CN109193329B - 一种基于蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器，其结构特征是：所述新型蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器包括依次放置的蓝光激光二极管、非球面透镜、柱面凹透镜、柱面凸透镜、450 nm高反镜、平凸聚焦镜、凹面镜、钛宝石晶体、耦合输出镜、熔石英三棱镜和激光高反镜。本发明的优点是：利用激光二极管体积小、结构简单、稳定性高、价格便宜等优点，用于代替传统钛宝石飞秒振荡器的泵浦源——全固态倍频激光器。因此，本发明提供的新型蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器具有紧凑、结构简单、运行稳定、价格便宜等优势。

Description

一种基于蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激 光器

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，尤其涉及一种基于蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器。

背景技术

自从激光诞生以来，人们一直追求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的超快运动“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。利用超强激光可提供一个全新的极端物理条件，在自然界中只有在恒星内部或黑洞边缘才能找到。通过在极端物理条件下物质结构运动和相互作用的研究，有助于人类更加深入和系统化地了解客观世界规律。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60 fs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，由于普遍采用全固态倍频激光器作为泵浦源，导致钛宝石激光器体积大，价格昂贵，操作复杂，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，激光二极管（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，在国防、工业、医疗以及科研等领域有着十分重要的应用。钛宝石的吸收谱刚好覆盖蓝绿光波段，因此蓝、绿光激光二极管泵浦的飞秒钛宝石激光器又迎来了一个新的发展机遇，蓝、绿光激光二极管有望代替全固态倍频激光器成为钛宝石激光器的理想泵浦源。到目前为止人们已经利用多个LD泵浦钛宝石产生了450 mW，57fs的激光输出，利用单个LD可产生 15fs，170 mW 的锁模输出。但是综合输出指标如脉冲宽度和平均功率等均未达到全固态倍频激光器泵浦的钛宝石激光器的输出指标，因此LD泵浦钛宝石还有很大的发展空间。

综上所述，现存的技术问题是：单个多模蓝光LD最大输出功率达3.5 W,多模绿光LD最大输出功率达1.5 W，单凭单个LD泵浦钛宝石难以实现高功率输出，因此需要使用LD双侧泵浦或者将多个LD空间合束。其次LD光束质量较差，需要将光束整形再聚焦至晶体中，使得泵浦光和腔内激光有较好的模式匹配，才能实现克尔透镜自锁模运转。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器，提供了一种LD光束整形，空间合束的方案，旨在使用两个或多个LD泵浦钛宝石产生小于50 fs，大于500 mW的克尔透镜锁模输出。

本发明是这样实现的，一种基于新型蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器，包括上下放置的第一蓝光激光二极管和第二蓝光激光二极管，第一蓝光激光二极管依次放置第一非球面透镜、第一柱面凹透镜、第一柱面凸透镜和第一450 nm高反镜；第二蓝光激光二极管依次放置第二非球面透镜、第二凹面柱透镜、第二柱面凸透镜和第二450nm高反镜；第一450 nm高反镜和第二450 nm高反镜下侧位置设有第三450 nm高反镜，第三450 nm高反镜依次放置平凸聚焦镜、第一凹面镜、第二凹面镜、钛宝石晶体、耦合输出镜、第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜、第一激光高反镜、第二激光高反镜；其特征在于：

所述第一蓝光激光二极管和第二蓝光激光二极管，用于泵浦钛宝石晶体实现克尔透镜自锁模运转；

所述第一非球面透镜、第一平凹柱透镜，第一平凸柱透镜，用于第一蓝光激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；

所述第二非球面透镜、第二平凹柱透镜，第二平凸柱透镜，用于第二蓝光激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；

所述第一450 nm高反镜是将整形后的第一蓝光激光二极管光束反射至第三450nm高反镜上；

所述第二450 nm高反镜是将整形后的第二蓝光激光二极管光束反射至第三450nm高反镜上；

所述第三450 nm高反镜是接收第一450 nm高反镜、第二450 nm高反镜反射过来的光束，并使其先空间重合再水平出射；

所述平凸聚焦镜是将第三 450 nm高反镜反射过来的光束进一步缩小；

所述第一凹面镜、第二凹面镜曲率半径为R=100 mm，用于保证激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；

