CN108110603A - 低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器 - Google Patents

低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器 Download PDF

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张明霞
李可
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Abstract

本发明属于激光器技术领域，公开了一种低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器，泵浦源，用于产生波长为793nm的抽运激光；聚焦透镜，用于对抽运激光高透，将泵浦光聚焦到晶体中；Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质，用于改变激光的波长，将中心波长793nm的抽运激光改变为2μm波段激光；低阈值激光谐振腔，用于实现低阈值激光运转；透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)，用于将输出连续光转变成脉冲光。本发明连续出光阈值低至35mW，稳定调Q锁模阈值功率低至973mW，调Q包络脉宽为6μs，重复频率为25kHz，调Q包络下脉冲的重复频率为106.4MHz，脉冲宽度约为800ps，最大单脉冲能量为1.09nJ。

Description

低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和 调Q锁模全固态激光器。
背景技术
玻璃激光晶体具有无序的原子排列，其光谱的非均匀展宽效应使发射光谱 线宽达到30-40nm，可支持百飞秒以下激光输出，容易实现大尺寸生长，制作成 本低廉，且支持低阈值功率运转。Tm:ZBLAN，重金属氟锆酸盐玻璃无序晶体 基质材料，组成成分为ZrF4-BaF2-LaF3-A1F3-NaF，在波长230nm-8000nm范围 内具有优良的透光特性，声子能量很低，远低于其他许多晶体，稀土离子在其 中的无辐射跃迁几率小，并且许多在氧化物及晶体中不能观察到的跃迁在重金 属氟化物中能够观察到，制作工艺简单，掺杂稀土氟化物不引入电荷补偿等优 点使其成为最具潜力的基质材料。易于拉制低损耗光纤，可高浓度掺杂各种稀土离子。目前Tm:ZBLAN已经在波导激光和光纤激光器中实现了锁模运转，并 且表现出了良好的锁模特性。但是，玻璃晶体通常硬度不够高，导热性相对其 他材料较差，限制玻璃激光晶体在超快全固态激光器研究方面的应用。
现有技术存在的问题是：玻璃晶体通常硬度不够高，导热性相对其他材料 较差，限制玻璃激光晶体在超快全固态激光器研究方面的应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续 和调Q锁模全固态激光器。
本发明是这样实现的，一种低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态 激光器，所述低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器包括：
泵浦源，用于产生波长为793nm的抽运激光；
聚焦透镜，用于对抽运激光高透，抽运激光聚焦到晶体中；
Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质，用于改变激光的波长，将中心波长793nm 的抽运激光改变为2μm波段激光；
低阈值激光谐振腔，用于选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大， 而把其他频率和方向的光加以抑制，降低激光输出阈值，实现2μm波段激光低 阈值运转；
透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)，用于将输出连续光转变成脉冲光。
进一步，所述聚焦透镜通过二维可调镜架置于一维平移台上；
第一平凹折叠镜通过二维可调镜架固定在304不锈钢立柱上。
进一步，所述Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质用铟箔包裹后夹持在紫铜冷却 片内，紫铜冷却片连接恒温水循环系统，放置在40mm*40mm的一维平移台上；
第二平凹折叠镜通过二可调镜架置于一维平移台上；
平面反射镜和输出镜通过二维镜架固定在304不锈钢立柱上。
进一步，所述聚焦透镜，焦距f＝100mm。
进一步，所述低阈值激光谐振腔由第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜、第 三平凹折叠镜、输出镜和平面高反镜组成；
第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜、第三平凹折叠镜对770-1050nm波长泵 浦光透过率大于95％，对1800nm-2075nm波段激光的反射率大于99.9％，通过 二位可调镜架置放在二维平移台上；
平面高反镜对1800nm-2075nm波段激光的反射率大于99.9％。
本发明的另一目的在于提供一种所述低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁 模全固态激光器的透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)为德国BATOP公司 商业化生产的SA，支持1900-2100nm波段，调制深度0.6％，弛豫时间10ps。
