CN114865441A - 一种sesam锁模的高重复频率碟片激光器 - Google Patents

一种sesam锁模的高重复频率碟片激光器 Download PDF

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刘贺言
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Abstract

本发明公开了一种SESAM锁模的高重复频率碟片激光器，属于固体激光技术领域。包括泵浦源和谐振腔，所述谐振腔包括碟片状激光晶体、色散补偿单元、透镜及半导体可饱和吸收镜；所述半导体可饱和吸收镜设置在所述透镜的近焦点处，所述近焦点对应所述谐振腔的稳区边缘位置。本发明通过使用透镜进行调节谐振腔内的模式分布，解决了高重复频率条件下激光光斑变小导致输出功率低的问题，并结合使用碟片状激光晶体和可水冷式SESAM，且将碟片晶体同时作为增益介质和端面反射镜，既可以提高腔内的空间利用率，又可以提高输出功率，进而可以实现结构简单、紧凑的高功率高重复频率飞秒碟片激光器。

Description

一种SESAM锁模的高重复频率碟片激光器
技术领域
本发明属于固体激光技术领域，更具体地，涉及一种SESAM锁模的高重复频率碟片激光器。
背景技术
自上世纪六十年代世界上第一台激光器诞生以来，激光技术就获得了飞速的发展。超快激光由于具有高峰值功率和窄脉宽的特性成为激光技术领域一个重要的研究方向，在基础科研、生物医疗、工业加工以及国防军事等领域都有着十分广泛且重要的应用。
脉冲的重复频率作为超快激光的一个重要技术指标，成为限制其应用的一个关键因素。当激光脉冲的重复频率较低时，相应的单脉冲能量和峰值功率会有所提高，这样的激光光源主要应用在激光加工等领域。当激光脉冲的重复频率较高时，主要应用于飞秒光学频率梳和超快时间分辨光谱学等方向。
当飞秒光学频率梳用于光学频率测量时，其种子源的重复频率越高越好，原因主要有两点：第一，重复频率越高，光学频率梳的梳齿越宽，也就越容易判断光波所在的位置。第二，激光器输出的平均功率一定的条件下，重复频率越高纵模间隔就越大，因此分布在每个纵模频率上的平均功率就越高，拍频时可以获得更高的信噪比。
目前可以实现高重频频率的激光器主要有光纤激光器、块状固体激光器以及微腔激光器，这些激光器可以获得的重复频率从500MHz到百GHz量级不等。然而这些高重复频率的激光器都存在着一些问题，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在mW量级，过低的平均功率会大幅度降低信噪比，这也会限制高重复频率飞秒激光种子源的后续应用。
碟片状激光晶体是一种新型的增益介质，其几何形状为大而薄的圆盘状，具有极大的径厚比，采用冲击水冷的方法进行散热可以使碟片激光器输出的平均功率提高。且碟片晶体的厚度很薄，非线性作用很弱，就可以支持高峰值功率的激光输出此外，通过增加碟片晶体表面的泵浦光斑尺寸，就可以在保持功率密度不变的情况下提高泵浦功率，具有优异的功率和能量拓展性。因此，碟片激光器非常适合产生高功率、高能量、高峰值功率的激光输出。
超快激光的产生方式主要有克尔透镜锁模和半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模。在碟片激光器中实现克尔透镜锁模需要额外增加克尔介质提供克尔效应，而克尔效应需要在克尔介质上产生高的功率密度以实现锁模，也就意味着还需要增加两个凹面镜在克尔介质上产生聚焦光斑，然而若要实现更高的重复频率则需要进一步缩短腔长，但是腔长短又会不可避免的减小腔内模式，使得输出功率变小。同时，腔内有过多的光学器件也不利于提高碟片激光器的重复频率。相比之下SESAM锁模不需要对腔进行精密的调节，且易于启动，但同样存在高重复频率与高平均功率之间的矛盾，即存在高重复频率的谐振腔长较短，导致腔内模式较小的问题，这也无疑会限制高重复频率高功率碟片激光器的发展。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种SESAM锁模的高重复频率碟片激光器，其目的在于提高碟片激光器在高重复频率下的激光输出功率。
为实现上述目的，本发明提供了一种SESAM锁模的高重复频率碟片激光器，包括泵浦源和谐振腔，所述谐振腔包括：碟片状激光晶体、色散补偿单元、透镜及半导体可饱和吸收镜；所述半导体可饱和吸收镜设置在所述透镜的近焦点处，所述近焦点对应所述谐振腔的稳区边缘位置；
