CN114204397B - 一种GHz量级超高重复频率高功率飞秒碟片激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GHz量级超高重复频率高功率飞秒碟片激光器，属于飞秒激光技术领域。包括：用于提供泵浦激光的泵浦源；用于增益介质的激光晶体；用于克尔透镜锁模且与振荡激光成布儒斯特角放置的克尔介质；谐振腔，用于提供往返的振荡激光；激光晶体面向泵浦源的一侧镀有泵浦激光和振荡激光的增透膜，背向泵浦源的一侧镀有对泵浦激光和振荡激光的高反膜；激光晶体为直径10mm、厚度为220μm的薄圆盘形状。不对称的透镜组设计用于增大激光晶体上的激光光斑大小，进而提高输出功率；本发明采用不对称的透镜组腔型设计结合薄圆盘状激光晶体，较好地解决了GHz量级高重复频率飞秒激光器输出功率较低的问题，进而实现了高功率的高重复频率飞秒激光脉冲的输出。
Description
技术领域
本发明属于飞秒激光技术领域，更具体地，涉及一种GHz量级超高重复频率高功率飞秒碟片激光器。
背景技术
随着激光技术的发展，高重复频率的飞秒激光在高分辨率光学采样、光电对抗以及高速宽带通信系统等领域具有十分重要的应用。特别是重频达到GHz量级的飞秒脉冲，其逐渐在光学频率梳、激光精密加工、脉冲堆积以及任意光学波形发生器等前沿科学研究中成为不可或缺的工具之一。例如，在飞秒光学频率梳中，GHz量级的高重频脉冲可以有效降低光频转化为微波时产生的噪声；在激光精密加工中，也可提高加工效率。
目前高重频飞秒激光主要基于光纤激光器、块状固体激光器和微腔激光器，采用的主要方法包括短腔长被动锁模、谐波锁模以及非线性四波混频等，通过这些方法可以实现500MHz到百GHz量级的高重复频率飞秒激光输出。
现有的GHz量级重复频率的激光器存在着一些问题，如在没有后续放大的情况下所能实现的飞秒脉冲平均功率绝大部分都只在毫瓦量级，过低的平均功率会大幅度降低信噪比，这极大地限制了超高重频飞秒激光种子源的后续应用。现有的高重复频率飞秒激光器输出功率低的主要原因可能是由于固体激光晶体的形状和激光器的腔型结构所导致的。一方面，现有的高重复频率飞秒激光器采用的激光晶体形状一般为立方体，这种块状的晶体在较高的功率泵浦下会产生热效应，不仅限制了激光器的输出功率，还易损坏晶体。另一方面，超高重频的激光器腔长较短，导致腔内模式较小，且激光晶体上的光斑尺寸也很小，使得输出功率较低。因此，如何寻找一种能够输出高功率的GHz量级超高重频飞秒脉冲成为目前高重复频率激光器所需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种GHz量级超高重复频率高功率飞秒碟片激光器，旨在解决现有高重复频率飞秒激光器由于高功率泵浦下的散热和短腔长下的模式减小导致的输出功率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种GHz量级超高重复频率高功率飞秒碟片激光器，用于输出高功率的稳定锁模激光脉冲，包括：泵浦源、泵浦模块、激光晶体、克尔介质和谐振腔，泵浦源产生的泵浦光经过泵浦模块聚焦到激光晶体上，激光晶体用作增益介质以产生激光，同时激光晶体还作为谐振腔的第一端镜，激光在谐振腔内往返振荡，克尔介质与振荡激光成布儒斯特角放置，用于增强克尔效应以产生锁模激光脉冲；
激光晶体面向泵浦源的一侧镀有增透膜，背向泵浦源的一侧镀有高反膜。
进一步地，激光晶体设置在往返光路第一端部且用于反射激光，作为谐振腔的第一端镜，谐振腔还包括：
第二端镜，设置在往返光路第二端部且用于部分反射和部分透射激光；
第一高色散镜和第二高色散镜，用于补偿激光晶体和克尔介质所引入的色散；
第一透镜和第二透镜，两个不同焦距的透镜组构成紧聚焦结构，用于将激光聚焦到克尔介质上以实现克尔透镜锁模，同时该透镜组以不同大小的焦距放置在谐振腔内以增大激光晶体上的激光光斑大小；
光阑，根据腔内模式分布，采用不同大小的光阑可以设置在腔内不同位置，用于提高腔内的衍射损耗，以辅助克尔透镜锁模。