本发明低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器，玻璃晶体在 标准的X型谐振腔(第一和第二平凹折叠镜的凹面曲率半径均为100mm，简记100-100mm腔)，得到连续出光阈值低至64mW，这在报道过的2μm波段全固 态激光器中激光阈值非常低，说明该玻璃晶体支持更低的连续光运转。在标准 腔的基础上，改变第一和第二平凹折叠镜的凹面曲率半径，最终进一步将连续 出光阈值将至35mW，这在报道过的2μm波段全固态激光器中激光阈值最低， 具体实验参数见表1。采用更小曲率半径四镜腔，可以有效的减小泵浦光在晶体 处的振荡光斑，在激光腔长度不变的情况下，通过ABCD矩阵模拟了晶体中振 荡光斑大小，对于标准腔和设计的低阈值腔，晶体中光斑分别为36μm和20μm， 相对于标准腔设计光斑面积减少了即3.24倍，这样腔内的激光强度增加 了3.24倍，在同样的出光强度下，大大的降低了激光运转阈值。为了实现低阈 值腔与泵浦光的模式匹配，采用一个焦距为f＝100mm的聚焦透镜，其聚焦光 斑约为12μm，对应的泵浦系数约为0.6，这个值接近于激光效率最高的最优化 的泵浦系数0.5，从而更大程度上将激光出光阈值降到最低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态 激光器结构示意图；
图中：1、泵浦源；2、对于泵浦光平面反射镜；3、第二泵浦光平面反射镜； 4、聚焦透镜；5、第一平凹折叠镜；6、Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质；7、第 二平凹折叠镜；8、第三平凹折叠镜；9、透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)； 10、平面高反镜；11、输出镜
图2是本发明实施例提供的连续激光运转下不同吸收泵浦功率对应的输出光 平均功率示意图；
图3是本发明实施例提供的调Q锁模激光运转下不同吸收泵浦功率对应的 输出光平均功率示意图；
图4是本发明实施例提供的激光连续锁模在扫描时间为2ms、50μs、2μs和 10ns的锁模脉冲序列示意图；
图5是本发明实施例提供的激光输出光谱示意图；
图6是本发明实施例提供的调Q锁模运转下通过光谱分析仪测量连续和调 Q锁模运转下的激光光谱示意图；
表1是本发明实施例提供的1.5％输出镜下不同谐振腔输出连续光的详细参 数。
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。
Tm:ZBLAN玻璃一直应用在光纤激光器中，本发明首次将Tm:ZBLAN玻璃 从光纤激光器中应用到全固态激光器中，该玻璃晶体在标准的X型谐振腔(第 一和第二平凹折叠镜的凹面曲率半径均为100mm，简记100-100mm腔)，得到 连续出光阈值低至64mW，这在报道过的2μm波段全固态激光器中激光阈值非 常低，说明该玻璃晶体支持更低的连续光运转。在标准腔的基础上，改变第一 和第二平凹折叠镜的凹面曲率半径，将聚焦透镜焦距减小，最终进一步将连续 出光阈值将至35mW，这在报道过的2μm波段全固态激光器中激光阈值最低， 阈值的降低将大大缩减激光器的成本，使得激光器更易走进人们的生产生活中。 接着用德国BATOP公司商业化生产的透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)， 获得了稳定的调Q锁模运转。调Q锁模技术是将锁模脉冲压缩到调Q包络中， 使得输出的激光脉冲峰值功率获得很大的提高。
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低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模 全固态激光器包括：泵浦源1、对于泵浦光平面反射镜2、第二泵浦光平面反射 镜3、聚焦透镜4、第一平凹折叠镜5、Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质6、第二 平凹折叠镜7、第三平凹折叠镜8、透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)9、 平面高反镜10、输出镜11。
泵浦源1，用于产生波长为793nm的抽运激光。
聚焦透镜4，用于对抽运激光高透，将抽运激光聚焦到晶体中。
Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质6，用于改变激光的波长，将中心波长793nm 的抽运激光改变为2μm波段激光。
低阈值激光谐振腔，用于选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大， 而把其他频率和方向的光加以抑制，降低激光输出阈值，实现2μm波段激光低 阈值运转。
透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)9，用于将输出连续光转变成脉冲光。
泵浦源1是波长为793nm的掺钛蓝宝石激光器，泵浦功率最高为2W；聚 焦透镜4的焦距为100mm；第一平凹折叠镜5、第二平凹折叠镜7和第三平凹 折叠镜8对770-1050nm波长泵浦光透过率大于95％，对1800nm-2075nm波段 激光的反射率大于99.9％，凹面曲率半径为50mm和75mm；Tm:ZBLAN玻璃 激光增益介质6(激光晶体)是Tm:ZBLAN玻璃，采用布儒斯特角进行切割， 对两个通光端面进行抛光；平面高反镜10对1800nm-2075nm波段激光的反射率 大于99.9％；输出镜11的透过率为1.5％。