所述泵浦源用于输出泵浦激光；所述碟片状激光晶体用于接收所述泵浦激光，并作为增益介质以产生激光，同时还作为所述谐振腔的第一端镜，反射振荡激光；所述透镜用于将激光聚焦在所述半导体可饱和吸收镜上；所述半导体可饱和吸收镜用于启动并维持SESAM锁模运转，同时还作为所述谐振腔的第二端镜，反射振荡激光；所述激光在所述谐振腔内往返振荡，所述色散补偿单元用于使腔内的总色散量为负值，还用于输出高重频的锁模激光脉冲。
进一步地，所述色散补偿单元设置在所述碟片状激光晶体与透镜之间。
进一步地，所述色散补偿单元为第一高色散镜和第二高色散镜，所述激光入射至第一高色散镜，经所述第一高色散镜反射至所述第二高色散镜上。
进一步地，所述第一高色散镜或第二高色散镜面向谐振腔的一侧镀有部分透过膜，透过率范围为1～20％，背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜。
进一步地，所述碟片状激光晶体面向谐振腔的一侧镀有增透膜，背向谐振腔的一侧镀有高反膜；所述透镜两侧镀有增透膜。
进一步地，还包括设置在所述泵浦源与碟片状激光晶体之间的光路中的泵浦模块，用于增大聚焦到碟片状激光晶体上的泵浦激光的吸收效率。
进一步地，所述泵浦模块包括抛物面镜和一系列折返棱镜，碟片激光晶体放置在所述抛物面镜的焦点处，所述泵浦光经过所述抛物面镜和折返棱镜的多次反射聚焦到所述碟片激光晶体上。
进一步地，所述碟片状激光晶体及所述半导体可饱和吸收镜背向谐振腔的一侧固定在水冷热沉上。
进一步地，所述碟片状激光晶体呈圆盘状或椭圆盘状。
进一步地，所述碟片状激光晶体的材料包括Yb:YAG、Ho:YAG、Tm:YAG、Ho:KYW、Yb:CALGO、Cr:ZnSe、Yb:LuScO3或Yb:Lu2O3。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过将半导体可饱和吸收镜设置在透镜的近焦点处，针对不同的重复频率，采用不同焦距的透镜，通过透镜调节谐振腔内的模式分布，在腔内实现了碟片状激光晶体表面具有大尺寸的激光光斑且SESAM表面具有小尺寸的激光光斑；碟片状激光晶体表面大的激光光斑，可以提高晶体的增益利用率，进而提高激光的输出功率；同时，SESAM表面小的激光光斑，能够提高SESAM表面的激光功率密度有利于锁模脉冲的形成。通过仿真，本发明实现了0.5GHz以上的高重复频率飞秒激光脉冲，同时脉冲的输出功率较高。
(2)本发明采用碟片状激光晶体作为增益介质以产生激光，其表面的泵浦光斑尺寸较大，在保持功率密度不变的情况下可以支持更高的泵浦功率，进而获得高的输出功率；且采用SESAM锁模方式，易于启动，且不需要在腔内增加额外的锁模元件，提高空间利用率。
(3)本发明将碟片状激光晶体同时用作增益介质和端面反射镜，减小腔长，提高腔内空间利用率，可以最大化提高碟片激光器的重复频率。整个激光器系统结构简单、紧凑，且容易装配。
(4)作为优选，两个高色散镜设置在所述碟片状激光晶体与透镜之间，在该位置的腔内光斑尺寸较大，在功率一定的条件下可以降低高色散镜表面的激光功率密度，尽可能的避免由于腔内功率过高导致高色散镜损坏；同时由于高色散镜还用作输出镜，可实现激光的双路输出，在激光加工领域，可以提高加工效率降低人力成本。
(5)作为优选，碟片状激光晶体及所述半导体可饱和吸收镜背向谐振腔的一侧固定在水冷热沉上，采用冲击水冷方式进行冷却可以提高散热效率，在高的散热效率下，碟片状激光晶体的径向热梯度可以忽略不计，能够输出高光束质量的激光；冷却水通过热沉将SESAM表面的热量带走，这种方法提高了SESAM的抗损伤阈值，进一步提高输出功率。
总而言之，本发明提出的激光器适用于激光高速加工、飞秒光学频率梳及超快时间分辨光谱学等领域，既解决了在高重复频率条件下腔内模式变小导致输出功率低的问题，又可以充分提高腔内空间利用率，最大化提高碟片激光器的重复频率。
附图说明
图1为本发明提供的SESAM锁模的高重复频率碟片激光器的结构示意图。
图2为本实施例中，重复频率为0.5GHz时的腔内模式分布图。
图3为本实施例中，重复频率为1GHz时的腔内模式分布图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-泵浦源，2-碟片状激光晶体，3-半导体可饱和吸收镜，4-谐振腔，5-透镜，6-第一高色散镜，7-第二高色散镜，8-泵浦模块，9、10为抛物面镜。
