CN108767647B - 双脉宽锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
一种双脉宽锁模激光器，包括：一泵浦源；一传能光纤，其一端与泵浦源的输出端连接；一泵浦光整形系统，其一端位于传能光纤的光路上；一激光晶体、一二分之一玻片、一薄膜偏振片和一耦合输出镜，均位于泵浦光整形系统的光路上；一双色平面镜片，其位于泵浦光整形系统和激光晶体之间；一第一凹面反射镜，其位于双色平面镜片的反射光路上；一第二凹面反射镜，其位于凹面反射镜的光路上；一半导体可饱和吸收镜，其位于第二凹面反射镜的反射光路上；一标准具和一第二耦合输出镜，其依序位于薄膜偏振片的反射光路上。本发明在同一激光器中，无需任何外部调制器件，仅通过半导体可饱和吸收镜被动锁模技术，获得两种脉冲宽度脉冲序列。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种双脉宽锁模激光器。
背景技术
激光诱导等离子体光谱(Laser-induced plasma spectroscopy，简称为LIPS)，也被称为激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdownspectroscopy，简称为LIBS)，即将高能量脉冲激光光束聚焦到样品表面，产生烧蚀并伴生具有高亮度的高温等离子体，通过对等离子体辐射光的采集并分析其原子、离子和分子光谱谱线，进而推导出被测样品中各个元素的组成成分及其含量。LIBS没备具有体积小、成本低，样品准备过程简单、不需要真空、检测过程快速、适合全元素分析，可实时获得分析结果、可实现远距离遥测。因此，自1963年激光诱导击穿光谱概念首次出现以来，就借助于激光技术的突破得以高速发展，经过数十年的研究，LIBS已逐渐成为实用的光谱分析技术之一。尽管LIBS技术具有很多独特的优势并具有广泛的应用前景，但是LIBS技术有其局限性：LIBS的技术的元素检出限较高，导致探测灵敏度较差；尤其对于含量较低的元素，其光谱谱线往往比较弱，导致谱线分辨困难，容易形成测量不准甚至失误。因此，发展高精度、低检出限的LIBS技术，突破现有技术的局限性，成为新一代LIBS技术的发展重点。激光光源本身的技术突破是增强LIBS技术检测灵敏度的根本。
大量的研究工作结果表明，双脉冲激光激发能明显提高激光诱导等离子体光谱谱线强度，从而降低检出限，提高LIBS的灵敏度。这是因为，在传统的纳秒级激光脉冲与物质的相互作用过程中，样品焦点处材料的烧蚀仅在最初的皮秒量级时间内发生。由于生成的等离子体对激光脉冲存在极强的吸收作用，因此进一步增加的脉冲能量会被等离子体吸收屏蔽而无法到达材料表面，材料烧蚀过程被终止。因此，当激光脉冲能量增大到一定程度之后，探测到的元素原子发射谱线强度将不再增大，这成为限制传统单脉冲激光LIBS方法灵敏度的一个主要因素。而双脉冲的方案可以在第一脉冲激发出等离子体后，将第二个激光脉冲打到等离子表面或者一定延时后再次激发材料表面，实现对等离子体本身的二次激发或者材料本身的二次激发，从而进一步增强光谱，获得高强度信号，实现高灵敏度检测。可降低检出限一个量级左右，效果好的甚至可以降低2-3个量级。因此，新一代的LIBS技术为基于双脉冲激光的LIBS。
目前，这种双脉冲LIBS技术通常借助两台激光器实现，尤其是两种不同脉冲宽度的激光，主要采用两种激光器被动同步。通常采用超短脉冲激光(皮秒、飞秒)与纳秒激光两种或者多种不同脉宽组合在一起作为激光光源，两台激光器具有相对独立的电源和脉冲实现控制系统，和独立的谐振腔光路系统，输出两种不同的光束质量、光谱宽度的激光脉冲。由于两台激光器的时间相对独立性和光束质量差异，会存在延时抖动和聚焦光斑错位等系列问题，即使实现了两台激光器的同步，这些问题也会导致双脉宽作用机制的弱化甚至失效，对高灵敏度检测造成很大困扰。
