CN108777429B - 一种用于各向异性激光介质的锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,所述锁模激光器包括泵浦系统、泵浦光耦合系统和激光谐振腔,所述激光谐振腔内设有各向异性激光介质、光学起偏器和锁模调制器;所述激光谐振腔为包括全反镜输出镜的驻波谐振腔或环型谐振腔。光学起偏器克服了光学各向异性激光介质的双折射导致的各纵模间的相位无序、线偏振方向和偏振态的改变对锁模影响,实现激光器的锁模运转。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域,具体涉及一种用于各向异性激光介质的锁模激光器。
背景技术
随着激光介质研究的发展,高性能的激光介质种类越来越多,其中光学各向异性的激光晶体也成为非常实用的激光介质,相应的激光器成为研究热点。例如Tm:YAP激光晶体,它具有下列优点:(1)激光光谱非常宽1.65-2.1μm,非常适于做可调谐锁模激光器;(2)YAP基质具有好的热特性,机械特性和自然双折射特性的完美结合;(3)Tm:YAP的激光发射截面(6.0×10-20cm2)是Tm:YAG(2.9×10-20cm2)的2倍;(4)Tm:YAP的泵浦吸收特性具有明显的优势,最强吸收谱线宽4nm,远比Tm:YAG的宽,所以有更好的温度变化容许量,且所需泵浦源795nm的InGaAs LD性能比785nm LD的更好;(5)由于YAP的双折射特性,其热致双折射没有导致激光性能退化;(6)由于Tm:YAP的吸收和增益特性与偏振密切相关,可通过控制晶体取向而影响激光性能。因此,Tm:YAP晶体生长及其激光器的研究深受国内外的重视。
通过调研,我们发现国内外的Tm:YAP锁模激光器的研究报道较少,并且很少给出能够充分证明连续锁模运转的激光脉宽实验测量。原因在于Tm:YAP是双轴晶体,它具有很大双折射,严重地改变许多纵模的线偏方向或偏振态,无法实现纵模间的相位锁定;再加上各方向的受激发射截面也有相当大的差别,双折射也造成许多纵模在谐振腔内振荡时产生很大的强度起伏或甚至严重损耗。这些都严重地影响着激光锁模的形成。
因此,需要提供一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,克服了因光学各向异性激光介质的双折射影响,可以实现对各向异性激光介质的激光锁模运转。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,克服光学各向异性激光介质的双折射对各纵模相位延迟和偏振态的严重影响所造成的各纵模间的相位无法锁定和不同纵模的强度的严重起伏的损耗,实现激光器的稳定锁模运转。
为解决上述技术问题,本发明采用下述技术方案:
一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,所述锁模激光器包括泵浦光系统、泵浦光耦合系统和激光谐振腔,所述激光谐振腔内设有激光介质、光学起偏器和锁模调制器。
优选地,所述锁模调制器的两个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器同时具备光学起偏器和锁模调制器的功能,光学起偏器和锁模调制器合成一体。
优选地,所述锁模调制器的一个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器同时具备光学起偏器和锁模调制器的功能,光学起偏器和锁模调制器合成一体。
优选地,所述各向异性激光介质的一个通光面切成1-8°小角度,激光介质兼备光学起偏器的功能,激光介质和光学起偏器合成一体。
优选地,所述各向异性激光介质的一个通光面或两个切成布儒斯特角度,激光介质兼备光学起偏器的功能,激光介质和光学起偏器合成一体。
优选地,所述激光谐振腔为包括第一全反镜和输出镜的二镜腔。
优选地,所述激光谐振腔为包括第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜和输出镜的折叠腔或环形腔。