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未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示，本发明提供的SESAM锁模的高重复频率碟片激光器，主要包括：泵浦源1、泵浦模块8、碟片状激光晶体2、色散补偿单元、透镜5及半导体可饱和吸收镜3；其中，碟片状激光晶体2、色散补偿单元、透镜5及半导体可饱和吸收镜3构成谐振腔4，用于提供往返振荡的激光；半导体可饱和吸收镜3设置在透镜的近焦点处，近焦点对应谐振腔的稳区边缘位置。
泵浦源1，用于输出泵浦激光；泵浦模块8用于提高碟片状激光晶体2对泵浦激光的吸收效率；碟片状激光晶体2，用作增益介质以产生激光，同时碟片状激光晶体2还作为谐振腔的第一端镜，反射振荡激光；透镜5用于调节腔内的模式分布；半导体可饱和吸收镜3用于启动并维持SESAM锁模运转，同时还作为谐振腔的第二端镜，反射振荡激光；激光在谐振腔内往返振荡，色散补偿单元用于补偿腔内的色散量，使腔内的总色散量为负值，同时用于输出高重频高功率的稳定锁模激光脉冲。
具体的，泵浦源包括但不限定输出波长为300nm～5μm区间的半导体激光器、光纤激光器和固体激光器等。
具体的，泵浦模块8包括抛物面镜和一系列折返棱镜，抛物面镜和一系列折返棱镜按照设定规律置于泵浦源与碟片状激光晶体之间的光路中，泵浦光经过泵浦模块在碟片状激光晶体上多次往返，从而被碟片状激光晶体充分吸收。碟片激光晶体2被放置在抛物面镜的焦点处，输入的泵浦光经过抛物面镜和折返棱镜的多次反射聚焦到碟片晶体上，本实例采用48通泵浦结构，即泵浦激光48次穿过碟片晶体，大大提高了碟片晶体对泵浦光的吸收效率。
具体的，碟片状激光晶体同时用作增益介质和端面反射镜，减小腔长，提高腔内空间利用率。本发明所提出的碟片状激光晶体，既需要泵浦光激发以产生激光，又要作为谐振腔的第一端镜以反射振荡激光，故在碟片状激光晶体两侧镀有不同的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有泵浦光和振荡激光的增透膜，背向谐振腔的一侧镀有泵浦光和振荡激光的高反膜。其中，镀高反膜的表面固定在水冷热沉上。
作为优选，碟片状激光晶体呈圆盘状或椭圆盘状，厚度为10μm～1mm，直径为3mm～30mm。本实施例中，碟片状激光晶体厚度为220μm，形状为直径10mm的圆盘形或椭圆盘形，这种大而薄的碟片状，可以通过调整泵浦光路使泵浦光斑在晶体表面上尽可能的大，同样的泵浦功率下，晶体承受的泵浦功率密度大大减小，因此可以支持更高的功率泵浦，进而可以产生更高的输出功率。同时，碟片状激光晶体具有较大的径厚比，散热效率可以得到有效提升，那么晶体径向的热梯度几乎可以忽略不计，这使得碟片激光器输出的激光具有较好的光束质量。另外，碟片晶体厚度较薄，非线性效应很弱，也可以支持高峰值功率激光输出。因此，本发明采用的碟片状激光晶体作增益介质可以产生高功率、高光束质量、高峰值功率的激光输出。碟片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等适合加工成碟片状的激光晶体。
具体的，透镜两侧镀有增透膜，焦距在4mm～100mm之间，根据不同重复频率对应不同腔长的要求，选取透镜的焦距。优选地，当设定重复频率为0.5GHz时，透镜的焦距为75mm；当设定重复频率为1GHz时，透镜的焦距为30mm。
可水冷式SESAM，即半导体可饱和吸收镜通过其可饱和吸收效应产生锁模脉冲序列，并且用作谐振腔的第二端镜用于反射激光，设置在透镜5的近焦点处，近焦点为谐振腔的第一稳区的第一边缘位置，针对不同的重复频率，通过腔内模式分析，采用不同焦距的透镜增大碟片状激光晶体表面的激光光斑尺寸，以提高谐振腔的输出功率。同时，SESAM设置在透镜5的近焦点处，还可以减小聚焦在SESAM上的光斑尺寸，以提高SESAM表面的激光功率密度引起可饱和吸收效应以实现锁模。
可水冷式SESAM从面向谐振腔的一侧依次镀有对振荡激光的可饱和吸收膜和对振荡激光高反的多层介质膜，SESAM的吸收为0.1％～2％，优选地，吸收为0.7％～1.5％；反射率>99％，对振荡激光高反的多层介质膜生长在基底上。SESAM的调制深度>0.4％，优选地，调制深度为0.6％～1.2％；SESAM的非饱和损耗<1％，优选地，非饱和损耗为0.4％～0.5％；SESAM的饱和通量为20μJ/cm2～150μJ/cm2，优选地，饱和通量为100μJ/cm2。SESAM背向谐振腔的一侧固定在水冷热沉上