进一步地，第一透镜和所述第二透镜两侧镀有增透膜。第一透镜焦距为30mm～75mm，第二透镜焦距为4mm～20mm。优选地，当重复频率设置为0.5GHz时，第一透镜和第二透镜焦距分别为75mm和12mm；当重复频率设置为1GHz时，第一透镜和第二透镜焦距分别为30mm和4mm。
进一步地，第二端镜为平面镜。第二端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的部分透过膜，透过率范围为1～15％；第二端镜背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.9％。
进一步地，激光晶体呈圆盘状或椭圆盘状，厚度为10μm～1mm，直径为3mm～30mm。
进一步地，薄圆盘状激光晶体的材料包括但不限定Yb:YAG、Ho:YAG、Tm:YAG、Ho:KYW、Yb:CALGO,Cr:ZnSe、Yb:LuScO3、Yb:Lu2O3等适合加工成薄片状的激光晶体。
进一步地，克尔介质为厚度0.1mm～10mm的蓝宝石或熔融石英等具有非线性克尔效应的材料。优选地，克尔介质为1mm厚的蓝宝石薄片。
进一步地，泵浦源为输出波长在300nm～5μm区间的半导体激光器、光纤激光器和固体激光器等。
进一步地，光阑孔径为0.5mm～5mm。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明所提出的GHz量级超高重频高功率飞秒碟片激光器采用了厚度为220μm、直径10mm的薄圆盘状激光晶体，横截面积远远超过晶体的厚度，这种近似于一维薄片形状的增益介质在较高功率的泵浦下可以有效散热，最大限度地减小热效应的产生，产生的少量热量可通过水冷带走，因此，薄圆盘状激光晶体的振荡器更支持高功率的泵浦条件，也更容易产生高功率激光。
2、本发明所提出的GHz量级超高重频高功率飞秒碟片激光器的谐振腔型上采用透镜组不对称设计，在短腔长的基础上可以最大程度地增大激光晶体上的光斑尺寸，充分提高激光晶体的增益利用率，进而提高输出激光的功率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的GHz量级超高重复频率高功率飞秒碟片激光器的光路结构示意图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提出一种GHz量级超高重复频率飞秒碟片激光器，可用于输出高重复频率高功率的锁模脉冲。图1为超高重复频率高功率飞秒碟片激光器的光路结构示意图。从图1中可以看出，超高重复频率高功率飞秒碟片激光器主要包括给薄圆盘状激光晶体提供泵浦激光的泵浦源1、用作增益介质的薄圆盘状激光晶体2、用于克尔透镜锁模且与振荡激光成布儒斯特角放置的克尔介质3、提供色散的高色散镜和由透镜组、端镜等光学元件限定的谐振腔4，用于提供往返的振荡激光。其中，谐振腔4的两个端镜由薄圆盘状激光晶体2和平面部分反射镜10组成，克尔介质3放置在两个透镜之间的近焦点位置。
本发明超高重复频率高功率飞秒碟片激光器中的激光晶体厚度可在10μm～1mm，在本实施例中激光晶体厚度为220μm，形状为直径10mm的圆盘形或椭圆盘形，横截面积远大于晶体的厚度，当泵浦光以较高功率持续作用在薄圆盘状激光晶体上时，在增益介质的横向上不会产生较大的热梯度，也最大限度地减小了热效应的产生且避免了对晶体的损伤。因此，增益介质为薄圆盘状激光晶体的激光器可以支持较高的泵浦功率，从而可以输出高功率的高重频飞秒激光。
本发明所提出的薄圆盘状激光晶体，既需泵浦光激发以产生激光，又要用作谐振腔的端镜以反射一路激光，因此薄圆盘状激光晶体两侧需分别镀不同的介质膜以满足上述要求。在薄圆盘状激光晶体面向泵浦源的一侧镀有泵浦激光和振荡激光的增透膜，背向泵浦源的一侧镀有对泵浦激光和振荡激光的高反膜。通过在薄圆盘状激光晶体两侧镀有对泵浦光和振荡激光不同的介质膜，既可以有效提高增益介质对泵浦激光的吸收效率，又能减小光学元件的使用，提高高重频短腔的空间利用率。