如果在同一激光器、激光谐振腔中能够实现双脉宽激光输出可以避免上述问题，实现高精度的双脉宽LIBS。发明专利ZL201210180909.0通过腔外普克尔盒和腔内普克尔盒联合的电光控制技术，实现有信号光导入情况下的再生放大过程，获得高能皮秒激光输出；和没有信号光导入的情况下的腔倒空过程，获得纳秒脉冲的输出，可以依据实际应用需求，在单一激光光束中实现皮秒和纳秒脉冲个数自由组合、交替输出。该发明专利实现了单一激光器输出两种脉冲宽度(ns，ps)的突破。但是，该专利采用腔内普克尔盒和腔外普克尔盒联合调制，这种联合调制技术具有复杂性。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种双脉宽锁模激光器，在同一激光器中，无需任何外部调制器件，仅通过半导体可饱和吸收镜被动锁模技术，获得两种脉冲宽度脉冲序列。
本发明提供一种双脉宽锁模激光器，包括：
一泵浦源；
一传能光纤，其一端与泵浦源的输出端连接；
一泵浦光整形系统，其一端位于传能光纤的光路上；
一激光晶体、一二分之一玻片、一薄膜偏振片和一耦合输出镜，均位于泵浦光整形系统的光路上；
一双色平面镜片，其位于泵浦光整形系统和激光晶体之间；
一第一凹面反射镜，其位于双色平面镜片的反射光路上；
一第二凹面反射镜，其位于凹面反射镜的光路上；
一半导体可饱和吸收镜，其位于第二凹面反射镜的反射光路上；
一标准具和一第二耦合输出镜，其依序位于薄膜偏振片的反射光路上。
本发明的优点在于，巧妙的利用复合腔结构，在主谐振腔中构建一个辅谐振腔，主谐振腔和辅谐振腔可以共用同一可饱和吸收体。两者的长度可以独立调节以获得不同重复频率的锁模脉冲。进一步的，主谐振腔和辅谐振腔的脉冲宽度调节可以通过插入不同厚度的标准具实现，可在紧凑的同一激光振荡器中实现两种不同宽度的锁模脉冲。这种技术有效避免了两台或多台激光器在LIBS应用中带来的光束质量不同、光路复杂、稳定性差、同步精度低等一系列问题，而且也避免了多个普克尔盒同步电路控制的复杂性。仅需一个锁模谐振腔就可以实现两种脉宽的激光脉冲。在提高LIBS系统检测灵敏度的同时增加了整个双脉宽LIBS的紧凑性，可促进LIBS技术的更新换代，具有非常重要的实用价值。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明双脉宽锁模激光器的结构示意图；
图2a辅谐振腔脉冲宽度319ps；
图2b是本发明双脉宽锁模激光器脉冲宽度，主谐振腔脉冲宽度21.7ps。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种双脉宽锁模激光器，包括：
一泵浦源1为波长880nm的泵浦源，泵浦光为连续光，光谱宽度为2nm，该泵浦源采用水温为18度的去离子水冷却。
一传能光纤2，其一端与泵浦源1的输出端连接；所述的泵浦源1的泵浦光经过传能光纤2耦合输出，传能光纤2的直径为100-600μm，数值孔径NA为0.22，所述的泵浦源1产生的泵浦光经过传能光纤2耦合输出功率为10-20W。
一泵浦光整形系统3，其一端位于传能光纤2的光路上；对泵浦的整形比例为1∶2-1∶7，泵浦光经整形系统到达晶体4。泵浦光到达晶体4内的光斑大小约为200μm-1400μm；
一激光晶体4、一二分之一玻片11、一薄膜偏振片9和一耦合输出镜12，均位于泵浦光整形系统3的光路上。所述的激光晶体4为Nd：YVO4激光晶体或者Nd：YAG晶体，尺寸为4×4×5-15mm3，晶体4的掺杂浓度为0.5％，晶体4的切割方向为a轴；所述的二分之一玻片11波长为1064nm，其光轴方向与激光偏振方向的角度可实现从0-180度调节；所述的薄膜偏振片9，对1064nm的偏振光分光比为1000∶1，与光轴方向呈布儒斯特角放置，对腔内的水平偏振光透过，垂直偏振光反射；其中第一耦合输出镜12第一耦合输出镜12在1064nm处的反射率为80-95％。