具体的，色散补偿单元用于补偿碟片状激光晶体、透镜、SESAM等腔内光学元件所引入的色散，使腔内的总色散量为负值。色散补偿单元设置在谐振腔内，具体位置不受限制。作为优选，色散补偿单元设置在碟片状激光晶体2与透镜5之间，因为这个位置在腔内的光斑尺寸较大，在功率一定的条件下可以降低高色散镜表面的激光功率密度，尽可能的避免由于腔内功率过高导致色散补偿单元损坏，同时可实现激光的双路输出。
具体的，色散补偿单元为第一高色散镜6和第二高色散镜7，碟片状激光晶体2输出的激光入射至第一高色散镜6上，经过第一高色散镜6反射到第二高色散镜7上，经过透镜5聚焦后，入射至SESAM。第一高色散镜6和第二高色散镜7，可以补偿腔内空气及元器件的色散量。其中，第一高色散镜6和第二高色散镜7均可以作为平面输出镜。本实施例中，以第一高色散镜6作为平面输出镜，第一高色散镜6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1～20％，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％。
具体的，本实施例中，选用光纤耦合输出的半导体激光器作为泵浦源，泵浦激光波长为940nm，经泵浦模块聚焦到碟片状激光晶体上，碟片晶体为直径10mm、厚度220μm的圆盘形Yb:YAG(掺杂浓度为7％)激光晶体。该碟片晶体两侧镀有不同的介质膜，面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光和泵浦激光的增透膜，背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光和泵浦激光的高反膜。碟片晶体背向谐振腔的一侧固定在热沉上，通过水冷将热量带走。碟片状激光晶体表面的泵浦光斑尺寸约为3mm。由Yb:YAG增益介质产生的1030nm激光入射到第一高色散镜上，其中部分激光被第一高色散镜反射到第二高色散镜上，另一部分激光透过第一高色散镜并输出形成第一路稳定的高功率高重复频率的飞秒激光脉冲。被第一高色散镜反射到第二高色散镜上的激光被第二高色散镜反射并到达透镜上，经过透镜聚焦到SESAM(或者说第二端镜)上，SESAM将激光原路返回，经过透镜之后，再次经过第二高色散镜反射至第一高色散镜上，其中部分激光被第一高色散镜反射到碟片状激光晶体上再次在谐振腔内往返振荡，另一部分激光透过第一高色散镜输出形成第二路稳定的高功率高重复频率的飞秒激光脉冲，两路激光的输出方向有夹角。
本发明提出的SESAM锁模飞秒碟片激光器目的在于实现重复频率大于0.5GHz的高重复频率且高功率的飞秒激光脉冲，由于不同的重复频率对应不同的腔长，具体光学元件参数的选取就略有不同，在这里，仅详细介绍重复频率为0.5GHz和1GHz的腔型结构。按照同样的方法，选取不同焦距的透镜并结合腔内模式与稳区分析可以实现更高重复频率的高功率飞秒激光脉冲。
根据图1可知，由于碟片激光晶体的多通泵浦结构，使得碟片激光晶体的前面需要安装抛物面镜来将泵浦光聚焦到碟片上，两个抛物面镜9和10的中间为激光的通光孔，而碟片激光晶体和通光孔之间存在一段距离约为70mm，这段距离处于碟片模块内部很难利用这段距离放置光学元件，因此在后续的腔型设计过程中，这是不能忽略的一个因素。
按照上述实例，谐振腔的两个端镜为碟片激光晶体和SESAM。如图2所示，当重复频率为0.5GHz时，谐振腔的总长不超过300mm，当透镜焦距为75mm，透镜与SESAM之间的距离为75.2mm时，碟片状激光晶体上的光斑尺寸为1.6mm，SESAM表面的激光光斑尺寸为60μm。如图3所示，当重复频率为1GHz时，谐振腔的总长不超过150mm，优选地，透镜焦距为30mm，透镜与SESAM之间的距离为30.2mm时，碟片状激光晶体上的光斑尺寸为0.86mm，SESAM表面的激光光斑尺寸为40μm。即通过透镜来调节谐振腔内的模式分布，在腔内实现碟片状激光晶体表面具有大尺寸的激光光斑且SESAM表面具有小尺寸的激光光斑，增大了腔内的模体积，进而提高了激光的输出功率。且SESAM设置在所述透镜的近焦点处，能够保证谐振腔处于稳区。另外，采用透镜，相比现有技术，能够缩短谐振腔的腔长，有利于实现高重频。透镜表面两侧镀有对振荡激光的增透膜(T>99.9％)。第一高色散镜为平面输出镜，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％～20％的平面输出镜，背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜(T>99.9％)，输出镜位于腔内折返镜的位置，可以同时输出两路激光。
