CN112864785B - 一种高功率GHz重复频率的飞秒激光产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于全固态超快激光技术领域，公开了一种高功率GHz重复频率的飞秒激光产生系统，多模光纤耦合的981nm激光二极管，作为泵浦源；准直聚焦系统，泵浦激光聚焦到激光晶体中心，形成泵浦聚焦光斑；第一凹面镜，用于反射；Yb:KGW晶体，在环形腔内垂直切割并摆放；第二凹面镜，用于反射；克尔介质，用于提供额外的克尔效应；第三凹面镜，用于提供二阶色散，补偿腔内色散；第四凹面镜，用于输出高功率锁模飞秒激光脉冲。本发明通过合理设计谐振腔结构，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，价格低廉的高功率GHz重复频率的飞秒激光脉冲。

Description

一种高功率GHz重复频率的飞秒激光产生系统
技术领域
本发明属于全固态超快激光技术领域，尤其涉及一种高高功率GHz重复频率的飞秒激光产生系统。
背景技术
目前：GHz重复频率的锁模飞秒激光器可应用于飞秒光学频率梳、高速光信息传输、高速光学采样、激光光谱学等领域，特别实在光学频率梳领域，GHz飞秒激光具有重要的应用价值。因为其高重复频率的特点，在用于光学频率梳时，梳齿间隔更大，在用于未知频率探测时，精度更高；同时，在相同频谱范围内，梳齿密度更小，因此在相同的平均功率下，每根梳齿可分得的平均功率更高，在用于外差拍频实验时，有助于获得更高信噪比的信号。但是，当用于光学频率梳产生时，首先需要对GHz飞秒激光的重复频率进行锁定，同时，需要利用非线性器件将GHz飞秒激光的输出光谱扩展至覆盖一个倍频程的超连续谱，并进一步借助f-2f干涉法对载波包络相位偏移频率进行探测和锁定。倍频程超连续谱的产生要求种子激光具有较高的峰值功率和较短的脉冲宽度，然而到目前未为止，由激光二极管泵浦的克尔透镜锁模GHz重复频率飞秒激光的输出功率均在10mW量级或者100mW量级。这主要是由于可用泵浦源输出功率的限制，因为要实现克尔透镜锁模，至少需要满足两个要求：(1)在激光晶体中形成软孔光阑条件，即激光晶体中循环激光的模式需要略大于泵浦光斑模式；
(2)激光晶体中需要产生足够的克尔效应，即要求激光晶体中具有足够高的峰值功率密度。然而，传统的GHz四镜环形腔由两片曲率半径小于50mm的凹面镜以及两片平面镜构成共焦腔结构，在曲率半径50mm或者更小的凹面镜的约束下，激光晶体中的激光模式往往被限制在几十微米。因此，为了满足软孔光阑锁模条件，通常选用光束质量很好的单模光纤耦合的激光二极管作为泵浦源，其光纤芯径约为6μm，很容易通过准直聚焦整形至需要的光斑大小，以满足泵浦聚焦光斑略小于激光模式的条件；然而这种单模光纤耦合的激光二极管只有约1W的输出功率，因此极大限制了可获得的GHz飞秒激光的输出功率。同时，为了尽可能提高腔内激光晶体中的功率密度，需要使用透过率很低的输出镜以降低损耗，这两方面共同限制了GHz飞秒激光的输出功率。多模光纤耦合的激光二极管虽然可以提供高达百瓦的输出功率，但是光纤芯径一般为105μm，光束质量差，很难将其聚焦到更小，因此很难用其作为泵浦源，在传统的四镜环形腔结构中获得稳定的克尔透镜锁模GHz重复频率飞秒激光输出。因此，设计一种新型的克尔透镜锁模GHz重复频率飞秒谐振腔结构，并利用多模光纤耦合的激光二极管实现高功率克尔透镜锁模GHz重复频率飞秒输出具有重要的科学意义。
如前所述，实现高功率克尔透镜锁模GHz重复频率飞秒激光输出的一个前提条件是对目前克尔透镜锁模GHz飞秒激光器的谐振腔结构进行重新设计，以克服使用多模光纤耦合的激光二极管作为泵浦源时，无法满足软孔光阑锁模的困难。因此，如何提供一种高功率GHz重复频率飞秒激光脉冲的产生装置和方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前GHz重复频率的克尔透镜锁模飞秒激光器只能使用光束质量很好的单模光纤耦合LD进行泵浦，极大限制了平均输出功率及后续的应用范围。
解决以上问题及缺陷的难度为：如何设计合理的谐振腔结构，使其不仅可以直接使用高功率多模光纤耦合LD直接泵浦，也可以在这种情况下，激光晶体中的激光模式与泵浦光模式实现软孔光阑匹配条件条件，以更好的实现克尔透镜锁模。
解决以上问题及缺陷的意义为：利用所设计的高功率GHz重复频率谐振腔结构，可直接利用成本低廉的高功率多模光纤耦合LD泵浦，最终可获得高功率的GHz飞秒激光输出，免去了后续应用过程中复杂的放大过程。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高功率GHz重复频率的飞秒激光产生系统。
本发明是这样实现的，一种高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统，所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统包括：
多模光纤耦合的981nm激光二极管，作为泵浦源；
准直聚焦系统，泵浦激光聚焦到激光晶体中心，形成泵浦聚焦光斑；
第一凹面镜，用于反射；
Yb:KGW晶体，在环形腔内垂直切割并摆放；
第二凹面镜，用于反射；
克尔介质，用于提供额外的克尔效应；
第三凹面镜，用于提供二阶色散，补偿腔内色散；
第四凹面镜，用于输出高功率锁模飞秒激光脉冲。