所述的钛宝石晶体，以布儒斯特角切割用于吸收泵浦激光能量，给腔内的受激辐射提供增益；

所示第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜对用于激光腔内的色散补偿，进而实现超短脉冲输出；

所示第一激光高反镜、第二激光高反镜，对650-1100 nm波段的激光反射率为R>99.8%；

所述耦合输出镜，为一个平面镜，用于激光输出。

进一步，所述第一蓝光激光二极管和第二蓝光激光二极管中心波长为450nm，蓝光激光二极管作为泵浦源，每个泵浦源最大输出功率为3.5 W, 为多模输出，功率稳定性小于1%。

进一步，所述第一凹面镜和第二凹面镜曲率半径为R=100 mm，对着腔外的一面镀有440-540 nm的增透膜，向着腔内的一面镀有650-1100 nm的高反膜，且尺寸均为半英寸。

进一步，所述的钛宝石晶体以布儒斯特角切割，通光长度为7 mm，掺杂浓度为0.25wt%，采用铟箔包裹固定在一个紫铜的夹持上，夹持和一个紫铜的热沉紧贴，热沉通有循环水冷却，温度控制在14 ℃。

进一步，所述第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜，材质均为熔石英，且为布儒斯特角切割，每个边长为30mm，两个熔石英三棱镜尖端间距为850mm。

进一步，所述第一激光高反镜和第二激光高反镜，均为一英寸的平面镜，反射带宽为650-1100 nm，且反射率为大于99.8%。

进一步，所述耦合输出镜，为一个半英寸的平面镜，朝向腔内的一面镀有在650-1100nm激光处输出耦合率为3%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，所述第一非球面透镜焦距为F=4 mm、第一平凹柱透镜焦距为F=-30 mm，第一平凸柱透镜焦距为F=300 mm，且镀有400-700 nm 增透膜。

进一步，所述第二非球面透镜焦距为F=4 mm、第二平凹柱透镜焦距为F=-30 mm，第二平凸柱透镜焦距为F=300 mm，且镀有400-700 nm增透膜。

进一步，所述第一450 nm高反镜，为一英寸平面镜，表面镀有400-700 nm高反膜。

进一步，所述第二450 nm高反镜，为一英寸平面镜，表面镀有400-700 nm高反膜。

进一步，所述第三450 nm高反镜，为两英寸平面镜，表面镀有400-700 nm高反膜

进一步，所述平凸聚焦镜，焦距F=75 mm，尺寸为1英寸，表面镀有400-700 nm高透膜。

其中第一非球面透镜和第二非球面透镜聚焦F=4 mm，平凸聚焦镜焦距 F=75 mm，第一凹面镜和第二凹面镜曲率半径R=100 mm，第一激光高反镜和第二激光高反镜波长为650-1100 nm。

本发明旨在实现LD泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器，获得脉冲宽度小于50fs、平均功率大于500 mW的超短激光脉冲输出；相比以往的LD泵浦钛宝石激光器既兼顾了短脉冲（小于50fs），又可以输出高功率（>500 mW）。产生如此短的脉冲宽度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。因此我们设计了使用非球面透镜、平凹柱面透镜、平凸柱面透镜对LD的出射光束进行了重新准直和聚焦，使得泵浦光的尺寸和腔内的模式更好的匹配。

本发明的优点是：有很好的实用性，结构简单紧凑，适合批量生产，可实现平均功率大于500 mW、脉冲宽度小于50 fs的飞秒激光脉冲，具有成本低、稳定性高、光束质量好等优点，可广泛应用在军事、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基于新型蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器结构示意图。