优选地,所述激光介质与锁模调制器和光学起偏器合成一体,锁模调制器由具有自锁模效应的激光介质构成,通过自聚焦效应引起的自相位调制产生自锁模;激光介质的一个通光面切成4°小角度,起到光学起偏器的作用。
优选地,所述泵浦光系统和相应的泵浦光耦合系统对激光介质进行端面和/或侧面泵浦。
本发明的有益效果如下:
本发明的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器由于采用了以上技术方案,光学起偏器的偏振面与激光介质的最大受激发射截面的光轴方向一致,使所有因激光介质的双折射产生不同相位延迟而改变线偏振方向或偏振态的纵模不能通过光学起偏器或以很大的损耗单次通过,无法在谐振腔内形成振荡;保证只有与最大受激发射截面光轴方向一致的纵模才能通过光学起偏器,在谐振腔内形成振荡,这样就完全克服了光学各向异性激光介质的双折射造成各纵模间的相位无序、线偏振方向和偏振态的改变对锁模影响。在此基础上,再经过锁模调制器对纵模的选择,从而再实现激光器的锁模运转。本发明的锁模激光器能够很好地实现激光锁模运转。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器的实施例1的二镜直腔结构示意图。
图2示出本发明的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器的实施例2的二镜直腔的结构示意图。
图3示出本发明的一种有于各向异性激光介质的锁模激光器的实施例3的的二镜直腔的结构示意图。
图4示出本发明的一种有于各向异性激光介质的锁模激光器的实施例4的的二镜直腔的结构示意图。
图5示出本发明的一种有于各向异性激光介质的锁模激光器的实施列5的二镜直腔的结构示意图。
图6示出本发明的一种有于各向异性激光介质的锁模激光器的实施6的四镜折叠镜腔的结构示意图。
图7示出本发明的一种有于各向异性激光介质的锁模激光器的实施例7的四镜环形腔的结构示意图。
图8示出本发明的一种有于各向异性激光介质的锁模激光器的实施例8的四镜环形腔的结构示意图。
图中各标记如下:1激光介质,2光学起偏器,3锁模调制器,4激光谐振腔,4-1第一全反镜,4-2输出镜,4-3第二全反镜,4-4第三全反镜,5泵浦光系统,6泵浦光耦合系统。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,如图1所示,所述锁模激光器包括泵浦光系统5、泵浦光耦合系统6和激光谐振腔4,所述激光谐振腔4内分别设有激光介质1、光学起偏器2和锁模调制器3,所述激光谐振腔4为包括第一全反镜4-1和输出镜4-2的二镜直腔,所述第一全反镜4-2设于激光介质1的前端,所述输出镜4-2设于锁模调制器3的后端。所述第一全反镜4-1为平面镜或凹面镜或凸面镜,对振荡光镀高反膜,输出镜4-2为平面镜或凹面镜或凸面镜。
或者如图6所示,所述激光谐振腔4为包括第一全反镜4-1、第二全反镜4-3、第三全反镜4-4和输出镜4-2的四镜折叠腔,所述激光介质1设于全反镜4-3和全反镜4-4的之间;所述光学起偏器2和锁模调制器3分别设于全反镜4-1和输出镜4-2的振荡光的束腰附近。所述第一全反镜4-1为平面镜或凹面镜或凸面镜,对振荡光镀高反膜,第二全反镜4-3和第三全反镜4-4为凹面镜或平面镜,对振荡光镀高反镜,输出镜4-2为平面镜或凹面镜。
激光介质1的位置保证振荡光的直径和泵浦光光斑的直径相当,满足模匹配条件。
所述泵浦系统5由波长范围处于激光介质1吸收谱范围内的激光器和相应光学系统组成,对激光介质1进行端面和/或侧面泵浦。例如,带尾纤输出的半导体激光器通过光学耦合系统和激光介质的一个或两个通光面聚焦到激光介质中,即为半导体激光单端泵浦或半导体激光双端泵浦;半导体激光阵列经柱面镜耦合从激光介质侧面聚到激光介质中,即半导体激光阵列侧面泵浦;也可以是上述两种泵浦方式同时将泵浦聚集到激光介质中,即为混合泵浦。
本实施例中使用的具体器件:
激光介质1是一个市售的Tm:YAP激光晶体,掺杂浓度为1atm%,a轴切割。