本发明实施例提供的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器 具体安装要求如下：将聚焦透镜4通过二维可调镜架置于一维平移台上，尺寸 可随便选取，量程±12.5mm。第一平凹折叠镜5通过二维可调镜架固定在304 不锈钢立柱上。激光晶体用铟箔包裹后夹持在紫铜冷却片内，实验过程中采用 循环水系统对紫铜晶体夹进行冷却，泵浦光尽可能靠近冷却块底部，用8℃的恒 温循环水进行冷却，目的是为了避免损伤激光介质。紫铜冷却片放置在 40mm*40mm的一维平移台上，晶体抛光端面与入射泵浦光束夹角为布儒斯特角。第二平凹折叠镜7通过二维可调镜架置于一维平移台上，尺寸可随便选取， 量程±12.5mm。平面高反镜10和输出镜11通过二维镜架固定在304不锈钢立柱 上。
本发明实施例提供的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器 先由泵浦源产生793nm/2W的抽运激光，通过聚焦透镜聚焦到Tm:ZBLAN玻璃 中，通过低阈值激光谐振腔选择频率一定、方向一致的中心波长激光放大，实 现激光运转，仔细优化谐振腔使之达到最佳激光运转，特殊的低阈值谐振腔设 计使得该激光器实现低阈值高效率的连续激光运转，接着通过腔内引入透射式 半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现了激光调Q锁模脉冲输出。
下面结合具体实施例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低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模 全固态激光器包括：一个泵浦源1、第一泵浦光平面反射镜2、第二泵浦光平面 反射镜3、一个聚焦透镜4、第一平凹折叠镜5、激光晶体6、第二平凹折叠镜7、 第三平凹折叠镜8、透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)9、一个平面高反镜 10、及一个输出镜11组合而成。泵浦源1是波长为793nm的掺钛蓝宝石激光器， 泵浦功率最高为2W；聚焦透镜L的焦距为f＝100mm；第一平凹折叠镜5、第二 平凹折叠镜7和第三平凹折叠镜8对770-1050nm波长泵浦光透过率大于95％， 对1800nm-2075nm波段激光的反射率大于99.9％，凹面曲率半径均为50mm和 75mm；激光晶体6是Tm:ZBLAN玻璃，采用布儒斯特角进行切割，对两个通 光端面进行抛光；高反射镜10对1800nm-2075nm波段激光的反射率大于99.9％； 输出镜11的透过率为1.5％。
泵浦源1可以是波长为793nm的掺钛蓝宝石激光器，也可以是波长为793nm 的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器，泵浦方式为端面泵浦。
通过实施例的调节方法调节光路可以得出图2、图3、图4、图5和图6的 示意图。如图2和表1所示，当第一和第二平凹折叠镜的曲率半径为100mm， 聚焦透镜焦距f＝120mm时，测得激光的出光阈值为64mW，斜效率为22.25％， 最高输出功率为254mW；当第一和第二平凹折叠镜的曲率半径分别为100mm 和75mm，聚焦透镜焦距f＝120mm时，测得激光的出光阈值为43mW，斜效率 为27.18％，最高输出功率为308mW；当第一和第二平凹折叠镜的曲率半径分别 为50mm和75mm，聚焦透镜焦距f＝100mm时，测得激光的出光阈值为35mW， 斜效率为20.19％，最高输出功率为238mW。虽然第三种激光腔得到最低阈值， 但激光斜效率有所降低，所以可以根据需要选择合适的振荡腔。
表1
通过ABCD矩阵模拟了透射式半导体可饱和吸收镜(SESAM)上激光振荡 光斑大小，三种腔对应的光腰半径分别为180μm、200μm和280μm。图3为三 种激光腔下吸收体上的腔内功率密度随吸收泵浦功率变化示意图，得出实现稳 定调Q锁模的吸收体上的功率密度约为4880W/cm2，且在50-75mm腔中因为达 不到该功率密度而不能实现稳定的调Q锁模运转。图4所示，在100-100mm腔， 聚焦透镜焦距f＝120mm时，测得激光的稳定调Q锁模阈值为973mW，斜效率 为8.8％，最高输出功率为98mW；在100-75mm腔，聚焦透镜焦距f＝120mm时， 测得激光的稳定调Q锁模阈值为1.04W，斜效率为10.5％，最高输出功率为 116mW；在100-75mm腔，聚焦透镜焦距f＝100mm时，斜效率为7.36％，最高 输出功率为82mW。
如图5所示，调Q锁模脉冲序列的探测是通过快速光电二极管(ET-5000) 连接的数字示波器(RIGOL，DS4054)。列出扫描时间为2ms、50μs、2μs和 10ns所获得的调Q锁模脉冲序列，锁模重复频率为106.4MHz，对应的调Q包 络脉冲宽度为6μs，重复频率25kHz，对应最大单脉冲能量为1.09nJ。由于调Q 包络的存在，影响了锁模脉冲自相关曲线的准确测量，利用公式(tm为被测锁模脉冲上升沿时间，tr为实际锁模脉冲上升沿时间，tp为光电探测器上 升沿时间，to为示波器上升沿时间)可估算锁模脉冲的宽度。实验中被测锁模脉 冲上升沿时间约1ns，光电探测器上升沿时间为35ps，利用to×WB＝0.35-0.4(WB为示波器的带宽，实验中示波器的带宽为500MHz)可估算试验中 to＝700ps-800ps，因此可计算实际锁模脉冲上升沿时间为599ps-713ps，由于脉 冲宽度约等于上升沿时间的1.25倍，故实际锁模脉冲宽度约为749ps-891ps。图6为调Q锁模运转下通过光谱分析仪(AvaSpec-NIR256-2.5TEC)测量连续和调 Q锁模运转下的激光光谱，连续光的中心波长为2059nm，光谱的半高宽为12nm。
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 (9)