多模光纤耦合981nm激光二极管通过准直聚焦系统，随后泵浦光束通过第一凹面镜，聚焦在Yb:KGW晶体中心，形成直径约103μm的泵浦聚焦光斑，并激发荧光；荧光依次到达第二凹面镜，反射至克尔介质，到达第三凹面镜，再被反射至第四凹面镜，又被反射至Yb:KGW晶体中，完成一次逆时针循环。同时Yb:KGW晶体激发荧光后，也会反射至第一凹面镜，然后反射至第四凹面镜，继续反射至第三凹面镜，再被反射至克尔介质，又到达第二凹面镜，再被反射至Yb:KGW晶体中，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，由第四凹面镜输出激光。
进一步，所述多模光纤耦合的981nm激光二极管作为泵浦源，最大输出功率为60W；
准直聚焦系统，成像比为1:1，泵浦激光聚焦到激光晶体中心，形成直径103μm的泵浦聚焦光斑；
第一凹面镜曲率半径为75mm，对1020-1200nm波段的反射率大于99.9％，对808-980nm波段的反射率小于2％。
进一步，所述Yb:KGW晶体，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1.5mm，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，曲率半径为30mm，对1020-1200nm波段的反射率大于99.9％，对808-980nm波段的反射率小于2％；
克尔介质，为SiO2，通光长度为2mm。
进一步，所述第三凹面镜，曲率半径为30mm，在980-1180nm波段内反射率大于99.9％，在1040-1055nm波段内提供的二阶色散为：-1200fs2，用于补偿腔内色散；
第四凹面镜，曲率半径为75mm，对1000-1100nm波段反射率为99％。
本发明的另一目的在于提供一种所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统的高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法，所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法包括：
按照激光传播方向依次设置的多模光纤耦合的高功率激光二极管、准直聚焦系统、第一凹面镜、增益晶体；
激光二极管产生的泵浦激光在所述增益晶体激发产生荧光，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、第四凹面镜、第三凹面镜、克尔介质、第二凹面镜，再被反射回增益晶体；
逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、克尔介质、第三凹面镜、第四凹面镜、第一凹面镜，再被反射回增益晶体。
进一步，所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法选择第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜和第四凹面镜的曲率半径，利用第三凹面镜补偿腔内色散，并调节增益晶体和第二凹面镜的位置，实现克尔透镜锁模；由所述第四凹面镜输出高功率的GHz重复频率飞秒激光。
本发明的另一目的在于提供一种飞秒光学频率梳，所述飞秒光学频率梳使用所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
本发明的另一目的在于提供一种高速光信息传输方法，所述高速光信息传输方法使用所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
本发明的另一目的在于提供一种高速光学采样方法，所述高速光学采样方法使用所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
本发明的另一目的在于提供一种激光光谱终端，所述激光光谱终端使用所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用环形腔的设计和克尔透镜锁模的运转机制，可以产生高功率、重复频率大于1GHz的飞秒激光脉冲。选择具有优异的物理化学和光学性质的增益晶体，利用高功率的多模光纤耦合的激光二极管作为泵浦源，使用透过率合适的的输出镜在保证腔内功率密度的同时，可进一步提高输出功率。克尔透镜锁模要求泵浦聚焦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，因此我们设计了新型的谐振腔结构以保证晶体中激光模式与多模光纤耦合的激光二极管的聚焦光斑的匹配。由于腔型紧凑、腔内元件数量的限制，我们使用带负啁啾的凹面镜补偿腔内色散。通过合理补偿色散、调节腔内元件，可实现重复频率在1GHz以上的高功率飞秒激光输出。
本发明激光二极管泵浦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，并进行合理的谐振腔设计，有望实现重复频率在1GHz以上的高功率全固态飞秒激光运转。本发明相比于传统的环形腔克尔透镜锁模GHz飞秒激光器，通过合理设计谐振腔结构，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，价格低廉的高功率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申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统的结构示意图；