本发明高重复频率高功率飞秒碟片激光器还包括将泵浦源发出的泵浦激光聚焦到激光晶体上的泵浦模块11，泵浦模块11主要由多个抛物面镜和一系列折返棱镜组成。输入的泵浦激光经过抛物面镜和折返棱镜的反射多次经过激光晶体，可以提高激光晶体对泵浦激光的吸收效率，泵浦结构可以为12通～96通，本实施例所采用的泵浦模块为48通泵浦结构，在增益介质中穿过48次。
具体地，谐振腔包括薄圆盘状激光晶体2(或者说第一端镜)、第二端镜10、第一高色散镜5、第二高色散镜6、第一透镜7、第二透镜8和克尔介质3和光阑9。其中第一高色散镜5和第二高色散镜6用作补偿增益介质和克尔介质引入的色散，使腔内的总色散量为负值，因此第一高色散镜5和第二高色散镜6的摆放位置不局限于激光晶体2和第一透镜7之间，也可以置于第二透镜8和第二端镜10之间。第一透镜7和第二透镜8通过其在谐振腔中不同的摆放位置和焦距大小使激光晶体上的光斑尽可能地增大，提高激光器所能承受的最大泵浦功率，进而提高激光器的输出功率。光阑9通过提高腔内的衍射损耗，进而减小脉冲的时间宽度，以辅助克尔透镜锁模的实现。本实施例中光阑直径为0.5mm～5mm，且光阑9可以置于腔内任意处。薄圆盘状激光晶体2设置在谐振腔的第一端部用于反射激光。第二端镜10为平面输出镜，设置在谐振腔的第二端部用于部分反射和部分透射激光。谐振腔还具有沿往返光路中设置在薄圆盘状激光晶体和第二端镜之间的第一透镜和第二透镜，并且第一透镜和第二透镜构成紧聚焦结构。优选地，在第一透镜和第二透镜的两面镀有对振荡激光增透的介质膜。
下面结合图1的具体实例来说明GHz量级高重频高功率飞秒碟片激光器的振荡过程。本发明选用泵浦源为半导体激光器，用光纤耦合输出波长为940nm的泵浦激光，泵浦激光经过泵浦模块聚焦到厚度为220μm、直径为10mm的圆形薄圆盘状Yb:YAG(掺杂浓度为7at％)激光晶体上。该薄圆盘状激光晶体面向泵浦源的一侧镀有泵浦激光和振荡激光的增透膜，背向泵浦源的一侧镀有对泵浦激光和振荡激光的高反膜。薄片介质背向泵浦源的一侧先用光胶粘贴在金刚石衬底上，再将金刚石衬底通过焊接的方式固定在铜热沉上，在铜热沉中通冷却水流将热量带走。金刚石衬底既可以避免薄片晶体直接焊接在热沉上所引起的晶体损坏，而且金刚石具有良好的导热性可以提高散热效果。在薄圆盘状激光晶体上的泵浦光斑直径约为3mm。由Yb:YAG增益晶体产生的1030nm激光入射到第一高色散镜上，经过第一高色散镜反射到第二高色散镜上，被第二高色散镜反射到第一透镜上，经过第一透镜聚焦到1mm厚的克尔介质上，透过克尔介质后入射到第二透镜上，最终透过第二透镜入射到第二端镜上，其中部分激光被第二端镜反射并原路返回，而透过第二端镜的部分激光即稳定输出高功率高重复频率的飞秒脉冲。
本发明主要介绍具有代表性的重复频率分别为0.5GHz和1GHz的高功率飞秒碟片激光器谐振腔型的设计。为实现重复频率在0.5GHz以上的飞秒碟片激光器，谐振腔的腔长应不超过300mm，这种短腔使得腔内的模式变小，且激光晶体上的光斑变小，不易实现高功率飞秒激光的输出，因此，本发明通过对振荡器谐振腔进行创新，采用不对称的透镜组设计设法增大薄片状激光晶体上的光斑尺寸，提高激光晶体上的增益利用率，进而实现高功率的高重频飞秒激光输出。
上述实例中，薄圆盘状激光晶体和第二端镜构成谐振腔的两个端镜，谐振腔总长分别设置为300mm和150mm，相应的重复频率分别为0.5GHz和1GHz。第一透镜和第二透镜构成共焦结构，且第一透镜的焦距应大于第二透镜的焦距。优选地，当重复频率设置为0.5GHz时，第一透镜焦距为75mm，第二透镜焦距为12mm，薄圆盘状激光晶体上的激光光斑直径约为2.2mm；当重复频率设置为1GHz时，第一透镜焦距为30mm，第二透镜焦距为4mm，薄圆盘状激光晶体上的激光光斑直径约为2.22mm。透镜的镜片表面两侧镀有对振荡激光的高透膜(T>99.9％)。蓝宝石片与振荡激光成布儒斯特角放置在两个透镜的焦点处，使得输出的激光呈线偏振，同时焦点处的激光功率密度足够大有利于实现克尔透镜锁模，克尔介质上的激光光斑直径为20μm～50μm。第二端镜为平面输出镜，其面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的部分透过膜，本发明采用输出耦合率为1～15％的平面输出镜，其背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜(T>99.9％)。
