CN111600183A - 一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法 - Google Patents

一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，属于功能晶体材料制备技术领域。本发明的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，将Yb:GLSO晶体作为飞秒激光介质，采用泵浦发出相应区间范围中心波长的泵浦光源，经过光纤耦合器和聚焦透镜聚焦到Yb:GLSO晶体端面，然后透过Yb:GLSO晶体发射到凹面镜II上；输入到Yb:GLSO晶体表面的激光结合凹面镜Ι和凹面镜II后形成一个X型的光学谐振腔，当谐振腔内振荡的激光在满足粒子束反转等激光实现条件后，从激光输出耦合镜处输出；本发明采用的Yb:GLSO晶体比传统的Yb:YAG晶体更有容易采用泵浦实现飞秒激光输出。

Description

一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法
技术领域
本发明涉及功能晶体材料制备技术领域，更具体地说是一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法。
背景技术
近年来，随着啁啾脉冲放大技术(获得2018年诺贝尔物理学奖)、锁模技术、激光调Q 技术以及LD(激光二极管)技术等一系列革命性技术的诞生与发展，全固态飞秒激光脉冲宽度的极限不断被突破，激光脉冲的峰值功率不断被提高，且飞秒激光器的体积、稳定性、激光效率均有明显的提升，使得飞秒激光技术成为当前光学乃至物理学和信息科学领域最活跃的研究前沿和重点竞争领域之一。
目前，商业化的飞秒激光器主要以锁模钛宝石激光器为主，但由于钛宝石晶体的吸收峰位于可见波段，无法直接采用LD直接泵浦，一般只能采用氩离子激光器(波长515nm)或 Nd3+掺杂固体激光器倍频得到的绿光(532nm)作为泵浦源，致使激光器的结构复杂、体积庞大、维护费用高，限制了其发展与应用。与之相比，LD泵浦超快激光晶体直接实现飞秒激光输出，具有结构紧凑、效率高、稳定性好等优点，是当前飞秒激光器的重要发展方向。
在当前所有能够实现LD泵浦全固态飞秒激光输出的超快激光晶体中，由于三价镱离子 (Yb3+)独特的能级结构等优点，掺Yb3+激光介质普遍在900～1000nm范围内存在较强较宽的吸收谱带，可与商业化激光二极管InGaAs(特别是980nm附近)有效地耦合，同时在 1000～1100nm波段呈现宽带发射的特征。众所周知，越宽的吸收谱带越有利于泵浦光的吸收，可以有效降低对器件温度控制的要求，提高泵浦效率，而越宽的发射谱带则越有利于获得更短的脉冲激光输出，然而如何实现吸收谱带的增宽是人们一直探索的问题。由于掺镱激光晶体非常适合LD直接泵浦并输出1.0μm左右的飞秒激光，因此成为21世纪以来飞秒激光领域的研究热点。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中钛宝石晶体的吸收峰位于可见波段，一般采用氩离子激光器(波长 515nm)或Nd3+掺杂固体激光器倍频得到的绿光(532nm)作为泵浦源，致使激光器的结构复杂、体积庞大、维护费用高，本发明提出一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，将Yb:GLSO晶体作为飞秒激光介质，采用泵浦发出相应区间范围中心波长的泵浦光源，经过光纤耦合器和聚焦透镜聚焦到Yb:GLSO晶体端面，然后透过Yb:GLSO晶体发射到凹面镜II上，最终通过激光输出耦合镜实现飞秒脉冲激光输出。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，包括如下步骤：
步骤一、泵浦发出泵浦光源：泵浦水平输出泵浦光源，根据Yb:GLSO晶体在940nm和970nm处具有强的吸收带，因此可以采用当前技术成熟的940nm或970nm半导体激光器作为泵浦光源，所述Yb:GLSO晶体有效的吸收泵浦光源的能量后经光纤耦合器发射到聚焦透镜上；
