CN110098553A - 基于氧化镓晶体的飞秒绿光激光器 - Google Patents

基于氧化镓晶体的飞秒绿光激光器 Download PDF

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陈政委
刘文军
张晓�
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Abstract

本发明公开了一种飞秒绿光激光器，包括：泵浦源，用于输出泵浦激光；克尔透镜锁模系统，用于对泵浦激光进行锁模后输出锁模激光，克尔透镜锁模系统的输出光路中还包括倍频晶体，用于对所述锁模激光倍频后输出绿光激光。本发明采用的倍频晶体是氧化镓晶体。克尔透镜锁膜系统则是基于Yb：YCOB晶体。本发明输出的绿光锁模激光的最窄脉冲宽度可达到73fs，最高输出功率可达到70mW。

Description

基于氧化镓晶体的飞秒绿光激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于氧化镓晶体的飞秒绿光激光器。
背景技术
随着制造业，远距离通信，激光医疗等领域对激光脉冲的要求越来越高，调Q激光器已经不能满足人们的要求了。各行各业的工作者都希望激光脉冲的脉冲持续时间更短，峰值功率和输出光信号的信噪比更高。这就促使了锁模激光器的诞生。主动锁模激光器输出脉冲的脉冲存在着一些缺陷如宽度较宽，稳定性差等，这也激励着人们寻找新的锁模方法。近年来，被动锁模技术被人们所发现，并进行了深入研究。根据近十年的研究，采用被动锁模技术的激光器可输出最短脉冲宽度在100fs以下的孤子光脉冲。
目前，掺镱的全固态激光器大部分采用的是可饱和吸收体辅助的被动锁模方式，这种锁模方式受限于材料带宽及损伤阈值等因素，不仅限制了激光器产生的激光脉冲宽度，而且易损坏，使得这种激光器的使用寿命普遍偏短，而且维护成本高。其原因就是可饱吸收体本身带来的。
绿光激光器在各个领域中的应用十分广泛。如在医疗方面，由于人眼对绿光十分敏感，所以绿光激光多用于眼科手术，该种绿光也可以用于治疗血管性疾病。由于绿光激光器的功率较高，所以不会对目标组织周围的皮肤产生过度伤害，增加了手术的安全性。除了在医疗方面的应用十分广泛，它在激光精密加工方面的应用也很多，由于绿光激光的亮度高，聚焦光斑小，所以非常适合对硬度、脆性高的材料进行加工。除此之外，它在电子工业领域中可以用来调整微型电阻的组织，还可以用作泵浦源等等。由此可见绿光激光的应用非常广泛，然而现在的绿光激光器的脉冲宽度普遍过宽，功率也不高。
根据最近的研究结果，利用SESAM在Yb系列晶体上实现了几百飞秒锁模激光脉冲的输出。但由于SESAM被动锁模受到材料本身窄的工作带宽，低的损伤阈值的影响。不仅限制激光脉冲宽度，而且SESAM本身长时运行易损坏，使激光器的使用寿命大大缩短，设备整体稳定性不佳。因此，需要基于新型锁模机制的振荡器来实现绿光飞秒锁模激光器，在提高激光系统的长期稳定性的同时还要使输出的锁模激光的脉冲宽度更窄、功率更高、腔型结构更为紧凑、工程实现更为便捷。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的是当前的绿光激光器的脉冲宽度普遍过宽，功率不高的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种飞秒绿光激光器，包括：泵浦源，用于输出泵浦激光；克尔透镜锁模系统，用于对泵浦激光进行锁模后输出锁模激光，所述克尔透镜锁模系统的输出光路中还包括倍频晶体，用于对所述锁模激光倍频后输出绿光激光。
根据本发明的优选实施方式，所述倍频晶体是氧化镓晶体。
根据本发明的优选实施方式，所所述克尔透镜锁膜系统包括Yb：YCOB晶体。
根据本发明的优选实施方式，所述克尔透镜锁膜系统还包括通水铜块，其置于所述Yb：YCOB晶体的下方，以保持该Yb：YCOB晶体的温度正常。
根据本发明的优选实施方式，所述克尔透镜锁膜系统还包括两块凹面镜、一块高反镜、一对三棱镜和一块输出镜，所述倍频晶体位于所述三棱镜和输出镜之间。
根据本发明的优选实施方式，所述泵浦源的中心频率是976nm，输出激光频率为520nm。
根据本发明的优选实施方式，所述输出绿光激光脉宽为76fs。
根据本发明的优选实施方式，所述Yb：YCOB晶体没有镀增透膜。
