CN112886378A - 一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，属于激光器领域。拉曼倍频泵浦源输出590nm波段的泵浦激光，通过耦合聚焦系统后透过第一凹面镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，经第一凹面镜反射到第三凹面镜，再反射到可饱和吸收体或平面反射镜上，然后沿原路返回，依次再经过第三凹面镜、第一凹面镜、翠绿宝石激光增益介质和第二凹面镜，并由第二凹面镜偏转反射到色散补偿装置，最后由平面输出镜输出。本发明采用590nm波段拉曼倍频激光器做泵浦源，该波段处于翠绿宝石增益介质的b轴吸收谱线峰值处，具有最大的吸收系数，仅需要非常短的翠绿宝石晶体即可获得足够的锁模腔内增益，引入的腔内正色散较小。

Description

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激 光器

技术领域

本发明涉及一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，属于激光器技术领域。

背景技术

超短脉冲激光技术的发展为人们探索超快光谱学、非线性频率转换、非线性显微镜、超精密加工和用于微尺寸分辨率生物组织成像的光学相干断层扫描技术等领域提供了有力工具。在超快光谱学领域，超短脉冲可允许人们观测离子和分子重排的超快动力学过程。在非线性频率转换领域，利用非线性变频技术，红光超短脉冲激光变频几乎可以覆含整个紫外波段的激光，可以成为获得紫外超短脉冲激光光源，在光学测量及材料性能研究等方面具有潜在应用价值。在非线性显微镜领域，超短脉冲激光器的高峰值强度可以导致两个或多个光子的吸收，在具有亚细胞三维分辨率和深穿透深度的非线性成像方法中得到了应用。在超精密加工领域，在超短脉冲的强烈作用下，在光斑作用区域内的材料会被快速的破坏，实现精确和干净的切割。

超短脉冲激光通常由具有宽发射带宽的激光增益介质产生。翠绿宝石晶体(Alexandrite，Cr³⁺:BeAl₂O₄)是一种性能优良的宽带振动晶体，波长调谐范围为701～858nm，是性能优越的宽带可调谐激光工作介质。宽的发射带宽有利于得到超短脉冲锁模激光输出，与广泛使用的Ti:sapphire晶体相比，Alexandrite具有更长的荧光寿命τ(室温下262μs)，饱和能量密度高，便于得到更高峰值功率脉冲输出。翠绿宝石晶体的受激发射截面σ为0.7×10^-20cm²，较大的στ乘积表明利用翠绿宝石晶体可以实现低阈值激光振荡。另外，翠绿宝石还具有优异的热机械性能，包括高热导率(23Wm^-1K^-1)、高机械强度和高损伤阈值。因此，翠绿宝石晶体是能够同时兼顾低阈值和窄脉冲宽度输出的优秀激光介质。

目前为止，已经有多种不同种类的泵浦源被用来泵浦翠绿宝石晶体。利用闪光灯做泵浦是翠绿宝石激光器最常见的技术，闪光灯发射谱与Alexandrite晶体吸收带宽匹配，可以得到长脉冲高能量近红外激光输出，重复频率为数十赫兹时，最大单脉冲能量可达十焦耳量级。然而，对于超短脉冲激光输出，利用闪光灯泵浦仅能产生皮秒量级脉冲宽度(最短实现了8ps)，很难实现飞秒量级超短脉冲激光。

另外，由于翠绿宝石晶体的吸收带几乎涵盖了整个可见光波段，因此可以使用可见光激光器作为泵浦源。传统的可见光泵浦源包括绿光半导体激光器和红光半导体激光器。绿光半导体激光器(输出波长为532nm)作为目前用于翠绿宝石泵浦最常用的光源，在光束质量、强度噪声等方面有着很大的优势。利用532nm绿光激光器进行泵浦，Alexandrite超短脉冲激光器得到了大量的研究，成功得到了飞秒量级超短脉冲激光输出，但是复杂的伺服系统导致其成本昂贵而且其输出波长不是翠绿宝石晶体的吸收峰值，532nm对应的b轴吸收效率约为28％。