光学起偏器2由石英晶体制作的空气隙格兰泰勒棱镜,并安装在带有沿通光方向旋转功能、竖直方向和水平方向具有平移功能和角度调节功能的五维光学调节架上,通过此光学调节架,旋转空气隙格兰泰勒棱镜,以保证光学起偏器2和偏振面与Tm:YAP的最大受激发射截面的a轴方向一致。
锁模调制器3是由半导体可饱和吸收体制作的平面输出镜(即SOC),最大可饱和透过率为5%。
采用如图6所示的四镜折叠腔,第一全反镜4-1为凸面反射镜,对振荡光镀高反膜,反射率为99.99%,同时对泵浦光(793nm激光)镀增透膜,透过率大于95%;第二全反镜4-3和第三全反镜4-4均为凹面反射镜,均对振荡光镀高反膜,反射率为99.99%;输出镜4-2即为半导体可饱和吸收体制作的平面输出镜(即SOC)。
泵浦系统5为带尾纤输出的波长为793nm的半导体激光器,尾纤芯径200μm,数值孔径为0.22,最大激光输出功率可达50W;光学耦合系统6的工作为100mm,物像比为1:4,将半导体激光器输出的光斑聚成直径为800μm的光斑入射到Tm:YAP激光晶体中。
激光介质1即Tm:YAP激光晶体放置于第一全反镜4-1和第二全反镜4-3之间,光学起偏器2即空气隙格兰泰勒棱镜放置于第三全反镜4-4镜和输出镜4-2(即SOC)之间,且紧靠SOC处,即与振荡光束腰相邻。
实施例2
与实施例1有所不同的是,如图2所示,所述锁模调制器3的两个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器3同时具备光学起偏器2和锁模调制器3的功能,光学起偏器2和锁模调制器3合成一体。
激光介质1的位置保证振荡光的直径和泵浦光光斑的直径相当,满足模匹配条件;锁模调制器3的两个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器3同时具备光学起偏器2和锁模调制器3的功能,即将光学起偏器2和锁模调制器3合成一体,并且这种光学起偏器2和锁模调制器3一体化的器件放置于的激光谐振腔4中的输出镜4-2附近。
实施例3
与实施例1和实施例2不同的是,如图3所示,所述锁模调制器3的一个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器3同时具备光学起偏器2和锁模调制器3的功能,光学起偏器2和锁模调制器3合成一体。
激光介质1的位置保证振荡光的直径和泵浦光光斑的直径相当,满足模匹配条件;锁模调制器3的一个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器3同时具备光学起偏器2和锁模调制器3的功能,即将光学起偏器2和锁模调制器3合成一体,并且这种光学起偏器2和锁模调制器3一体化的器件放置于的激光谐振腔4中的输出镜4-2之间的接近震荡光束腰的位置处,以克服振荡光发散角降低线偏振光偏振度和对锁模效果的不利影响。
实施例4
与实施1、实施例2和实施例3不同的是,如图4所示,激光介质1的一个通光面或2个通光面切成布儒斯特角,激光介质1同时具备光学起偏器2的功能,激光介质1和光学起偏器合成一体。
实施例5
与实施例4不同的是,如图5所示,所述激光介质1的1个通光面切成4°小角度,激光介质1的一个通光面或2个通光面切成布儒斯特角,激光介质1同时具备光学起偏器2的功能,激光介质1和光学起偏器合成一体。
实施例6
所述一种锁模激光器的激光谐振腔4是四镜折叠腔,如图6所示,所述全反镜4-1是平面反射镜或凹面反射镜或凸面反射镜;全反镜4-3和全反镜4-4是平面反射镜或凹面反射镜;输出镜4-2是平面反射镜或凹面反射镜或凸面反射镜;所述激光介质1、光学起偏器2和锁模调制器3分别设于四镜折叠腔的三个振荡光束腰附近。
实施例7
所述锁模激光器的激光谐振腔4是四镜环形腔,如图7所示,所述全反镜4-1是平面反射镜或凹面反射镜或凸面反射镜;全反镜4-3和全反镜4-4是平面反射镜或凹面反射镜;输出镜4-2是平面反射镜或凹面反射镜或凸面反射镜;所述激光介质1、光学起偏器2和锁模调制器3分别设于四镜环形腔的振荡光束腰附近。
实施例8