步骤二、聚焦透镜聚焦：通过连续设置的若干组聚焦透镜将泵浦光源聚焦为聚焦光源，并聚焦在所述Yb:GLSO晶体的端面上，所述聚焦光源从Yb:GLSO晶体的右端面穿入，并从所述Yb:GLSO晶体的左端面穿出；聚焦光源聚焦在Yb:GLSO晶体端面上的焦斑直径约为20μm，所述泵浦发射孔的孔径为22μm，大于焦斑直径，以保持泵浦光源能够完全被Yb:GLSO晶体吸收，实现锁模；
步骤三、X型的光学谐振腔内激光震荡：所述Yb:GLSO晶体左右两侧分别设置有凹面镜 II和凹面镜Ι，所述Yb:GLSO晶体端面发出的激光经凹面镜II和凹面镜Ι后形成X型的光学谐振腔，所述X型的光学谐振腔内振荡的激光在满足粒子束反转等条件后由凹面镜II反射出；
步骤四、补偿X型的光学谐振腔内色散：由凹面镜II反射出的激光依次经过若干组SF6 三棱镜，用于补偿X型的光学谐振腔内的色散；
步骤五、飞秒激光输出：经过所述SF6三棱镜后的激光再透过激光输出耦合镜实现激光输出。
进一步的技术方案，步骤四中，经凹面镜Ι反射后所形成的X型的光学谐振腔的输出激光通过增设平面反射镜实现激光的逆反射，所述平面反射镜表面镀有1000～1200nm的高反膜；所述Yb:GLSO晶体有效的吸收泵浦光源的能量后，通过2F7/2→2F5/2能级跃迁，将Yb3+基态的粒子抽运到2F5/2能级上，然后2F5/2能级上粒子再通过无辐照跃迁弛豫到2F5/2最低Stark子能级上，形成粒子数反转，从而实现2F5/2到2F7/2的受激跃迁产生1.03微米近红外激光，从而满足粒子束反转等条件。
进一步的技术方案，所述凹面镜Ι和凹面镜II表面均镀有800～1000nm的增透膜和1000～1200nm的高反膜，使得输入到所述Yb:GLSO晶体内的激光经过凹面镜Ι和凹面镜II形成X型的光学谐振腔。
进一步的技术方案，所述Yb:GLSO晶体大小、曲率半径、激光输出耦合镜的透过率等参数的调整会影响到输出飞秒激光的效率以及飞秒激光的脉宽，所述Yb:GLSO晶体的尺寸为：端面边长2～8mm，长度2～6mm，所述凹面镜Ι和凹面镜II曲率半径为70～200mm，所述激光输出耦合镜的透过率为0.2％-1％。
进一步的技术方案，所述Yb:GLSO晶体用铟箔包裹，并固定在紫铜水冷热沉上，采用主动控制方式将水冷热沉温度稳定在16℃左右，然后将所述Yb:GLSO晶体以布儒斯特角放置在聚焦透镜发出的聚焦光源的发出端，以减少废热对激光振荡的不良影响；所述Yb:GLSO晶体包括左右两端面，以及四周的侧面，将Yb:GLSO晶体左右两端面进行抛光，使之具有高的表面光洁度，并保持两个端面之间具有良好的平行度。
进一步的技术方案，所述Yb:GLSO晶体的化学式为Yb3+:(GdLa)2SiO5，分子式为YbxGd2-x-yLaySiO5，其中0<x<1，0<y<1，简写为Yb:GLSO，与硅酸钆晶体相比，硅酸钆镧晶体中由于镧离子的引入，造成了更大的体系无序性，由体系无序性所造成的光谱非均匀性展宽会使得发射光谱带宽进一步宽化，因而硅酸钆镧比硅酸钆晶体具有更宽的发射光谱带宽，有望实现更短的脉冲激光输出。
进一步的技术方案，所述分子式YbxGd2-x-yLaySiO5中，Gd3+与La3+具有同样的格位，且均为Gd2SiO5晶体中Gd3+的格位，Yb3+随机取代GLSO晶体中的Gd3+或La3+格位，GLSO晶体中Yb3+离子的掺杂浓度是0.5-30at％，即0.01<x<0.6；GLSO晶体中La3+的浓度为0.1-99.5at％，即0.01<y<1.99，其中at％表示原子百分比。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，根据Yb:GLSO晶体在940nm和970nm处具有强的吸收带，因此可以采用当前技术成熟的940nm或970nm半导体激光器作为泵浦光源，所述Yb:GLSO晶体有效的吸收泵浦光源的能量后，通过2F7/2→2F5/2能级跃迁，将Yb3+基态的粒子抽运到2F5/2能级上，然后2F5/2能级上粒子再通过无辐照跃迁弛豫到2F5/2最低Stark子能级上，形成粒子数反转，从而实现2F5/2到2F7/2的受激跃迁产生1.03微米近红外激光，最后通过锁模的方式实现飞秒脉冲激光输出；
(2)本发明的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，Yb:GLSO晶体以布儒斯特角放置，泵浦光源在Yb:GLSO晶体表面聚焦为聚焦光源；输入到Yb:GLSO晶体表面的激光在结合凹面镜Ι和凹面镜II后形成一个X型的光学谐振腔，当泵浦发射孔的孔径小于焦斑直径时，通过X型的光学谐振腔内激光不断震荡，从而满足粒子束反转等条件；