随着半导体激光技术的发展，红光半导体激光器(输出波长在638nm附近)近年来逐渐作为一种新型的翠绿宝石晶体的泵浦源，结构相对紧凑，可以降低成本，但是其光束质量，输出波长线宽等方面还有待优化。同样，红光半导体激光器输出波长也不是翠绿宝石晶体的吸收峰值，638nm对应的b轴吸收效率约为40％。由于绿光和红光波长都不是翠绿宝石晶体的吸收峰值(吸收峰为590nm，对应的b轴吸收效率约为80％)，因此将上述泵浦源用于翠绿宝石激光器中时，需要较长的翠绿宝石晶体做增益介质来获得足够的增益，这样就会导致锁模腔内有非常大的正色散，不利于产生稳定的超短脉冲锁模激光输出。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，采用590nm波段拉曼倍频激光器做泵浦源，提供翠绿宝石的泵浦激光，590nm波段处于翠绿宝石增益介质的b轴吸收谱线峰值处，对应的b轴吸收效率约为80％，具有最大的吸收系数，仅需要非常短的翠绿宝石晶体即可获得足够的锁模腔内增益，引入的腔内正色散较小，而且590nm波段拉曼倍频激光器具有高亮度，因此只需较低的泵浦功率运行，即可实现稳定的翠绿宝石锁模激光脉冲输出。

本发明采用以下技术方案：

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，包括拉曼倍频泵浦源、耦合聚焦系统、翠绿宝石激光增益介质、第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、可饱和吸收体或平面反射镜、色散补偿装置以及平面输出镜；

拉曼倍频泵浦源，用于输出590nm波段的泵浦激光，翠绿宝石激光增益介质的翠绿宝石晶体以实现粒子数反转；

耦合聚焦系统用于将拉曼倍频(590nm波段)泵浦源出射的泵浦激光聚焦到翠绿宝石激光增益介质的晶体上；

翠绿宝石激光增益介质，同时作为激光增益介质和克尔介质，接收耦合聚焦系统聚焦之后的590nm波段泵浦激光，提供激光谐振腔内的增益；

第一凹面镜，接收翠绿宝石激光增益介质的晶体产生的增益激光，与第二凹面镜组成共焦系统；

第二凹面镜，接收翠绿宝石激光增益介质的晶体产生的增益激光，与第一凹面镜组成共焦结构，并反射到色散补偿装置上；

第三凹面镜，接收第一凹面镜反射的增益激光，并反射到可饱和吸收体或平面反射镜上；

可饱和吸收体或平面反射镜，用于接收第三凹面镜反射的增益激光；

色散补偿装置，接收第二凹面镜反射的增益激光，用于补偿激光谐振腔内的色散，获得更窄锁模脉冲宽度，并将激光投射到平面输出镜上；

平面输出镜，增益激光起振后用于输出锁模激光。

泵浦激光通过耦合聚焦系统后透过第一凹面镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，激光谐振腔内的激光经第一凹面镜反射到第三凹面镜，再反射到可饱和吸收体或平面反射镜上，然后沿原路返回，依次再经过第三凹面镜、第一凹面镜、翠绿宝石激光增益介质和第二凹面镜，并由第二凹面镜偏转反射到色散补偿装置，最后由平面输出镜输出。

本发明中，激光谐振腔为由第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、可饱和吸收体和平面输出镜组成的折叠腔；

或者，激光谐振腔为由第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、平面反射镜和平面输出镜组成的折叠腔；

优选的，所述拉曼倍频泵浦源的中心波长为590nm±20nm。

优选的，泵浦源可由1180nm波段拉曼光纤激光器倍频得到的激光器，用于输出波长为590nm±20nm的泵浦激光。

当然，也可以基于不同的光纤，采用不同的方法来实现，目前现有技术中已经有很多能够输出590nm波段泵浦激光的激光器，此处不再赘述。

优选的，所述耦合聚焦系统由单个或多个透镜组成，每个透镜两侧均镀有对590nm±50nm波段激光的抗反射介质膜。

优选的，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径相等，曲率半径均为50mm-600mm，且第二凹面镜安装在能够调节的光学位移平台上，用于调节第二凹面镜的位置，此处的光学位移平台可选用本领域常用型号即可，不影响本发明的实施。

优选的，可饱和吸收体用于接收第三凹面镜反射的增益激光，实现腔内锁模激光的自启动，可以为可饱和吸收镜(SESAM)、石墨烯、碳纳米管或者由其他在起振激光波长附近有饱和吸收特性材料制备而成。

优选的，所述翠绿宝石激光增益介质作为激光增益介质和克尔介质，接收耦合聚焦系统聚焦之后的590nm波段泵浦激光，提供激光谐振腔内的增益，翠绿宝石激光增益介质的晶体沿c轴以布儒斯特角切割，通光面为光学量级抛光，晶体长度为2mm-9mm，相对于泵浦激光以布儒斯特角放置于半导体制冷器(TEC)控制的紫铜热沉上，以补偿由第一凹面镜和第二凹面镜角度偏移带来的像散，紫铜热沉的温度设置在5-100℃，可以实现不同波长的锁模激光输出。

