CN110492345B - 一种波长可调谐非线性镜锁模激光器及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种波长可调谐非线性镜锁模激光器及工作方法，包括泵浦光源、准直聚焦系统和光学谐振腔，所述光学谐振腔内依次设有激光晶体、双折射滤波片和非线性晶体，通过旋转双折射滤波片的角度改变激光输出波长，通过调节非线性晶体使倍频过程相位匹配，实现锁模激光输出；解决了现有的可调谐超快激光器损伤阈值低、输出功率低，制备复杂的问题，可以获得高功率的波长可调谐的超快激光输出。

Description

一种波长可调谐非线性镜锁模激光器及工作方法
技术领域
本公开涉及激光器技术领域，特别涉及一种波长可调谐非线性镜锁模激光器及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
波长可调谐超快激光器由于具有结构简化、集成度高等特点在光谱学、生物医学、通讯领域有着广泛应用。目前，产生波长可调谐超快激光的主要技术是基于半导体可饱和吸收镜(Semiconductor Saturable Absorber Mirror，SESAM)、石墨烯、碳纳米管的被动锁模技术。但是，SESAM具有较窄的调谐范围、低损伤阈值和复杂的制备工艺。碳纳米管锁模的工作波长是由管径决定，可调谐激光可以通过具有宽管径分布的碳纳米管实现。当激光工作在特定波长时，碳纳米管不在共振区的部分对谐振腔产生插入损耗。对于石墨烯可饱和吸收体锁模，输出的激光功率通常限制在毫瓦量级。
非线性镜锁模是一种被动锁模技术，是获得高功率、波长可调谐超快激光的一种可行的方法。非线性镜包含一块非线性晶体和一片二向色镜。二向色镜对基波具有部分反射率，对二次谐波具有高反射率。在激光谐振腔内，当激光第一次通过非线性晶体时，部分基波光转化为二次谐波，二次谐波在二向色镜上完全反射而基波光部分反射，当第二次经过非线性晶体时，二次谐波由于存在相位差反向转化为基波。对于整个过程，基波和二次谐波之间不同的反射率导致了正向的非线性反馈，这种与强度相关的非线性反射导致被动锁模的产生。非线性镜锁模的优势在于其较高的损伤阈值、快速的响应时间、能够工作在透光波段的任意波长。
本公开发明人发现，目前非线性镜锁模激光器通常是工作在一个特定的波段，如1微米、1.3微米或2微米等，无法实现基于非线性镜锁模的波长可调谐超快激光输出。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种波长可调谐非线性镜锁模激光器及工作方法，解决了目前可调谐超快激光器损伤阈值低、输出功率低和制备复杂的问题。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种波长可调谐非线性镜锁模激光器；
一种波长可调谐非线性镜锁模激光器，包括泵浦光源、准直聚焦系统和光学谐振腔，所述光学谐振腔内依次设有激光晶体、双折射滤波片和非线性晶体，所述双折射滤波片用于根据角度的变化改变激光输出波长，所述非线性晶体用于根据角度或周期或温度的变化使倍频过程相位匹配，实现锁模激光输出。
作为可能的一些实现方式，所述泵浦光源为连续或准连续的光源，泵浦光源为976nm二极管激光器。
作为可能的一些实现方式，所述光学谐振腔为Z型谐振腔，包括输入镜、第一反射镜、第二反射镜和输出镜，所述第一反射镜和第二反射镜分别设置于Z型谐振腔的拐角处，所述第一反射镜用于接收输入镜传来的输入光并反射给第二反射镜，所述第二反射镜用于将光束反射给输出镜；
所述输入镜为平面镜且镀有多层膜，对泵浦光高透射，对基频光高反射；所述第一反射镜和第二反射镜均为圆形凹面镜，对基频光高反射；所述输出镜为平面镜且镀有多层膜，对基频光部分反射，对二次谐振光高反射。
作为进一步的限定，所述非线性晶体设置于输出镜和第二反射镜之间。
作为更进一步的限定，所述非线性晶体为光学超晶格，所述光学超晶格的基质材料包括但不限于同成分LiTaO3、同成分LiNbO3、化学计量比LiTaO3、化学计量比LiNbO3、掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、磷酸钛氧钾晶体KTP和磷酸钛氧铷晶体RTP中的一种。
进一步的，所述光学超晶格设置于控温炉上，所述控温炉的控制精度为0.1度。