(3)本发明的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，所述凹面镜II将所述Yb:GLSO晶体内透过的飞秒激光反射到成对设置的SF6三棱镜上，以补偿腔内的色散；
(4)本发明的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，调整Yb:GLSO晶体的大小、曲率半径、激光输出耦合镜的透过率等参数，从而控制输出飞秒激光的效率以及飞秒激光的脉宽；
(5)本发明的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，所述Yb:GLSO晶体是以硅酸钆镧为基质、并具有单斜对称结构的飞秒激光晶体，与硅酸钆晶体相比，硅酸钆镧晶体中由于镧离子的引入，造成了更大的体系无序性，由体系无序性所造成的光谱非均匀性展宽会使得发射光谱带宽进一步宽化，因而硅酸钆镧比硅酸钆晶体具有更宽的发射光谱带宽，有望实现更短的脉冲激光输出。
附图说明
图1为本发明工艺流程结构示意图；
图2为本发明激光输出装置工作状态结构示意图；
图3为本发明中Yb:GLSO晶体实物照片；
图4为掺杂有5at％Yb3+的Yb:GLSO晶体吸收光谱图；
图5为本发明的Yb3+在Yb:GLSO晶体中2F5/2→2F7/2能级跃迁荧光衰减寿命曲线图；
图6为掺杂有5at％Yb3+的Yb:GLSO晶体粉末XRD图谱；
图7为中掺杂有5at％Yb3+的Yb:GLSO和Yb:YAG晶体发射光谱图。
图中：1-泵浦；2-光纤耦合器；3-聚焦透镜；4-X型的光学谐振腔；5-Yb:GLSO晶体；6- SF6三棱镜；11-泵浦光源；31-聚焦光源；41-凹面镜Ι；42-凹面镜II；43-平面反射镜；44-激光输出耦合镜；51-端面；52-侧面。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，如图1-2所示，包括如下步骤：
步骤一、泵浦1发出泵浦光源11：泵浦1水平输出泵浦光源11，根据Yb:GLSO晶体5在940nm和970nm处具有强的吸收带，因此可以采用当前技术成熟的940nm或970nm半导体激光器作为泵浦1发出泵浦光源11，所述Yb:GLSO晶体5有效的吸收泵浦光源的能量后经光纤耦合器2发射到聚焦透镜3上；
步骤二、聚焦透镜3聚焦：通过连续设置的若干组聚焦透镜3将泵浦光源11聚焦为聚焦光源31，并聚焦在所述Yb:GLSO晶体5的端面51上，所述聚焦光源31从Yb:GLSO晶体5 的右端面穿入，并从所述Yb:GLSO晶体5的左端面穿出；聚焦光源31聚焦在Yb:GLSO晶体5端面51上的焦斑直径约为20μm，所述泵浦1发射孔的孔径为22μm，大于焦斑直径，以保持泵浦光源11能够完全被Yb:GLSO晶体5吸收，实现锁模；
步骤三、X型的光学谐振腔4内激光震荡：所述Yb:GLSO晶体5左右两侧分别设置有凹面镜II42和凹面镜Ι41，所述Yb:GLSO晶体5端面51发出的激光经凹面镜II42和凹面镜Ι41后形成X型的光学谐振腔4，所述X型的光学谐振腔4内振荡的激光在满足粒子束反转等条件后由凹面镜II42反射出；
步骤四、补偿X型的光学谐振腔4内色散：由凹面镜II42反射出的激光依次经过若干组 SF6三棱镜6，用于补偿X型的光学谐振腔4内的色散；
步骤五、飞秒激光输出：经过所述SF6三棱镜6后的激光再透过激光输出耦合镜44实现激光输出。
本实施例中，所述凹面镜Ι41和凹面镜II42表面均镀有800～1000nm的增透膜和1000～1200nm的高反膜，使得输入到所述Yb:GLSO晶体5内的激光经过凹面镜Ι41和凹面镜II42形成X型的光学谐振腔4。
实施例2
本实施例的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，基本结构同实施例1，不同和改进之处在于：如图4所示，所述Yb:GLSO晶体有效的吸收泵浦光源的能量后，通过2F7/2→2F5/2能级跃迁，将Yb3+基态的粒子抽运到2F5/2能级上，然后2F5/2能级上粒子再通过无辐照跃迁弛豫到2F5/2最低Stark子能级上，形成粒子数反转，从而实现2F5/2到2F7/2的受激跃迁产生1.03微米近红外激光，通过锁模的方式实现飞秒脉冲激光输出；所述Yb:GLSO晶体5 的右侧对应所述凹面镜II42位置处还设置有凹面镜Ι41，所述凹面镜Ι41和凹面镜II42表面均镀有800～1000nm的增透膜和1000～1200nm的高反膜，输入到所述Yb:GLSO晶体5内的激光经过凹面镜Ι41和凹面镜II42形成X型的光学谐振腔4，所述X型的光学谐振腔4内振荡的激光在满足粒子束反转等条件后由凹面镜II42反射出；由凹面镜Ι41反射出的激光通过平面反射镜43实现激光的逆反射，所述平面反射镜43表面镀有1000～1200nm的高反膜，以有效实现激光的逆反射，当泵浦1发射孔的孔径小于焦斑直径时，通过X型的光学谐振腔4内激光不断震荡，从而满足粒子束反转等条件。