1.一种低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器，其特征在于，所述低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器包括：
泵浦源，用于产生波长为793nm的抽运激光；
聚焦透镜，用于对抽运激光高透，将抽运激光聚焦到晶体中；
Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质，用于改变激光的波长，将中心波长793nm的抽运激光改变为2μm波段激光；
低阈值激光谐振腔，用于选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制，降低激光输出阈值，实现2μm波段激光低阈值运转；
透射式半导体可饱和吸收镜，用于将输出连续光转变成脉冲光。
2.如权利要求1所述的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器，其特征在于，所述聚焦透镜通过二维可调镜架置于一维平移台上；
第一平凹折叠镜通过二维可调镜架固定在304不锈钢立柱上。
3.如权利要求1所述的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器，其特征在于，所述Tm:ZBLAN玻璃激光增益介质用铟箔包裹后夹持在紫铜冷却片内，紫铜冷却片连接恒温水循环系统，放置在40mm*40mm的一维平移台上；
第二平凹折叠镜通过二可调镜架置于一维平移台上；
平面反射镜和输出镜通过二维镜架固定在304不锈钢立柱上。
4.如权利要求1所述的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器，其特征在于，所述聚焦透镜，焦距f＝100mm。
5.如权利要求1所述的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器，其特征在于，所述低阈值激光谐振腔由第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜、第三平凹折叠镜、输出镜和平面高反镜组成；
第一平凹折叠镜、第二平凹折叠镜、第三平凹折叠镜对770-1050nm波长泵浦光透过率大于95％，对1800nm-2075nm波段激光的反射率大于99.9％，通过二位可调镜架置放在二维平移台上；
平面高反镜对1800nm-2075nm波段激光的反射率大于99.9％。
6.一种如权利要求1所述低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器的透射式半导体可饱和吸收镜支持1900-2100nm波段，调制深度0.6％，弛豫时间10ps。
7.一种利用权利要求1～5任意一项所述低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器的支持激光低阈值振荡的谐振腔系统。
8.一种利用权利要求1～5任意一项所述低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器的出光阈值仅为35mW的低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续全固态激光器。
9.一种利用权利要求1～5任意一项所述低阈值Tm:ZBLAN玻璃连续和调Q锁模全固态激光器的Tm:ZBLAN玻璃调Q锁模全固态激光器。
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CN110148880A (zh) * 2019-06-04 2019-08-20 苏州星帆华镭光电科技有限公司 被动调q激光器的单脉冲能量自动化调节方法

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