作为更进一步的限定，所述非线性晶体为双折射非线性晶体，所述双折射非线性晶体包括但不限于BBO、LBO、同成分LiTaO3、同成分LiNbO3、化学计量比LiTaO3、化学计量比LiNbO3、掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、磷酸钛氧钾晶体KTP和磷酸钛氧铷晶体RTP中的一种。
作为进一步的限定，所述激光晶体设置在输入镜和第一反射镜之间。
作为更进一步的限定，所述激光晶体为掺镱激光晶体，发射谱线在1020nm～1080nm之间。
作为更进一步的限定，所述激光晶体设置于冷却铜块上。
作为进一步的限定，所述双折射滤波片设置于第一反射镜和第二反射镜之间，并以布儒斯特角设置，通过调节双折射滤波片的方向改变激光输出波长。
作为进一步的限定，所述光学谐振腔内还设有补偿群速度色散元件和/或群速度失配元件，用于实现飞秒量级的激光输出。
第二方面，本公开提供了一种波长可调谐非线性镜锁模激光器的工作方法；
一种波长可调谐非线性镜锁模激光器的工作方法，利用本公开所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，步骤如下：
泵浦光源通过准直聚焦系统向光学谐振腔发送准直光束；
激光器首先工作在连续波状态，双折射非线性晶体根据角度的变化或者光学超晶格根据周期或温度的变化，使倍频过程相位匹配，实现锁模激光输出；
通过双折射滤波片的角度变化，改变激光输出波长。
作为可能的一些实现方式，所述输入镜对976nm的光具有高透过率，对1020nm～1080nm的光具有高反射率，所述第一反射镜和第二反射镜对1020nm～1080nm的光具有高反射率，所述输出镜对基频光部分反射，对二次谐振光高反射，利用铌酸锂晶体作为非线性晶体，锁模状态下，通过调节铌酸锂晶体的角度，使倍频过程相位匹配，实现锁模，锁模时的波长调谐范围为1039nm～1062nm。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开通过利用非线性镜实现锁模，由于非线性晶体的抗损伤阈值较高，因此可以获得高功率的超快激光输出，而且其锁模稳定性好。
本公开所采用的非线性晶体的透光波段较宽，结合双折射滤波片，可以获得波长可调谐的超快激光输出。
本公开所述的内容通过在光学谐振腔中加入补偿群速度色散、群速度失配元件，能够获得飞秒量级的激光。
附图说明
图1为本公开实施例1所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器结构示意图。
图2为本公开实施例1所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器的连续波和锁模状态下的波长调谐曲线。
图3为本公开实施例1所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器的连续波和锁模状态下的功率变化曲线。
图4为本公开实施例1所述的在示波器上显示的锁模波形。
图5为本公开实施例1所述的锁模序列的频谱图。
图6为本公开实施例2所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器结构的工作方法流程图。
1-泵浦光源；2-准直聚焦系统；3-输入镜；4-第一反射镜；5-第二反射镜；6-输出镜；7-激光晶体；8-非线性晶体；9-双折射滤波片；10-控温炉；11-铜块。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种波长可调谐非线性镜锁模激光器，包括泵浦光源1，泵浦光源1经过准直聚焦系统2后聚焦，聚焦后进入光学谐振腔，光学谐振腔内依次设置激光晶体7、双折射滤波片9和非线性晶体8。
所述的泵浦光源1为连续或准连续的光源，优选为976nm二极管激光器。
所述光束谐振腔为Z型谐振腔包括输入镜、两个反射镜和输出镜，两个反射镜分别为第一反射镜4和第二反射镜5，所述第一反射镜4和第二反射镜5分别设置于Z型谐振腔的拐角处，所述第一反射镜4用于接收输入镜3传来的输入光并反射给第二反射镜，所述第二反射镜5用于将光束反射给输出镜6，所述激光晶体7为掺镱激光晶体，发射谱线在1020nm到1080nm。
