁模脉冲，输出功率曲线及输出功率稳定性如图2所示。用商业光谱仪监测到的光谱演变信号如图3所示。用频谱仪测得的简并和近简并OPO的射频频谱如图4所示。用光谱仪测得的使用不同输出镜时输出光谱信号如图5所示。图5(d)输出光谱覆盖了1600-2500nm范围，半高宽达到450nm。
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 (3)
1.一种飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器，其特征在于，所述飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器包括：
泵浦源：用于输出波长为1030nm的泵浦激光；
PPLN激光晶体，置于温控炉中；
第一凹面镜和第二凹面镜，用于实现激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；
平面反射镜，用于实现激光反射；
压电陶瓷+银镜，用于调整腔长；
第一输出镜和第二输出镜，用于输出激光；
所述泵浦源输出脉冲宽度为90fs，平均输出功率达7W，重复频率为75.57MHz；
所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径为150mm；
泵浦源发出的泵浦激光穿过第一凹面镜入射到PPLN激光晶体上，由PPLN激光晶体产生的增益激光入射到第二凹面镜,并被第二凹面镜反射到第一 输出镜上，然后被第一输出镜反射到第二输出镜上，第二输出镜反射激光并将其原路返回，经过第一输出镜、第二凹面镜、PPLN激光晶体到达第一凹面镜并被第一凹面镜反射到平面反射镜上，然后被平面反射镜反射到平面反射银镜上，起振后通过第一输出镜和第二输出镜输出激光；
所述PPLN激光晶体厚度为3mm，极化周期为31μm，加热到94℃使用。
2.如权利要求1所述的飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器，其特征在于，所述第一输出镜和第二输出镜面向谐振腔内的一面分别镀有在振荡激光处输出耦合率为20％和80％的介质膜，另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。
3.一种使用权利要求1～2任意一项所述飞秒激光器同步泵浦高功率宽带简并飞秒光学参量振荡器的飞秒激光器。
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