实施例3
本实施例的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，基本结构同实施例2，不同和改进之处在于：如图1-2所示，预先将所述Yb:GLSO晶体5用铟箔包裹，并固定在紫铜水冷热沉上，采用主动控制方式将水冷热沉温度稳定在16℃左右，然后将所述Yb:GLSO 晶体5以布儒斯特角放置在激光输出装置内，以减少废热对激光振荡的不良影响；所述 Yb:GLSO晶体5包括左右两端面51，以及四周的侧面52，如图3所示，将Yb:GLSO晶体5 左右两端面51进行抛光，使之具有高的表面光洁度，并保持两个端面51之间具有良好的平行度；所述泵浦光源11在所述Yb:GLSO晶体5右侧端面聚焦为聚焦光源31，聚焦光源31 从所述Yb:GLSO晶体5右侧端面进入，穿过Yb:GLSO晶体5后从所述Yb:GLSO晶体5左侧端面穿出；聚焦光源31聚焦在Yb:GLSO晶体5端面51上的焦斑直径约为20μm，所述泵浦1发射孔的孔径为22μm，大于焦斑直径，以保持泵浦光源11能够完全被Yb:GLSO晶体5 吸收，实现锁模；
本实施例中，所述Yb:GLSO晶体5大小、曲率半径、激光输出耦合镜44的透过率等参数的调整会影响到输出飞秒激光的效率以及飞秒激光的脉宽，所述Yb:GLSO晶体5的尺寸为：端面51边长2～8mm，长度2～6mm，所述凹面镜Ι41和凹面镜II42曲率半径为70～200mm，所述激光输出耦合镜44的透过率为0.2％-1％。
实施例4
本实施例的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，基本结构同实施例3，不同和改进之处在于：如图3所示，所述Yb:GLSO晶体5是以硅酸钆镧为基质、并具有单斜对称结构的飞秒激光晶体；所述Yb:GLSO晶体5的化学式为Yb3+:(GdLa)2SiO5，分子式为YbxGd2-x-yLaySiO5，其中0<x<1，0<y<1，简写为Yb:GLSO，与硅酸钆晶体相比，硅酸钆镧晶体中由于镧离子的引入，造成了更大的体系无序性，由体系无序性所造成的光谱非均匀性展宽会使得发射光谱带宽进一步宽化，因而硅酸钆镧比硅酸钆晶体具有更宽的发射光谱带宽，有望实现更短的脉冲激光输出；如图5所示，Yb3+在GLSO晶体2F5/2→2F7/2能级跃迁荧光衰减寿命曲线图：可以看出荧光衰减曲线呈单指数衰减趋势，采用单指数拟合得到了Yb3+在GLSO晶体中2F5/2→2F7/2能级寿命为2.44ms，长于Yb3+在YAG晶体中2F5/2→2F7/2能级寿命(1.11ms)；较长的荧光寿命和宽的发射带宽均表明Yb:GLSO晶体5非常有利于采用半导体激光泵浦实现飞秒激光输出，并且Yb:GLSO晶体5有望实现比Yb:YAG晶体所实现的飞秒激光脉冲更短能量更高的脉冲激光输出。
实施例5
本实施例的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，基本结构同实施例4，不同和改进之处在于：所述分子式YbxGd2-x-yLaySiO5中，Gd3+与La3+具有同样的格位，且均为Gd2SiO5晶体中Gd3+的格位，Yb3+随机取代GLSO晶体中的Gd3+或La3+格位，GLSO晶体中Yb3+离子的掺杂浓度是0.5-30at％，即0.01<x<0.6；GLSO晶体中La3+的浓度为0.1-99.5at％，即0.01<y<1.99，其中at％表示原子百分比；如图6所示，所制备的Yb:GLSO晶体5的XRD 衍射峰与纯的GSO的标准卡片的衍射峰峰位和峰形都可以很好的吻合，说明了所制备的 Yb:GLSO晶体5中Yb离子和La离子取代GSO晶格中的Gd离子，成功的进入了GSO晶格之中，并且掺杂并没有破坏或影响到GSO的晶格，证明所制备的Yb:GLSO晶体具有单斜对称结构；如图7所示，曲线①代表Yb:GLSO晶体5，曲线②代表Yb:YAG晶体，与传统的 