图2是本发明实施例提供的用光谱仪测得的稳定锁模光谱示意图。

图3是本发明实施例提供的用强度自相关仪测得的自相关曲线示意图。

在图中，1-第一蓝光激光二极管，2-第二蓝光激光二极管，3-第二非球面透镜，4-第一非球面透镜，5-第一平凹柱透镜，6-第二平凹柱透镜，7-第二平凸柱透镜，8-第一平凸柱透镜，9-第一450 nm高反镜，10-第二450 nm高反镜，11-第三450 nm高反镜，12-平凸聚焦镜，13-第一凹面镜，14-第二凹面镜，15-钛宝石晶体、16-耦合输出镜，17-第一熔石英三棱镜，18-第二熔石英三棱镜，19-第一激光高反镜，20-第二激光高反镜。

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。

本发明的基于新型蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器，可以输出半高全宽为25nm的光谱，脉冲宽度为32 fs的相干飞秒激光，该飞秒激光光源在超快光谱学、双光子成像、超快光通信等领域具有重要的潜在应用。

下面结合附图1对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的基于新型蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器主要由：1-第一蓝光激光二极管、2-第二蓝光激光二极管、3-第二非球面透镜（聚焦F=4 mm）、4-第一非球面透镜、5-第一平凹柱透镜、6-第二平凹柱透镜、7-第二平凸柱透镜、8-第一平凸柱透镜、9-第一450 nm高反镜、10-第二450 nm高反镜、11-第三450 nm高反镜、12-平凸聚焦镜（焦距 F=75 mm）、13-第一凹面镜（曲率半径R=100 mm）、14-第二凹面镜（曲率半径R=100 mm）、15-钛宝石晶体、16-耦合输出镜、17-第一熔石英三棱镜、18-第二熔石英三棱镜、19-第一激光高反镜（650-1100 nm）、20-第二激光高反镜（650-1100 nm）。

第一蓝光激光二极管1和第二蓝光激光二极管2，用于泵浦新型蓝光激光二极管泵浦的钛宝石飞秒振荡器，该激光二极管出射波长均为450 nm，功率稳定性小于1%；

第一非球面透镜4焦距为F=4 mm、第一平凹柱透镜5焦距为F=-30 mm，第一平凸柱透镜8焦距为F=300 mm，用于第一蓝光激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；

第二非球面透镜3焦距为F=4 mm、第二平凹柱透镜6焦距为F=-30 mm，第二平凸柱透镜7焦距为F=300 mm，用于第二蓝光激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；

第一450nm高反镜9是将整形后的第一蓝光激光二极管1光束反射至第三450nm高反镜11上；

第二450nm高反镜10是将整形后的第二蓝光激光二极管2光束反射至第三450nm高反镜11上；

第三450nm高反镜11是接收第一、第二450nm高反镜反射过来的光束，并使使其出射方向变为水平；

平凸聚焦镜12（焦距F=75 mm）是将第三 450 nm 高反镜11反射过来的光束进一步缩小。

第一凹面镜13、第二凹面镜14曲率半径为R=100 mm，用于保证激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；

钛宝石晶体15，通光长度为7 mm以布儒斯特角切割，用于吸收泵浦激光能量，给腔内的受激辐射提供增益，并将其固定在一个夹持之上，其次夹持又与一个紫铜质地的热沉紧贴，热沉通有循环水冷却，温度保持在17 ℃，；

第一熔石英三棱镜17、第二熔石英三棱镜18用于激光腔内的色散补偿，进而实现超短脉冲输出；

第一激光高反镜19、第二激光高反镜20，对650-1100 nm波段的激光反射率为R>99.8%；

耦合输出镜，为一个平面镜，用于激光输出，且输出率为3%。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明的具体实施例：

在图1中，第一450 nm蓝光激光二极管1光束通过非球面透镜4使其快、慢轴得以准直；随后准直后的光束依次通过第一平凹柱透镜5、第一平凸柱透镜8使得光束的慢轴得以扩展、准直；准直后的光束通过第一450 nm高反镜9反射至第三450 nm高反镜11；第二450nm蓝光激光二极管2光束通过第二非球面透镜3使其快、慢轴得以准直；随后准直后的光束依次通过第二平凹柱透镜6、第二平凸柱透镜7使得光束的慢轴得以扩展、准直；准直后的光束通过第一450 nm高反镜10反射至第三450 nm高反镜11 ，与第一450nm高反镜9反射的光束在空间上很好的重合，并水平出射通过平凸镜12；准直的泵浦光光束通过平凸镜的聚焦，使得泵浦光斑聚焦至钛宝石晶体15之上激发荧光；荧光依次到达第二凹面镜14，反射至第一三棱镜17，透射到达第一激光高反镜19，再被反射至第二三棱镜18，透射至第二激光高反镜20；随后原路返回至晶体并到达第一凹面镜13，并被反射至耦合输出镜16，荧光在该路径下，在腔内来回可自再现即实现激光振荡并输出。