根据本发明的优选实施方式，所述Yb：YCOB晶体掺杂镱离子浓度为20％。
根据本发明的优选实施方式，激光器还包括准直聚焦系统，用于将所述泵浦激光聚焦到透镜锁模系统。
(三)有益效果
本发明实现的绿光飞秒锁模激光器输出的绿光锁模激光的最窄脉冲宽度可达到73fs，最高输出功率可达到70mW。可见，其输出的锁模激光的脉冲宽度更窄、功率更高、腔型结构更为紧凑、工程实现更为便捷。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的绿光飞秒锁模激光器的光路结构示意图。
具体实施方式
总的来说，本发明基于新型的锁模技术设计了一种具有窄脉宽、高功率等诸多优良特性的绿光锁模激光器。本发明致力于二极管激光泵浦的新型掺镱固体绿光飞秒激光器，利用掺镱激光材料中的三阶非线性效应，使锁模激光的带宽不再受可饱和吸收体的限制，从而压缩了锁模激光脉冲的宽度，简化了谐振腔结构。理论和实践表明，这种锁模方式可以使激光器长期连续稳定运转、并能够产生脉宽更窄的脉冲。由于绿光有一些优秀的特性，所以本发明使用氧化镓晶体将激光器输出的锁模激光做倍频处理，使得最后输出的锁模激光的中心波长落在绿光波段，这样将开发出应用于新领域的绿光飞秒锁模激光器。
基于新型锁模机制的振荡器来实现绿光飞秒锁模激光器，在提高激光系统的长期稳定性的同时还要使输出的锁模激光的脉冲宽度更窄、功率更高、腔型结构更为紧凑、工程实现更为便捷。这就成为本发明要解决的关键问题和创新点。由于克尔效应具有响应时间短、不需要额外可饱和吸收体、谐振腔结构简单等突出优点，在某种意义上可能具有更好的实践意义。所以本发明着力于将克尔透镜锁模应用到Yb系列晶体中，发明超快激光器。
本发明提出基于氧化镓晶体和Yb：YCOB晶体锁模的空间结构飞秒绿光激光器。其包括用于输出泵浦激光的泵浦源，以及对泵浦激光进行锁模后输出锁模激光的克尔透镜锁模系统。与现有技术不同的是，本发明在克尔透镜锁模系统的输出光路中还增设有倍频晶体，用于对所述锁模激光倍频后输出绿光激光。激光倍频是通过晶体的二阶非线性效应实现的，使频率为2f的激光通过晶体后变为频率为f的倍频光，所以对倍频晶体的选择就显得尤为重要。氧化镓(β-Ga2O3)单晶是一种新型直接带隙超宽禁带半导体，它是一种透明的氧化物半导体材料，禁带宽度在4.2eV-4.9eV间。氧化镓晶体有诸多优点：它的热稳定性和化学稳定性良好，对湿度的敏感度低，同时其紫外光区透过率可达80％以上，且其制备方法简单，成本低廉。这是传统透明导电材料所不具备的，所以在本专利中将选用氧化镓作为倍频晶体实现短波长高功率激光输出。因此，本发明采用的倍频晶体优选为氧化镓晶体。
Yb：COB晶体是一种非对称双轴晶体，它的基态分裂大于1000cm-1，这比大多数其他掺Yb材料的基态分裂都要大。据报道，Yb：COB晶体的荧光寿命是所有掺Yb氧化物晶体之中最长的。而且Yb：COB晶体具有各向异性的光谱和激光特性。其发射光谱非常宽，而且它的增益的平滑性有利于产生超短脉冲。所以本发明的克尔透镜锁膜系统优选为基于Yb：YCOB晶体，并且还包括通水铜块，其置于所述Yb：YCOB晶体的下方，以保持该Yb：YCOB晶体的温度正常。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1为根据本发明的一个实施例的绿光飞秒锁模激光器的光路结构示意图。如图1所示，绿光飞秒锁模激光器包括激光二极管泵浦源01、耦合光纤02、用于组成准直聚焦系统的一对透镜03、04和克尔透镜锁膜系统。克尔透镜锁膜系统包括两块相同的凹面镜05、06、未镀增透膜的Yb：YCOB晶体07、镀有高反射率膜的高反镜08、一对三棱镜09、10和一个输出镜12。同时，该系统在三棱镜和输出镜12之间设置有倍频晶体，即氧化镓晶体11。
绿光锁模激光有很多优良特性，可是现在输出的锁模激光的中心波长并没有落在绿光的波段范围内，所以我们选用氧化镓07晶体作为倍频晶体，该晶体可把中心波长为1040nm的锁模激光倍频成为中心波长为520nm的绿光。
从激光二极管01发射出的激光经过耦合光纤03再被由两块透镜03、04组成的准直聚焦系统聚焦后打到掺杂镱离子的Yb：YCOB晶体07上，激光经过凹透镜06后反射到高反镜08，后又再次反射回凹透镜06，后又经过Yb：YCOB晶体07和凹透镜05。经过多次放大后输出的激光再经过用于补偿色散的三棱镜09，10后，可以输出脉冲宽度为73fs的稳定锁模脉冲序列，该锁模激光在经过高质量的氧化镓晶体11后实现倍频，输出激光的中心波长缩短到520nm。最后经过一块高质量的输出镜12后就实现了稳定的绿光锁模脉冲输出。