Yb:YAG晶体相比较，Yb:GLSO晶体5在1030nm附近具有非常宽的发射带宽，带宽约为 Yb:YAG晶体的3-5倍，由于硅酸钆镧晶体较低的晶体结构对称性、存在两种配位方式不同的稀土离子格位以及由于引入镧离子所造成的结构无序性，增加了掺入镱离子的Stark能级劈裂，使得该晶体具有非常宽的发射光谱带宽相一致；并且如此大的发射带宽非常有利于通过调谐或者锁模的方式实现更短的激光脉冲输出，因而Yb:GLSO晶体5比传统的Yb:YAG晶体更有容易采用半导体激光泵浦实现飞秒激光输出，具有很好的应用前景。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、泵浦(1)发出泵浦光源(11)：泵浦(1)水平输出泵浦光源(11)；后经光纤耦合器(2)发射到聚焦透镜(3)上；
步骤二、聚焦透镜(3)聚焦：通过连续设置的若干组聚焦透镜(3)将泵浦光源(11)聚焦为聚焦光源(31)，并聚焦在所述Yb:GLSO晶体(5)的端面(51)上，所述聚焦光源(31)从Yb:GLSO晶体(5)的右端面穿入，并从所述Yb:GLSO晶体(5)的左端面穿出；
步骤三、X型的光学谐振腔(4)内激光震荡：所述Yb:GLSO晶体(5)左右两侧分别设置有凹面镜II(42)和凹面镜Ι(41)，所述Yb:GLSO晶体(5)端面(51)发出的激光经凹面镜II(42)和凹面镜Ι(41)后形成X型的光学谐振腔(4)，所述X型的光学谐振腔(4)内振荡的激光在满足粒子束反转等条件后由凹面镜II(42)反射出；
步骤四、补偿X型的光学谐振腔(4)内色散：由凹面镜II(42)反射出的激光依次经过若干组SF6三棱镜(6)；
步骤五、飞秒激光输出：经过所述SF6三棱镜(6)后的激光再透过激光输出耦合镜(44)实现激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于：步骤四中，经凹面镜Ι(41)反射后所形成的X型的光学谐振腔(4)的输出激光通过增设平面反射镜(43)实现激光的逆反射，所述平面反射镜(43)表面镀有1000～1200nm的高反膜。
3.根据权利要求2所述的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于：所述凹面镜Ι(41)和凹面镜II(42)表面均镀有800～1000nm的增透膜和1000～1200nm的高反膜。
4.根据权利要求3所述的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于：所述激光输出耦合镜(44)的透过率为0.2％-1％。
5.根据权利要求4所述的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于：所述泵浦光源(11)的中心波长为940nm或970nm。
6.根据权利要求5所述的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于：所述Yb:GLSO晶体(5)包括左右两端面(51)，以及四周的侧面(52)，对所述Yb:GLSO晶体(5)左右两端面(51)进行抛光，并将所述Yb:GLSO晶体(5)以布儒斯特角放置，然后用铟箔包裹，并固定在紫铜水冷热沉上。
7.根据权利要求6所述的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于：所述Yb:GLSO晶体(5)的化学式为Yb3+:(GdLa)2SiO5，分子式为YbxGd2-x-yLaySiO5，其中0<x<1，0<y<1，简写为Yb:GLSO。
8.根据权利要求7所述的一种用于Kerr锁模掺镱硅酸钆镧晶体的激光输出方法，其特征在于：所述分子式YbxGd2-x-yLaySiO5中，Gd3+与La3+具有同样的格位，且均为Gd2SiO5晶体中Gd3+的格位，Yb3+随机取代GLSO晶体中的Gd3+或La3+格位，GLSO晶体中Yb3+离子的掺杂浓度是0.5-30at％，即0.01<x<0.6；GLSO晶体中La3+的浓度为0.1-99.5at％，即0.01<y<1.99，其中at％表示原子百分比。
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