一双色平面镜片5，其位于泵浦光整形系统3和激光晶体4之间，所述的双色平面镜片5为1064nm双色镜平面片，双面均镀有880nm增透膜，其中指向晶体4的方向镀有1064nm高反膜。
一第一凹面反射镜6，其位于双色平面镜片5的反射光路上，所述的凹面反射镜6，凹面曲率半径为1000mm，镀有1064nm高反射膜。
一第二凹面反射镜7，其位于二分之一玻片11的光路上，所述的凹面反射镜7凹面曲率半径为300mm，镀有1064nm高反射膜。
一半导体可饱和吸收镜8，其位于第二凹面反射镜7的反射光路上；所述的半导体可饱和吸收镜8，半导体可饱和吸收镜的调制深度为1-3％，半导体可饱和吸收镜的尺寸为4×4mm2，半导体可饱和吸收镜焊接在铜制热沉上，铜制热沉的直径为25mm。
一标准具10和一第二耦合输出镜13，其依序位于薄膜偏振片9的反射光路上。标准具10的厚度为0.5mm-1.5mm，可以实现辅谐振腔的脉冲宽度范围10ps-300ps的调节；第二耦合输出镜13镀有1064nm的部分反射膜，在1064nm处的反射率为85-98％。
所述的双脉宽锁模激光器，其中由双色平面镜片5、第一凹面反射镜6、第二凹面反射镜7、半导体可饱和吸收镜8和耦合输出镜12构成主谐振腔，主谐振腔的长度为1500-2000mm，重复频率75-100MHz。主谐振腔工作过程：晶体4产生的激发光经过双色平面镜片5反射到凹面反射镜6，经凹面反射镜6至凹面反射镜7，经反射镜7反射到达半导体可饱和吸收镜8，经过凹面反射镜8沿原路返回经过二分之一(入/2)玻片，通过调节二分之一玻片与光轴的角度，形成偏振分光，分为水平偏振光和垂直偏振光，水平偏振光透过偏振片9经耦合输出镜12耦合输出。
所述的双脉宽锁模激光器，其中由双色平面镜片5、凹面反射镜6、凹面反射镜7、半导体可饱和吸收镜8、薄膜偏振片9和耦合输出镜13构成辅谐振腔，辅谐振腔的长度为1000-1500mm，对应的锁模脉冲的重复频率为100-150MHz。辅谐振腔由晶体4产生的激发光经过双色平面镜片5反射到凹面反射镜6上，经凹面反射镜6反射至凹面反射镜7上，激发光经反射镜7到达半导体可饱和吸收镜8，经过凹面反射镜8沿原路返回经过二分之一(λ/2)玻片，通过调节二分之一玻片与光轴的角度，形成偏振分光，分为水平偏振光和垂直偏振光，垂直偏振光经过偏振片9反射至耦合输出镜13耦合输出。辅谐振腔中，标准具10放置在偏振片反射至耦合输出镜13的光路上，其参数可以从0.5mm调节至1.5mm，对应辅谐振腔的脉冲宽度可以在10ps-300ps之间可调。
所述的双脉宽锁模激光器，增加泵浦源1功率至5.6W，由于主谐振腔和辅谐振腔均需要满足锁模条件，泵浦功率为普通锁模谐振腔的2～3倍。通过凹面反射镜7调节半导体可饱和吸收镜表面光斑大小，从而调节其表面的功率密度，使主谐振腔和辅谐振腔中均实现稳定的锁模脉冲。由双色平面镜片5，凹面反射镜6，凹面反射镜7，半导体可饱和吸收镜8和耦合输出镜12构成的主谐振腔长度为1500-2000mm，对应重复频率75-100MHz；由双色平面镜片5，凹面反射镜6，凹面反射镜7，半导体可饱和吸收镜8，薄膜偏振片9和耦合输出镜13构成的辅谐振腔1000-1500mm，对应的锁模脉冲的重复频率为100-150MHz。主谐振腔中的锁模脉冲宽度为21.7ps(图2b)，辅谐振腔中的锁模脉冲序列经过厚度为1mm的标准具10，脉冲宽度展宽15倍，脉冲宽度为319ps(图2a)。主谐振腔经耦合输出镜9获得的锁模脉冲输出功率为620mW，辅谐振腔经耦合输出镜13输出的锁模脉冲功率为360mW。
所述的双脉宽激光器，由双色平面镜片5、凹面反射镜6、凹面反射镜7、半导体可饱和吸收镜8和耦合输出镜12构成的主谐振腔，由双色平面镜片5，凹面反射镜6，凹面反射镜7，半导体可饱和吸收镜8，薄膜偏振片9和耦合输出镜13构成的辅谐振腔，主谐振腔和辅谐振腔所形成同属一复合腔，所以主谐振腔和辅谐振腔输出激光的光束质量相同。