采取上述方法的激光器，可以获得稳定的GHz量级的超高重复频率高功率飞秒脉冲。本发明提供的超高重复频率高功率飞秒激光器结构紧凑简单、装置小巧，可广泛应用在激光加工、飞秒光学频率梳和科学研究等领域，具有良好的应用前景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种GHz量级超高重复频率高功率飞秒碟片激光器，其特征在于，包括泵浦源（1）、泵浦模块（11）、激光晶体（2）、克尔介质（3）和谐振腔（4），所述泵浦源（1）产生的泵浦光经过泵浦模块（11）聚焦到所述激光晶体（2）上，所述激光晶体（2）用作增益介质以产生激光，同时激光晶体（2）还作为所述谐振腔（4）的第一端镜，激光在所述谐振腔（4）内往返振荡，所述克尔介质（3）与振荡激光成布儒斯特角放置，用于增强克尔效应以产生锁模激光脉冲；
所述激光晶体（2）面向泵浦源（1）的一侧镀有增透膜，所述激光晶体（2）背向泵浦源（1）的一侧镀有高反膜；所述激光晶体（2）设置在往返光路第一端部且用于反射激光，作为谐振腔的第一端镜，所述谐振腔（4）还包括：
第二端镜（10），设置在往返光路第二端部且用于部分反射和部分透射激光；
第一高色散镜（5）和第二高色散镜（6），用于补偿所述激光晶体（2）和所述克尔介质（3）所引入的色散；
第一透镜（7）和第二透镜（8），用于将激光聚焦到所述克尔介质（3）上以实现克尔透镜锁模，同时以不同大小的焦距放置在所述谐振腔（4）内以增大所述激光晶体（2）上的激光光斑大小；
光阑（9），用于提高谐振腔内的衍射损耗。
2.根据权利要求1所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述第一透镜（7）和所述第二透镜（8）两侧镀有增透膜。
3.根据权利要求2所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述第二端镜（10）为平面镜。
4.根据权利要求1所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述第二端镜（10）面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的部分透过膜，透过率范围为1~15%；所述第二端镜（10）背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.9%。
5.根据权利要求1所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述激光晶体（2）呈圆盘状或椭圆盘状，厚度为10µm~1mm，直径为3mm~30mm。
6.根据权利要求1所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述激光晶体（2）的材料为Yb:YAG、Ho:YAG、Tm:YAG、Ho:KYW、Yb:CALGO, Cr:ZnSe、Yb:LuScO3、Yb:Lu2O3。
7.根据权利要求1所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述克尔介质（3）的材料为蓝宝石或者熔融石英。
8.根据权利要求1所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述泵浦源（1）为半导体激光器、光纤激光器或者固体激光器。
9.根据权利要求1所述的飞秒碟片激光器，其特征在于，所述光阑（9）的孔径为0.5mm~5mm。
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