采取上述方法的激光器，可以获得稳定的0.5GHz以上的高重复频率高功率飞秒激光脉冲。本发明所提出的高重复频率高功率飞秒碟片激光器结构简单、紧凑、易启动，适合重复组装与生产，可批量生产，且输出的激光脉冲具有高功率、高光束质量等优点，可广泛应用于科研、激光加工、飞秒光学频率梳等领域，具有很好的商业价值与应用前景。
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 (10)

1.一种SESAM锁模的高重复频率碟片激光器，包括泵浦源(1)和谐振腔(4)，其特征在于，所述谐振腔(4)包括：碟片状激光晶体(2)、色散补偿单元、透镜(5)及半导体可饱和吸收镜(3)；所述半导体可饱和吸收镜(3)设置在所述透镜(5)的近焦点处，所述近焦点对应所述谐振腔(4)的稳区边缘位置；
所述泵浦源(1)用于输出泵浦激光；所述碟片状激光晶体(2)用于接收所述泵浦激光，并作为增益介质以产生激光，同时还作为所述谐振腔(4)的第一端镜，反射振荡激光；所述透镜(5)用于将激光聚焦在所述半导体可饱和吸收镜(3)上；所述半导体可饱和吸收镜(3)用于启动并维持SESAM锁模运转，同时还作为所述谐振腔(4)的第二端镜，反射振荡激光；所述激光在所述谐振腔内往返振荡，所述色散补偿单元用于使腔内的总色散量为负值，还用于输出高重频的锁模激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述色散补偿单元设置在所述碟片状激光晶体(2)与透镜(5)之间。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述色散补偿单元为第一高色散镜(6)和第二高色散镜(7)，所述激光入射至第一高色散镜(6)，经所述第一高色散镜(6)反射至所述第二高色散镜(7)上。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述第一高色散镜(6)或第二高色散镜(7)面向谐振腔的一侧镀有部分透过膜，透过率范围为1～20％，背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜。
5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述碟片状激光晶体面向谐振腔的一侧镀有增透膜，背向谐振腔的一侧镀有高反膜；所述透镜两侧镀有增透膜。
6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于，还包括设置在所述泵浦源(1)与碟片状激光晶体(2)之间的光路中的泵浦模块(8)，用于增大聚焦到碟片状激光晶体(2)上的泵浦激光的吸收效率。
7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述泵浦模块(8)包括抛物面镜和一系列折返棱镜，碟片激光晶体(2)放置在所述抛物面镜的焦点处，所述泵浦光经过所述抛物面镜和折返棱镜的多次反射聚焦到所述碟片激光晶体(2)上。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述碟片状激光晶体及所述半导体可饱和吸收镜背向谐振腔的一侧固定在水冷热沉上。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述碟片状激光晶体呈圆盘状或椭圆盘状。
10.根据权利要求4-9任意一项所述的激光器，其特征在于，所述碟片状激光晶体的材料包括Yb:YAG、Ho:YAG、Tm:YAG、Ho:KYW、Yb:CALGO、Cr:ZnSe、Yb:LuScO3或Yb:Lu2O3。
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