CN111180985A - 一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置和方法，包括按照激光传播方向依次设置的976nm激光二极管、准直聚焦系统、第一凹面镜、Yb:KGW晶体；976nm激光激发所述Yb:KGW晶体产生荧光，荧光沿顺时针和逆时针方向同时运转，顺时针循环荧光依次经过第一凹面镜、GTI镜、输出耦合镜、第二凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体中；逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、输出耦合镜、GTI镜、第一凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体中，荧光在腔内可自再现从而实现激光振荡；利用GTI镜补偿腔内色散，实现克尔透镜锁模，由所述输出耦合镜输出重复频率高达1GHz的飞秒激光。本发明具有结构紧凑，成本低廉，工作稳定等优势，可用于光学频率梳，激光光谱学等领域。
Description
技术领域
本发明涉及全固态超快激光技术领域，特别涉及一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置和方法。
背景技术
在锁模飞秒激光器中，激光脉冲的重复频率由激光谐振腔的腔长所决定。对于线形谐振腔，重复频率等于c/2L，其中c是真空中的光速，L是激光谐振腔的腔长。而对于环形谐振腔，重复频率等于c/L。因此，为了得到高重复频率的飞秒激光脉冲，需要缩短激光谐振腔的腔长。例如，对于重复频率大于1GHz的线形腔激光器而言，要求谐振腔的腔长小于15cm，而对于环形腔，则要求腔长小于30cm。相比于传统的MHz飞秒激光器，重复频率高达1GHz的飞秒激光器主要有以下几点优势：(1)以1GHz的高重复频率飞秒激光器为例，在相同的平均功率下，1GHz飞秒激光的每个梳齿包含的功率为100MHz飞秒激光的10倍，而每个梳齿的功率越高，在与未知频率成分做拍频时会得到更高的信噪比，这在光谱测量等方面会更有优势；(2)锁模激光重复频率越高，意味着相邻纵模间隔更大，可分辨率更高，更容易用商用的光谱仪或波长计分辨出每个纵模，降低了对光谱仪或者波长计的分辨率要求，对新颖的高分辨率光谱技术很有利；(3)锁模激光重复频率与激光谐振腔腔长成反比，重复频率越高，谐振腔腔长越短，因此激光系统将更加紧凑，更具鲁棒性。因此高重复频率的锁模飞秒激光器在许多领域，如飞秒光学频率梳、高速光信息传输、高速光学采样、激光光谱学等具有极为重要的应用价值，因此实现高重复频率的锁模飞秒激光具有重要的科学意义。
如前所述，实现高重复频率锁模飞秒激光器的一个前提条件是缩短激光谐振腔的腔长，对于1GHz以上重复频率的激光器而言，由于激光谐振腔变得很短，因此对激光元件布局、激光调整和锁模运转带来很大难度。
因此，如何提供一种产生重复频率高达1GHz以上的飞秒激光脉冲的实验装置和方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置和方法。采用环形腔的设计和克尔透镜锁模的运转机制，可以产生重复频率高达1GHz以上的飞秒激光脉冲。
一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置，包括按照激光传播方向依次设置的976nm激光二极管、准直聚焦系统、第一凹面镜、Yb:KGW晶体；976nm激光在所述Yb:KGW晶体激发产生荧光，荧光沿顺时针和逆时针方向同时运转，其中，顺时针循环荧光依次经过第一凹面镜、GTI镜、输出耦合镜、第二凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、输出耦合镜、GTI镜、第一凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；所述输出耦合镜输出飞秒激光。第一凹面镜、GTI镜、输出耦合镜、第二凹面镜围成环形腔。
优选的，所述976nm激光二极管为单模光纤耦合的激光二极管；
所述准直聚焦系统成像比例为1:3，用于单模光纤耦合的976nm激光二极管的光束准直和聚焦；
所述第一凹面镜曲率半径为50mm，对1020-1200nm波段的反射率>99.9％，对808-980nm波段的反射率<2％；
所述Yb:KGW晶体垂直摆放，两面镀有对980-1100nm的增透膜，用于吸收泵浦激光能量，为腔内的受激辐射提供增益；
所述第二凹面镜曲率半径为50mm，在1010-1160nm波段的反射率>99.9％，在1035-1055nm的波段范围内提供的二阶色散为：-800fs2±100fs2；
所述GTI镜在1010-1160nm波段内反射率>99.9％，在1035-1055nm的波段范围内提供的二阶色散为：-800fs2±100fs2，提供的二阶色散可用于平衡谐振腔内的正色散和自相位调制，最终实现稳定的锁模运转；
所述输出耦合镜在1020-1200nm波段内透过率为0.4％，减小了腔内损耗，提高了腔内峰值功率密度，用于输出锁模后，重复频率1GHz、中心波长为1045.6nm、脉冲宽度265fs的飞秒激光。
优选的，单模光纤耦合的所述976nm激光二极管作为泵浦源，最大输出功率为900mW，具有高亮度的特点，光束质量M2因子接近1。
优选的，所述976nm激光二极管经过所述准直聚焦系统聚焦到所述Yb:KGW晶体上，形成直径22μm的泵浦聚焦光斑。
优选的，所述Yb:KGW晶体通光长度为2mm，掺杂浓度为5at.％，采用铟箔包裹固定在一块紫铜热沉上，热沉通过温度为14℃的循环水进行冷却。