采用自相关仪(APE：pulseCheck USB)和光谱仪(Avaspec.2048.USB2)以及频谱仪对上述实施例的相关参数进行多次测量，首次实现了基于Yb：YCOB晶体的克尔透镜绿光锁模激光器，并且输出的绿光锁模脉冲的脉冲持续时间达到100fs以下。
在上述实施例中，激光二极管泵浦源01的输出激光的中心波长为976nm，最大输出功率为5W。耦合光纤02选用与Yb：YCOB晶体匹配的976nm的单模光纤(芯径50um、NA＝0.22)。将输出的泵浦激光耦合进准直聚焦系统。经过准确测量可知激光通过耦合聚焦系统后的束腰半径约为20μm×20μm。
两个凹面镜05、06曲率半径为200mm是谐振腔的主体，Yb：YCOB晶体07没有镀增透膜，其尺寸为3mm×3mm×2mm，掺杂镱离子浓度为20％。高反镜08在1020nm～1200nm处镀有高反射率膜，可以将一臂的激光再次反射回谐振腔再次放大。由于谐振腔内各个器件和空气会引入一部分正色散，要想达到好的锁模状态，就必须平衡腔内的负色散，所以一对材料为SF6的三棱镜09、10被添加到装置的另一臂中，用来提供负色散。输出耦合镜(12)的透过率为2.5％。
优选的，为了防止Yb：YCOB晶体温度过高，将通水铜块13置于晶体下方以保持Yb：YCOB晶体的温度正常。
本发明采用的基于Yb：YCOB晶体和克尔透镜锁模的新机制可以压缩脉冲宽度，提高输出锁模激光峰值功率和信噪比，降低锁模阈值，提高输出锁模脉冲重复频率。上述实施例输出的绿光锁模激光的最窄脉冲宽度可达到73fs，最高输出功率可达到70mW。
此外，本发明具有很好的可重复性，且操作性强。其结构十分紧凑，成本低廉，适合量产。同时，它的应用率十分广泛，无论在医疗，精密仪器加工还是电子工业领域都有着很大的开发潜力和商业价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞秒绿光激光器，包括：泵浦源，用于输出泵浦激光；克尔透镜锁模系统，用于对泵浦激光进行锁模后输出锁模激光，其特征在于：所述克尔透镜锁模系统的输出光路中还包括倍频晶体，用于对所述锁模激光倍频后输出绿光激光。
2.如权利要求1所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述倍频晶体是氧化镓晶体。
3.如权利要求1或2所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述克尔透镜锁膜系统包括Yb：YCOB晶体。
4.如权利要求3所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述克尔透镜锁膜系统还包括通水铜块，其置于所述Yb：YCOB晶体的下方，以保持该Yb：YCOB晶体的温度正常。
5.如权利要求3所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述克尔透镜锁膜系统还包括两块凹面镜、一块高反镜、一对三棱镜和一块输出镜，所述倍频晶体位于所述三棱镜和输出镜之间。
6.如权利要求3所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述泵浦源的中心频率是976nm，输出激光频率为520nm。
7.如权利要求6所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述输出绿光激光脉宽为76fs。
8.如权利要求3所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述Yb：YCOB晶体没有镀增透膜。
9.如权利要求8所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：所述Yb：YCOB晶体掺杂镱离子浓度为20％。
10.如权利要求1或2所述的飞秒绿光激光器，其特征在于：还包括准直聚焦系统，用于将所述泵浦激光聚焦到透镜锁模系统。
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