翠绿宝石晶体属于具有低晶体对称性的正交晶系，为双光轴晶体，选择两光轴的锐夹角平分线和钝夹角平分线作为直角坐标系的两个坐标轴，则介电张量取对角形式，此坐标系的三个坐标轴称为晶体的三个主轴，分别为a轴、b轴、c轴，对于翠绿宝石晶体，并规定不同主轴对应的折射率分布为n_b>n_a>n_c。此处的a轴、b轴、c轴为本领域的常规定义，此处不再赘述。

进一步优选的，所述第一凹面镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，背向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。

进一步优选的，所述第二凹面镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。

进一步优选的，所述第三凹面镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜，用于将振荡激光聚焦到可饱和吸收体上，根据实际需要可选择合适的曲率。

进一步优选的，所述色散补偿装置为棱镜对，相对于振荡激光以布儒斯特角放置，表面均镀有对振荡激光抗反射的介质膜；

或者，所述色散补偿装置为啁啾镜或GTI镜。

进一步优选的，所述平面输出镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光具有一定输出耦合率0.1％-5％的介质膜。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术进行。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用590nm波段拉曼倍频激光器做泵浦源，泵浦波长590nm波段对应翠绿宝石增益介质的最大吸收峰值，具有最大的吸收系数，仅需要非常短的翠绿宝石晶体即可获得足够的锁模腔内增益，引入的腔内正色散较小，更容易获得超短脉冲锁模激光输出。

2)本发明使用的590nm波段拉曼倍频激光器具有高亮度，只需较低的泵浦功率运行，即可实现稳定的高光束质量的翠绿宝石锁模激光脉冲输出。

附图说明

图1为本发明的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器的结构示意图；

图2为本发明的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器实施例1的结构示意图；

图3为本发明的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器实施例2的结构示意图；

图4为本发明的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器实施例3的结构示意图；

图5为本发明590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器实施例4的结构示意图；

其中，1、拉曼倍频泵浦源；2、耦合聚焦系统；3、第一凹面镜；4、翠绿宝石激光增益介质；5、第二凹面镜；6、第三凹面镜；7、色散补偿装置；8、平面输出镜；9、可饱和吸收体；10、平面反射镜。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，如图1～2所示，包括拉曼倍频泵浦源1、耦合聚焦系统2、翠绿宝石激光增益介质3、第一凹面镜4、第二凹面镜5、第三凹面镜6、可饱和吸收体9、色散补偿装置7以及平面输出镜8；

拉曼倍频泵浦源1，为由1180nm波段拉曼光纤激光器倍频得到的激光器，用于输出波长为590nm±20nm的泵浦激光；

耦合聚焦系统2用于将590nm波段泵浦源出射的泵浦激光聚焦到翠绿宝石激光增益介质4的晶体上；

翠绿宝石激光增益介质4，作为激光增益介质和克尔介质，接收耦合聚焦系统2聚焦之后的590nm波段泵浦激光，提供激光谐振腔内的增益，翠绿宝石激光增益介质4的晶体沿c轴以布儒斯特角切割，通光面为光学量级抛光，晶体长度为2mm-9mm，相对于泵浦激光以布儒斯特角放置于半导体制冷器(TEC)控制的紫铜热沉上，以补偿由第一凹面镜和第二凹面镜角度偏移带来的像散，紫铜热沉的温度设置在5-100℃，可以实现不同波长的锁模激光输出。

第一凹面镜3和第二凹面镜5的曲率半径相等，曲率半径均为50mm-600mm，第一凹面镜3两侧均镀有对泵浦激光590nm高透的介质膜，背向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜，第一凹面镜3接收翠绿宝石激光增益介质的晶体产生的增益激光，与第二凹面镜组成共焦系统；

第二凹面镜5两侧均镀有对泵浦激光590nm高透的介质膜，面向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜，第二凹面镜5接收翠绿宝石激光增益介质的晶体产生的增益激光，与第一凹面镜3组成共焦结构，并反射到色散补偿装置上；

第三凹面镜6两侧均镀有对泵浦激光590nm高透的介质膜，面向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜，第三凹面镜接收第一凹面镜反射的增益激光，并反射到可饱和吸收体或平面反射镜上；