图1中：1、多模光纤耦合的981nm激光二极管；2、准直聚焦系统；3、第一凹面镜；4、Yb:KGW晶体；5、第二凹面镜；6、克尔介质；7、第三凹面镜；8、第四凹面镜。
图2是本发明实施例提供的高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法的流程图。
图3是本发明实施例提供的腔内激光晶体中泵浦光模式与激光模式的分布图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高功率GHz重复频率的飞秒激光产生系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统包括：
多模光纤耦合的981nm激光二极管1，多模光纤耦合的981nm激光二极管作为泵浦源，具有高功率的特点，最大输出功率为60W；
准直聚焦系统2，成像比为1:1，泵浦激光聚焦到激光晶体中心，形成直径约103μm的泵浦聚焦光斑；
第一凹面镜3，曲率半径为75mm，对1020-1200nm波段的反射率大于99.9％，对808-980nm波段的反射率小于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1.5mm，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30mm，对1020-1200nm波段的反射率大于99.9％，对808-980nm波段的反射率小于2％；
克尔介质6，为SiO2，通光长度为2mm，用于提供额外的克尔效应；
第三凹面镜7，曲率半径为30mm，在980-1180nm波段内反射率大于99.9％，在1040-1055nm波段内提供的二阶色散为：-1200fs2，用于补偿腔内色散；
第四凹面镜8，曲率半径为75mm，对1000-1100nm波段反射率为99％，减小了腔内损耗，提高了腔内峰值功率密度，用于输出高功率锁模飞秒激光脉冲。
如图2所示，本发明提供的高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法包括以下步骤：
S101：按照激光传播方向依次设置的多模光纤耦合的高功率激光二极管、准直聚焦系统、第一凹面镜、增益晶体；
S102：激光二极管产生的泵浦激光在所述增益晶体激发产生荧光，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、第四凹面镜、第三凹面镜、克尔介质、第二凹面镜，再被反射回增益晶体；
S103：逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、克尔介质、第三凹面镜、第四凹面镜、第一凹面镜，再被反射回增益晶体。
选择第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜和第四凹面镜的曲率半径，利用第三凹面镜补偿腔内色散，并调节增益晶体和第二凹面镜的位置，实现克尔透镜锁模；由所述第四凹面镜输出高功率的GHz重复频率飞秒激光。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图1所示，为本发明高功率GHz重复频率飞秒激光的产生装置实施方式的原理示意图。在本实施方式中，在实现GHz重复频率的条件下，较传统四镜环形腔而言，使用四片凹面镜组成的新型环形腔结构可以在使用光束质量较差的多模光纤耦合激光二极管作为泵浦源的情况下，依旧满足软孔光阑锁模条件，在高功率激光二极管的泵浦下，获得高功率GHz重复频率飞秒激光输出。
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，由第四凹面镜8同时输出两束激光。具体循环路径如下：多模光纤耦合的981nm激光二极管1产生的981nm泵浦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103μm的泵浦聚焦光斑，并激发荧光；荧光依次到达第二凹面镜5，反射至克尔介质6，到达第三凹面镜7，再被反射至第四凹面镜8，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，然后反射至第四凹面镜8，继续反射至第三凹面镜7，再被反射至克尔介质6，又到达第二凹面镜5，再被反射至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，由第四凹面镜8输出激光。通过仔细调节Yb:KGW晶体4和第二凹面镜5实现克尔透镜锁模，从而得到稳定的高功率GHz重复频率飞秒激光输出。
如图3所示，表明激光晶体中泵浦光聚焦光斑可以和激光模式形成软孔光阑，有利于稳定的克尔透镜锁模的实现。
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，第二凹面镜与第三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，克尔介质的材料可以根据腔内的实际功率不同，选择SiO2、CaF2、Sapphire、YAG、ZnS和PPLN等。