非线性晶体8包括双折射非线性晶体或光学超晶格，当选用光学超晶格时需要将光学超晶格置于控温炉10中，所述控温炉10的控制精度为0.1℃。
所述输入镜3镀有多层膜，且输入镜3为平面镜，两个反射镜均为圆形凹面镜，输出镜6镀有多层膜，对基波部分反射，对二次谐波高反射，且输出镜6为平面镜。
所述光学超晶格的基质材料包括但不限于同成分LiTaO3、同成分LiNbO3、化学计量比LiTaO3、化学计量比LiNbO3、掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、磷酸钛氧钾晶体KTP和磷酸钛氧铷晶体RTP中的一种。
所述双折射非线性晶体包括但不限于BBO、LBO、同成分LiTaO3、同成分LiNbO3、化学计量比LiTaO3、化学计量比LiNbO3、掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、磷酸钛氧钾晶体KTP和磷酸钛氧铷晶体RTP中的一种。
下面将以976nm二极管激光器为泵浦光源，以Yb:CALGO为激光晶体，以铌酸锂为非线性变频晶体，举例说明如何实现基于非线性镜的波长可调谐超快激光输出。
光源由泵浦光源1发出，泵浦光源1为976nm二极管激光器，泵浦光源1经过准直聚焦系统2后进入Z型光学谐振腔，谐振腔包括输入镜3、第一反射镜4、第二反射镜5和输出镜6，激光晶体7置于铜块11上冷却，设置在输入镜3和第一反射镜4之间，并靠近输入镜3设置。
非线性晶体8防止在第二反射镜5和输出镜6之间，并靠近输出镜6设置，非线性晶体8为光学超晶格时，置于控温炉10中，控温炉10的控制精度为0.1℃。
输入镜3镀有多层膜，对976nm具有高透过率，对1020nm到1080具有高反射率，第一反射镜4为圆形凹面镜，曲率半径500mm，对1020nm到1080具有高反射率。
第二反射镜5为圆形凹面镜，曲率半径200mm，对1020nm到1080具有高反射率。
输出镜7为平面镜，镀有多层膜，对基波部分反射，对二次谐波高反射。
双折射滤波片9置于第一反射镜5和第二反射镜6之间，谐振腔总腔长为1.3m，激光晶体7和非线性晶体8上的束腰分别为81μm和74μm。
激光晶体7为a切的Yb:CALGO，尺寸为4mm×4mm×8mm，两个透光面均镀有976nm和1020到1080nm增透膜，激光晶体7设置于铜块11上冷却，防止热效应引起的功率不稳定和晶体损坏。
泵浦光最大输出功率为30W，纤芯105μm，泵浦光经过1:1准直聚焦系统将光成像在激光晶体上。铌酸锂晶体作为非线性晶体，尺寸为5mm×5mm×5mm，用于I类相位匹配(θ＝79.2°,φ＝90°)。
双折射滤波片9以布儒斯特角设置，通过旋转双折射滤波片，可以改变激光输出波长。
图2为连续和锁模状态下的波长变化图。激光器首先工作在连续波状态，泵浦光功率设置为6W，旋转双折射滤波片，激光输出波长由1022nm到1067nm变化，范围45nm，最大输出功率出现在1047nm附近；锁模状态下，通过调节双折射非线性晶体的角度、光学超晶格的周期或温度，使倍频过程相位匹配，实现锁模，锁模时的波长调谐为1039nm～1062nm。
图3为输出波长为1049nm时的连续波和锁模功率曲线。连续波工作时，激光振荡阈值约为1.8W，在泵浦光9.8W时，最大输出激光为1.7W，斜效率22.2％。锁模状态时，最大输出功率1.46W，斜效率18.6％。
图4为示波器上显示的锁模波形。利用光电探测器探测锁模激光，光电探测器连接示波器，图4(a)为40ns范围内的锁模波形，相邻脉冲间隔8.6ns，图4(b)为10ms内的锁模波形，其振幅起伏不超过2％，说明锁模稳定性较好。
图5为锁模序列的频谱图。利用频谱分析仪测量锁模序列的频谱，图5(a)为分辨率带宽300Hz时，测量到的基频信号，其频率为116MHz，信噪比为50dB，与1.3m谐振腔腔长对应；图5(b)为分辨率带宽为10kHz，扫描范围750MHz时的基频和谐频信号。
实施例2：
如图6所示，本公开实施例2提供了一种波长可调谐非线性镜锁模激光器的工作方法；
一种波长可调谐非线性镜锁模激光器的工作方法，利用本公开实施例1所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，步骤如下：
泵浦光源通过准直聚焦系统向光学谐振腔发送准直光束；