本发明还提供了一种产生高重复频率飞秒激光的实验方法，包括如下步骤：
976nm激光二极管发射激光，激光依次传播经过准直聚焦系统、第一凹面镜至Yb:KGW晶体；
976nm激光激发所述Yb:KGW晶体产生荧光，荧光在环形腔内沿顺时针方向和逆时针方向同时运转，顺时针循环荧光依次经过第一凹面镜、GTI镜、输出耦合镜、第二凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、输出耦合镜、GTI镜、第一凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；
选择所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的曲率半径，利用GTI镜补偿腔内色散，并调节Yb:KGW晶体、GTI镜和第一凹面镜的位置，实现克尔透镜锁模；由所述输出耦合镜输出满足重复频率要求的飞秒激光。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
结合Yb:KGW晶体优异的物理化学和光学性质，利用高亮度、光束质量优秀的单模半导体二极管激光器作为泵浦源，使用曲率半径较小的凹面镜形成紧聚焦结构提升腔内功率密度，使用透过率较低的输出耦合镜进一步提升腔内功率密度。克尔透镜锁模要求聚焦泵浦光斑略小于晶体中的激光模式，达到软孔光阑克尔透镜锁模的条件，因此我们设计了成像比为1:3的准直聚焦系统使泵浦光斑尺寸与腔内激光模式更好的匹配。由于腔型紧凑、腔内元件数量的限制，我们使用GTI镜补偿腔内色散。通过合理补偿色散、调节腔内元件，可实现重复频率在1GHz以上的飞秒激光输出。
本发明相比于传统的线性腔飞秒激光器，通过合理设计谐振腔结构和缩短腔长，利用克尔透镜锁模技术和色散补偿技术，可以产生性能优异，结构紧凑，工作稳定，价格低廉的GHz重复频率的飞秒激光脉冲，在飞秒光学频率梳、超快光通信、激光光谱学、光谱检测、精密光谱计量等领域具有广泛的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种产生高重复频率飞秒激光的方法和实验装置结构示意图；
图2是本发明实施例提供的用频谱仪测得的1GHz重复频率频谱示意图；
图3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4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。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
LD泵浦Yb掺杂激光晶体的全固态飞秒激光器是近年来超快激光技术研究的热点，结合Yb晶体优良的光学性质，利用克尔透镜锁模技术或被动锁模技术，可以在1μm波段实现脉冲宽度为几十到几百飞秒、平均功率从毫瓦到瓦级、重复频率为百兆Hz量级的飞秒激光脉冲。进一步地，通过缩短激光谐振腔的腔长，有望实现重复频率在1GHz以上的全固态高重复频率飞秒激光运转。
请参阅图1，为本发明产生高重复频率飞秒激光的实验装置实施方式的原理示意图。在本实施方式中，在实现相同重复频率的条件下，较线形腔而言，使用环形腔可以增加一倍的腔长，因此在高重复频率锁模激光器中普遍采用环形腔，产生高重复频率飞秒激光的方法和实验装置可以输出重复频率为1GHz、光谱半高全宽4.5nm、脉冲宽度265fs的超短激光脉冲。
本发明一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置的构成包括：
光纤耦合的976nm半导体二极管激光二极管1；单模光纤耦合的976nm激光二极管作为泵浦源，最大输出功率为900mW，具有高亮度的特点，光束质量M2因子接近1；
准直聚焦系统2，成像比为1:3，泵浦激光聚焦到激光晶体中心，形成直径约22μm的泵浦聚焦光斑；
第一凹面镜3，曲率半径为50mm，对1020-1200nm波段的反射率>99.9％，对808-980nm波段的反射率<2％；
Yb:KGW晶体4，在环形腔内垂直切割并摆放，两面镀有对980-1100nm的增透膜，通光长度为2mm，掺杂浓度为5at.％，采用铟箔包裹固定在一块紫铜热沉上，热沉通过温度为14℃的循环水进行冷却；
第二凹面镜5，曲率半径为50mm，尺寸为半英寸，对1010-1160nm波段的反射率>99.9％，在1035-1055nm的波段范围内可以提供的二阶色散为：-800fs2±100fs2；
GTI镜6，在1010-1160nm波段内反射率>99.9％，在1035-1055nm的波段范围内可以提供的二阶色散为：-800fs2±100fs2，用于补偿腔内色散；
输出耦合镜7，在1020-1200nm波段透过率为0.4％，减小了腔内损耗，提高了腔内峰值功率密度，用于输出锁模飞秒激光脉冲。
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环形腔中，形成自激振荡后，腔内激光沿顺时针和逆时针方向同时存在，由输出耦合镜7同时输出两束激光。具体循环路径如下：单模光纤耦合的976nm激光二极管1泵浦产生的976nm激光通过准直聚焦系统2，随后泵浦光束通过第一凹面镜3，在Yb:KGW晶体中心形成直径约22μm的泵浦聚焦光斑，并激发荧光；荧光依次到达第二凹面镜5，反射至输出耦合镜7，继续反射至GTI镜6，再被反射至第一凹面镜3，又被反射至Yb:KGW晶体4中，完成一次逆时针循环。同时Yb:KGW晶体4激发荧光后，也会反射至第一凹面镜3，然后反射至GTI镜6，继续反射至输出耦合镜7，再被反射至第二凹面镜5，又被反射至Yb:KGW晶体4中，完成一次顺时针循环。荧光在环形腔内的两个方向来回循环，可自再现从而实现激光振荡，由输出耦合镜7输出激光。通过仔细调节Yb:KGW晶体4、第二凹面镜5以及GTI镜6，实现克尔透镜锁模，从而得到稳定的1GHz高重复频率飞秒激光输出。