与实施例1、实施2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6和实施例7不同的是,所述激光介质1与锁模调制器3和光学起偏器2合成一体,例如锁模调制器3由具有自锁模效应的激光介质1构成,通过自聚焦效应引起的自相位调制产生自锁模;并且激光介质1的一个通光面切成4°小角度,起到光学起偏器2的作用。
本实施例中使用的具体器件:
激光介质1是一个市售的Nd:YVO4激光晶体,掺杂浓度为1atm%,a轴切割,一个通光面切成4°小角度,两通光面对振荡光镀增透膜,透过率99.99%,808nm增透膜,透过率超过95%。
采用如图8所示的四镜折叠腔,第一全反镜4-1为平面反射镜,对振荡光镀高反膜,反射率为99.99%,同时对泵浦光(808nm激光)镀增透膜,透过率大于95%;第二全反镜4-3和第三全反镜4-4均为凹面反射镜,均对振荡光镀高反膜,反射率为99.99%;输出镜4-2振荡光透过5%。
泵浦系统5为带尾纤输出的波长为808nm的半导体激光器,尾纤芯径200μm,数值孔径为0.22,最大激光输出功率可达50W;光学耦合系统6的工作为100mm,物像比为1:4,将半导体激光器输出的光斑聚成直径为800μm的光斑入射到Nd:YVO4激光晶体中。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述锁模激光器包括泵浦光系统(5)、泵浦光耦合系统(6)和激光谐振腔(4),所述激光谐振腔(4)内设有激光介质(1)、光学起偏器(2)和锁模调制器(3);
所述光学起偏器的偏振面与所述激光介质的最大受激发射截面的光轴方向一致。
2.根据权利要求1所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述锁模调制器(3)的两个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器(3)同时具备光学起偏器(2)和锁模调制器(3)的功能,光学起偏器(2)和锁模调制器(3)合成一体。
3.根据权利要求1所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述锁模调制器(3)的一个通光面切成布儒斯特角,锁模调制器(3)同时具备光学起偏器(2)和锁模调制器(3)的功能,光学起偏器(2)和锁模调制器(3)合成一体。
4.根据权利要求1所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述各向异性激光介质(1)的一个通光面切成1-8°小角度,激光介质(1)兼备光学起偏器(2)的功能,激光介质(1)和光学起偏器(2)合成一体。
5.根据权利要求1所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述各向异性激光介质(1)的一个通光面或两个切成布儒斯特角度,激光介质(3)兼备光学起偏器(2)的功能,激光介质(1)和光学起偏器(2)合成一体。
6.根据权利要求1所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述激光谐振腔(4)为包括第一全反镜(4-1)和输出镜(4-2)的二镜腔。
7.根据权利要求1所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述激光谐振腔(4)为包括第一全反镜(4-1)、第二全反镜(4-3)、第三全反镜(4-4)和输出镜(4-2)的折叠腔或环形腔。
8.根据权利要求1所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述激光介质(1)与锁模调制器(3)和光学起偏器(2)合成一体,锁模调制器(3)由具有自锁模效应的激光介质(1)构成,通过自聚焦效应引起的自相位调制产生自锁模;激光介质(1)的一个通光面切成4°小角度,起到光学起偏器(2)的作用。
9.根据权利要求6所述的一种用于各向异性激光介质的锁模激光器,其特征在于:所述泵浦光系统(5)和相应的泵浦光耦合系统(6)对激光介质(1)进行端面和/或侧面泵浦。
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