激光器首先工作在连续波状态，双折射非线性晶体根据角度的变化或者光学超晶格根据周期或温度的变化，使倍频过程相位匹配，实现锁模激光输出；
通过双折射滤波片的角度变化，改变激光输出波长。
所述输入镜对976nm的光具有高透过率，对1020nm～1080nm的光具有高反射率，所述第一反射镜和第二反射镜对1020nm～1080nm的光具有高反射率，所述输出镜对基频光部分反射，对二次谐振光高反射，利用铌酸锂晶体作为非线性晶体，锁模状态下，通过调节铌酸锂晶体的角度，使倍频过程相位匹配，实现锁模，锁模时的波长调谐范围为1039nm～1062nm。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波长可调谐非线性镜锁模激光器，其特征在于，包括泵浦光源、准直聚焦系统和光学谐振腔，所述光学谐振腔内依次设有激光晶体、双折射滤波片和非线性晶体，所述双折射滤波片用于根据自身角度的变化改变激光输出波长，所述非线性晶体用于根据自身角度或周期或温度的变化使倍频过程相位匹配，实现锁模激光输出；
所述非线性晶体为双折射非线性铌酸锂晶体，通过调节铌酸锂晶体的角度，使倍频过程相位匹配，锁模时的波长调谐范围为1039nm～1062nm；
所述光学谐振腔为Z型谐振腔，包括输入镜、第一反射镜、第二反射镜和输出镜，所述第一反射镜和第二反射镜分别设置于Z型谐振腔的拐角处；
所述双折射滤波片设置于第一反射镜和第二反射镜之间，并以布儒斯特角设置，通过调节双折射滤波片的方向改变激光输出波长。
2.如权利要求1所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，其特征在于，泵浦光源为连续或准连续的光源，泵浦光源为976nm二极管激光器。
3.如权利要求1所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，其特征在于，所述第一反射镜用于接收输入镜传来的输入光并反射给第二反射镜，所述第二反射镜用于将光束反射给输出镜；
所述输入镜为平面镜且镀有多层膜，对泵浦光高透射，对基频光高反射；所述第一反射镜和第二反射镜均为圆形凹面镜，对基频光高反射；
所述输出镜为平面镜且镀有多层膜，对基频光部分反射，对二次谐振光高反射。
4.如权利要求3所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，其特征在于，所述非线性晶体设于输出镜和第二反射镜之间；
进一步的，所述非线性晶体靠近输出镜设置。
5.如权利要求3所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，其特征在于，所述激光晶体设置在输入镜和第一反射镜之间；
进一步的，所述激光晶体靠近输入镜设置；
进一步的，所述激光晶体为掺镱激光晶体，发射谱线在1020nm～1080nm之间；
进一步的，所述激光晶体设置于冷却铜块上。
6.如权利要求3所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，其特征在于，所述光学谐振腔内还设有补偿群速度色散和/或群速度失配元件，用于实现飞秒量级的激光输出。
7.一种波长可调谐非线性镜锁模激光器的工作方法，其特征在于，利用权利要求1-6任一项所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器，步骤如下：
泵浦光源通过准直聚焦系统向光学谐振腔发送准直光束；
激光器首先工作在连续波状态，双折射非线性晶体根据角度的变化或者光学超晶格根据周期或温度的变化，使倍频过程相位匹配，实现锁模激光输出；
通过双折射滤波片的角度变化，改变激光输出波长。
8.如权利要求7所述的波长可调谐非线性镜锁模激光器的工作方法，其特征在于，所述输入镜对976nm的光具有高透过率，对1020nm～1080nm的光具有高反射率，所述第一反射镜和第二反射镜对1020nm～1080nm的光具有高反射率，所述输出镜对基频光部分反射，对二次谐振光高反射；
进一步的，利用铌酸锂晶体作为非线性晶体，锁模状态下，通过调节铌酸锂晶体的角度，使倍频过程相位匹配，实现锁模，锁模时的波长调谐范围为1039nm～1062nm。
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