需要说明的是，本发明不限于以上实例，在不脱离本发明的发明构思和原理前提下，还可以做若干改进和润饰，这些改进和润饰视为本发明的保护范畴。
Claims (7)
1.一种双脉宽锁模激光器，包括：
一泵浦源；
一传能光纤，其一端与泵浦源的输出端连接；
一泵浦光整形系统，其一端位于传能光纤的光路上；
一激光晶体、一二分之一玻片、一薄膜偏振片和一第一耦合输出镜，均位于泵浦光整形系统的光路上；
一双色平面镜片，其位于泵浦光整形系统和激光晶体之间；
一第一凹面反射镜，其位于双色平面镜片的反射光路上；
一第二凹面反射镜，其位于所述第一凹面反射镜的反射光路上；
一半导体可饱和吸收镜，其位于第二凹面反射镜的反射光路上；
一标准具和一第二耦合输出镜，其依序位于薄膜偏振片的反射光路上，
其中由双色平面镜片、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、半导体可饱和吸收镜和第一耦合输出镜构成主谐振腔，主谐振腔的长度为1500-2000mm，重复频率75-100MHz，
其中由双色平面镜片、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、半导体可饱和吸收镜、薄膜偏振片和第二耦合输出镜构成辅谐振腔，辅谐振腔的长度为1000-1500mm，对应的锁模脉冲的重复频率为100-150MHz，
其中，主谐振腔和辅谐振腔中均实现锁模，所述主谐振腔中的锁模脉冲宽度与辅谐振腔中的锁模脉冲宽度不同。
2.如权利要求1所述的双脉宽锁模激光器，其中二分之一玻片光轴方向与激光偏振方向的角度可实现从0-180度调节。
3.如权利要求1所述的双脉宽锁模激光器，其中主谐振腔中的锁模脉冲宽度为10-30ps。
4.如权利要求1所述的双脉宽锁模激光器，其中辅谐振腔中标准具的厚度为0.5mm-1.5mm，对应辅谐振腔的脉冲宽度范围10ps-300ps。
5.如权利要求1所述的双脉宽锁模激光器，其中激光晶体的材料为Nd:YAG、Nd:YVO4或Yb:YAG,Yb:KYW。
6.如权利要求1所述的双脉宽锁模激光器，其中第一耦合输出镜和第二耦合输出镜均镀有1064nm的部分反射膜，第一耦合输出镜在1064nm处的反射率为80-95％，第二耦合输出镜在1064nm处的反射率为85-98％。
7.如权利要求1所述的双脉宽锁模激光器，其中由双色平面镜片、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、半导体可饱和吸收镜和第一耦合输出镜构成的主谐振腔，由双色平面镜片，第一凹面反射镜，第二凹面反射镜，半导体可饱和吸收镜，薄膜偏振片和第二耦合输出镜构成的辅谐振腔，主谐振腔和辅谐振腔所形成同属一复合腔，所述主谐振腔和辅谐振腔输出激光的光束质量相同。
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2018
- 2018-05-28 CN CN201810527527.8A patent/CN108767647B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102709801A (zh) * | 2012-06-04 | 2012-10-03 | 中国科学院半导体研究所 | 一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器 |
| CN102832536A (zh) * | 2012-08-16 | 2012-12-19 | 中国科学院光电研究院 | 一种用于输出锁模皮秒激光的谐振腔及锁模皮秒激光器 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108767647A (zh) | 2018-11-06 |
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