参见图2，表明锁模飞秒激光的重复频率约为1.048GHz，信噪比较高，并且无边带产生，说明锁模状态稳定。
参见图3所示，本实施例锁模光谱中心波长约为1045.6nm，半高全宽为4.5nm。
参见图4所示，本实施例锁模脉冲宽度为265fs。
在一个具体的实施例中，色散补偿是为了平衡谐振腔内的正色散和Yb:KGW晶体中产生自相位调制，在引入色散不足的情况下，第一凹面镜提供二阶色散。
本发明中使用到的激光工作物质是Yb:KGW晶体，在一个具体的实施例中，晶体的材料可以根据输出参数的不同选择Yb:CaGdAlO4、Yb:Y2O3、Yb:Lu2O3、Yb:KYW、Yb:YCOB、Yb:LYSO、Yb:LSO、Yb:YSO和Yb:YAG等。
在一个具体的实施例中，通过使用曲率半径更小的凹面镜，使腔长进一步缩短，可以得到重复频率更高的飞秒激光脉冲。理论上可以通过这种方法得到重复频率大于10GHz的锁模结果。
本发明具有两大特色：1、本发明以克尔透镜锁模为运转机制来实现超高重复频率飞秒激光脉冲；2、本发明所设计的腔型为环形谐振腔，相比普通的线性腔，在相同腔长下重复频率高一倍。在本发明的设计下可以实现脉冲重复频率大于1GHz、脉冲宽度为百飞秒量级的高重复频率全固态飞秒激光输出。
以上对本发明所提供的一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置和方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (6)
1.一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置，其特征在于：包括按照激光传播方向依次设置的976nm激光二极管、准直聚焦系统、第一凹面镜、Yb:KGW晶体；976nm激光在所述Yb:KGW晶体激发产生荧光，荧光沿顺时针和逆时针方向同时运转，其中，顺时针循环荧光依次经过第一凹面镜、GTI镜、输出耦合镜、第二凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、输出耦合镜、GTI镜、第一凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；所述输出耦合镜输出飞秒激光。
2.根据权利要求1所述的一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置，其特征在于，
所述976nm激光二极管为单模光纤耦合的激光二极管；
所述准直聚焦系统成像比例为1:3，用于单模光纤耦合的976nm激光二极管的光束准直和聚焦；
所述第一凹面镜曲率半径为50mm，对1020-1200nm波段的反射率>99.9％，对808-980nm波段的反射率<2％；
所述Yb:KGW晶体垂直摆放，两面镀有对980-1100nm的增透膜；
所述第二凹面镜曲率半径为50mm，在1010-1160nm波段的反射率>99.9％，在1035-1055nm的波段范围内提供的二阶色散为：-800fs2±100fs2；
所述GTI镜在1010-1160nm波段内反射率>99.9％，在1035-1055nm的波段范围内提供的二阶色散为：-800fs2±100fs2；
所述输出耦合镜在1020-1200nm波段内透过率为0.4％，用于飞秒激光输出。
3.根据权利要求1所述的一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置，其特征在于，单模光纤耦合的所述976nm激光二极管作为泵浦源，最大输出功率为900mW。
4.根据权利要求1所述的一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置，其特征在于，所述976nm激光二极管经过所述准直聚焦系统聚焦到所述Yb:KGW晶体上，形成直径22μm的泵浦聚焦光斑。
5.根据权利要求1所述的一种产生高重复频率飞秒激光的实验装置，其特征在于，所述Yb:KGW晶体通光长度为2mm，掺杂浓度为5at.％，采用铟箔包裹固定在一块紫铜热沉上，热沉通过温度为14℃的循环水进行冷却。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的产生高重复频率飞秒激光实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
976nm激光二极管发射激光，激光依次传播经过准直聚焦系统、第一凹面镜至Yb:KGW晶体；
激光在所述Yb:KGW晶体激发产生荧光，荧光沿顺时针和逆时针方向同时运转，其中顺时针循环荧光依次经过第一凹面镜、GTI镜、输出耦合镜、第二凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、输出耦合镜、GTI镜、第一凹面镜，再被反射回Yb:KGW晶体；
选择所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的曲率半径，利用GTI镜补偿腔内色散，并调节GTI镜、Yb:KGW晶体和第一凹面镜的位置，实现克尔透镜锁模；由所述输出耦合镜获得满足重复频率要求的飞秒激光。
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