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高功率GHz重复频率飞秒激光运转；2、本发明所设计的腔型为四片凹面镜组成的环形谐振腔，相比传统的环形腔结构，可使用光束质量较差的多模光纤耦合的激光二极管作为泵浦源。在本发明的设计下可以实现输出功率大于1W、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高功率GHz重复频率飞秒激光的产生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。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统，其特征在于，所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统包括：多模光纤耦合的981nm激光二极管，作为泵浦源；准直聚焦系统，泵浦激光聚焦到激光晶体中心，形成泵浦聚焦光斑；第一凹面镜，用于反射；Yb:KGW晶体，在环形腔内垂直切割并摆放；第二凹面镜，用于反射；克尔介质，用于提供额外的克尔效应；第三凹面镜，用于提供二阶色散，补偿腔内色散；第四凹面镜，用于输出高功率锁模飞秒激光脉冲；
多模光纤耦合981nm激光二极管通过准直聚焦系统，随后泵浦光束通过第一凹面镜，聚焦在Yb:KGW晶体中心，形成直径103μm的泵浦聚焦光斑，并激发荧光；荧光依次到达第二凹面镜，反射至克尔介质，到达第三凹面镜，再被反射至第四凹面镜，又被反射至Yb:KGW晶体中，完成一次逆时针循环；同时Yb:KGW晶体激发荧光后，也会反射至第一凹面镜，然后反射至第四凹面镜，继续反射至第三凹面镜，再被反射至克尔介质，又到达第二凹面镜，再被反射至Yb:KGW晶体中，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，可自再现实现激光振荡，由第四凹面镜输出激光；
所述多模光纤耦合的981nm激光二极管作为泵浦源，最大输出功率为60W；
准直聚焦系统，成像比为1:1，泵浦激光聚焦到激光晶体中心，形成直径103μm的泵浦聚焦光斑；
第一凹面镜曲率半径为75mm，对1020-1200nm波段的反射率大于99.9％，对808-980nm波段的反射率小于2％。
2.如权利要求1所述的高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统，其特征在于，所述Yb:KGW晶体，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1.5mm，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，曲率半径为30mm，对1020-1200nm波段的反射率大于99.9％，对808-980nm波段的反射率小于2％；
克尔介质，为SiO2，通光长度为2mm。
3.如权利要求1所述的高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统，其特征在于，所述第三凹面镜，曲率半径为30mm，在980-1180nm波段内反射率大于99.9％，在1040-1055nm波段内提供的二阶色散为：-1200fs2，用于补偿腔内色散；
第四凹面镜，曲率半径为75mm，对1000-1100nm波段反射率为99％。
4.一种如权利要求1～3任意一项所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统的高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法，其特征在于，所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法包括：
按照激光传播方向依次设置的多模光纤耦合的高功率激光二极管、准直聚焦系统、第一凹面镜、增益晶体；
激光二极管产生的泵浦激光在所述增益晶体激发产生荧光，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、第四凹面镜、第三凹面镜、克尔介质、第二凹面镜，再被反射回增益晶体；
逆时针循环荧光依次经过第二凹面镜、克尔介质、第三凹面镜、第四凹面镜、第一凹面镜，再被反射回增益晶体。
5.如权利要求4所述的高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法，其特征在于，所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生方法选择第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜和第四凹面镜的曲率半径，利用第三凹面镜补偿腔内色散，并调节增益晶体和第二凹面镜的位置，实现克尔透镜锁模；由所述第四凹面镜输出高功率的GHz重复频率飞秒激光。
6.一种飞秒光学频率梳，其特征在于，所述飞秒光学频率梳使用权利要求1～3任意一项所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
7.一种高速光信息传输方法，其特征在于，所述高速光信息传输方法使用权利要求1～3任意一项所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
8.一种高速光学采样方法，其特征在于，所述高速光学采样方法使用权利要求1～3任意一项所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
9.一种激光光谱终端，其特征在于，所述激光光谱终端使用权利要求1～3任意一项所述高功率GHz重复频率飞秒激光产生系统。
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