可饱和吸收体9为可饱和吸收镜(SESAM)，用于接收第三凹面镜6反射的增益激光；

色散补偿装置7为棱镜对，相对于振荡激光以布儒斯特角放置，表面均镀有对振荡激光抗反射的介质膜；

平面输出镜8两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光具有一定输出耦合率0.1％-5％的介质膜。

激光谐振腔为由第一凹面镜3、第二凹面镜5、第三凹面镜6、可饱和吸收体9和平面输出镜8组成的折叠腔。

本实施例的光路传播具体为：拉曼倍频(590nm波段)泵浦源1发出的泵浦激光通过耦合聚焦系统2后透过第一凹面镜3入射到翠绿宝石激光增益介质4的晶体上，激光谐振腔内的激光经第一凹面镜3反射到第三凹面镜6，再反射到可饱和吸收体9上，然后沿原路返回，依次再经过第三凹面镜6、第一凹面镜3、翠绿宝石激光增益介质4和第二凹面镜5，并由第二凹面镜5偏转反射到棱镜对，最后由平面输出镜8输出。

实施例2：

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，如图3所示，与实施例1的结构相同，所不同的是，色散补偿装置7为啁啾镜或GTI镜，使用多个啁啾镜或GTI镜可以有效的补偿腔内的正色散，得到更窄的锁模脉冲激光输出。

实施例3：

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，如图4所示，与实施例1的结构相同，所不同的是，激光谐振腔为由第一凹面镜3、第二凹面镜5、第三凹面镜6、平面反射镜10和平面输出镜8组成的折叠腔，对应的被动锁模方式又称为克尔透镜锁模。经过对腔型的合理设计，由第一凹面镜3和第二凹面镜5组成的共焦系统在翠绿宝石激光增益介质4处形成软光阑，或者在腔内一侧单臂上加入一个硬光阑，抑制弱光，强光不断加强，与可饱和吸收体的作用原理类似，从而形成稳定的锁模输出。

实施例4：

一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，如图5所示，与实施例3的结构相同，所不同的是，色散补偿装置7为啁啾镜或GTI镜，使用多个啁啾镜或GTI镜可以有效的补偿腔内的正色散，得到更窄的锁模脉冲激光输出。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，包括拉曼倍频泵浦源、耦合聚焦系统、翠绿宝石激光增益介质、第一凹面镜、第二凹面镜、第三凹面镜、可饱和吸收体或平面反射镜、色散补偿装置以及平面输出镜；

所述拉曼倍频泵浦源用于输出590nm波段的泵浦激光，泵浦激光通过耦合聚焦系统后透过第一凹面镜入射到翠绿宝石激光增益介质上，激光谐振腔内的激光经第一凹面镜反射到第三凹面镜，再反射到可饱和吸收体或平面反射镜上，然后沿原路返回，依次再经过第三凹面镜、第一凹面镜、翠绿宝石激光增益介质和第二凹面镜，并由第二凹面镜偏转反射到色散补偿装置，最后由平面输出镜输出。

2.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述拉曼倍频泵浦源的中心波长为590nm±20nm。

3.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述耦合聚焦系统由单个或多个透镜组成，每个透镜两侧均镀有对590nm±50nm波段激光的抗反射介质膜。

4.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率半径相等，曲率半径均为50mm-600mm，且第二凹面镜安装在能够调节的光学位移平台上；

优选的，可饱和吸收体为可饱和吸收镜、石墨烯或碳纳米管。

5.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述翠绿宝石激光增益介质的翠绿宝石晶体沿c轴以布儒斯特角切割，通光面为光学量级抛光，晶体的长度为2mm-9mm，相对于泵浦激光以布儒斯特角放置于半导体制冷器控制的紫铜热沉上，紫铜热沉的温度设置在5-100℃。

6.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述第一凹面镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，背向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。

7.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述第二凹面镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向泵浦源的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。

8.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述第三凹面镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向泵浦原的一侧镀有对振荡激光高反的介质膜。

9.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述色散补偿装置为棱镜对，相对于振荡激光以布儒斯特角放置，表面均镀有对振荡激光抗反射的介质膜；

或者，所述色散补偿装置为啁啾镜或GTI镜。

10.根据权利要求1所述的590nm波段拉曼倍频光源泵浦的翠绿宝石被动锁模激光器，其特征在于，所述平面输出镜两侧均镀有对泵浦激光高透的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光具有一定输出耦合率0.1％-5％的介质膜。

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