本发明通过优化LD泵浦光的准直、泵浦光与激光模式匹配以及三棱镜对的间距，得到了725nm-825 nm的脉冲激光，如图2所示；利用商用的强度自相关仪测得激光脉冲宽度为32fs，如图3所示。

以上所述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)

1.一种基于蓝光激光二极管泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器，包括上下放置的第一蓝光激光二极管和第二蓝光激光二极管，第一蓝光激光二极管依次放置第一非球面透镜、第一平凹柱透镜、第一平凸柱透镜和第一450nm高反镜；第二蓝光激光二极管依次放置第二非球面透镜、第二平凹柱透镜、第二平凸柱透镜和第二450nm高反镜；第一450nm高反镜和第二450nm高反镜下侧位置设有第三450nm高反镜，第三450nm高反镜依次放置平凸聚焦镜、第一凹面镜、第二凹面镜、钛宝石晶体、耦合输出镜、第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜、第一激光高反镜、第二激光高反镜；其特征在于：

所述第一蓝光激光二极管和第二蓝光激光二极管，用于泵浦钛宝石晶体实现克尔透镜自锁模运转；

所述第一非球面透镜、第一平凹柱透镜，第一平凸柱透镜，用于第一蓝光激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；

所述第二非球面透镜、第二平凹柱透镜，第二平凸柱透镜，用于第二蓝光激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；

所述第一450nm高反镜是将整形后的第一蓝光激光二极管光束反射至第三450nm高反镜上；

所述第二450nm高反镜是将整形后的第二蓝光激光二极管光束反射至第三450nm高反镜上；

所述第三450nm高反镜是接收第一450nm高反镜、第二450nm高反镜反射过来的光束，并使其先空间重合再水平出射；

所述平凸聚焦镜是将第三450nm高反镜反射过来的光束进一步缩小；

所述第一凹面镜、第二凹面镜曲率半径为R＝100mm，用于保证激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；

所述的钛宝石晶体，以布儒斯特角切割用于吸收泵浦激光能量，给腔内的受激辐射提供增益；

所述第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜对用于激光腔内的色散补偿，进而实现超短脉冲输出；

所述第一激光高反镜、第二激光高反镜，对650-1100nm波段的激光反射率为R>99.8％；

所述耦合输出镜，为一个平面镜，用于激光输出；

所述第一蓝光激光二极管和第二蓝光激光二极管中心波长为450nm，所述第一蓝光激光二极管和第二蓝光激光二极管作为泵浦源，每个泵浦源最大输出功率为3.5W,为多模输出，功率稳定性小于1％；

所述第一凹面镜和第二凹面镜曲率半径为R＝100mm，对着腔外的一面镀有440-540nm的增透膜，向着腔内的一面镀有650-1100nm的高反膜，且尺寸均为半英寸；

所述的钛宝石晶体以布儒斯特角切割，通光长度为7mm，掺杂浓度为0.25wt％，采用铟箔包裹固定在一个紫铜的夹持上，夹持和一个紫铜的热沉紧贴，热沉通有循环水冷却，温度控制在14℃；

所述第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜，材质均为熔石英，且为布儒斯特角切割，每个边长为30mm，两个熔石英三棱镜尖端间距为850mm；

所述第一激光高反镜和第二激光高反镜，均为一英寸的平面镜，反射带宽为650-1100nm，且反射率为大于99.8％；

所述耦合输出镜，为一个半英寸的平面镜，朝向腔内的一面镀有在650-1100nm激光处输出耦合率为3％的介质膜，输出镜的另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。

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