CN115133389A - 一种基于非线性放大环形镜的固体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性放大环形镜的固体激光器，包括泵浦源、光隔离器、泵浦光耦合模块、非线性放大环形镜模块和线性臂模块；泵浦光耦合模块包括第一平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜和第二平凸透镜；非线性放大环形镜模块包括第一二色镜、激光晶体、第二二色镜、平凹透镜、第一法拉第旋转器、四分之一波片、第二法拉第旋转器、第三反射镜、高非线性波导和偏振分光棱镜；线性臂模块包括第一光栅、第二光栅和输出耦合镜；非线性放大环形镜模块中的第一法拉第旋转器、四分之一波片、第二法拉第旋转器和高非线性波导构成相位偏置单元。通过调节相位偏置单元，可优化锁模阈值并具备自启动功能，具有脉冲能量高、噪声低和稳定性好等优点。

Description

一种基于非线性放大环形镜的固体激光器
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种基于非线性放大环形镜的固体激光器。
背景技术
固体激光器是以固体材料如激光晶体、激光玻璃、激光陶瓷等作为工作物质的激光器，具有输出功率高、光束质量好、性能稳定、寿命长、输出波段广和工作方式多样等特点。由于上述这些优势，固体激光器在激光应用的市场中占有重要份额，其一直以来都是激光技术领域中的一个研究热点，被广泛应用于激光精细加工、激光通信、遥感测距、生物医学、大气探测和可控核聚变等众多领域。
利用调Q或者锁模技术，固体激光器可输出纳秒、皮秒乃至飞秒脉冲激光。相对近年来快速发展的光纤激光器而言，固体激光器在超短脉冲方面具有光学非线性小、容易实现高功率和窄脉宽输出等优点。因此固体激光器依然是获得高功率高光束质量脉冲激光的重要途径。目前根据锁模方式不同，锁模技术可以分为主动锁模和被动锁模。主动锁模技术中调制器响应时间相对较慢，对脉冲的压缩能力有限，因此其输出脉冲宽度受限，一般为皮秒量级。而被动锁模技术主要通过可饱和吸收体实现对腔内光脉冲进行损耗调制，当经过可饱和吸收体时，脉冲能量高的通过，能量低的被吸收，导致光脉冲边缘损耗远大于中间，因此实现光脉冲的窄化，可实现亚皮秒及飞秒锁模脉冲。固体激光器中常见的被动锁模技术包括半导体可饱和吸收镜(SESAM)和非线性偏振旋转(NPR)。其中SESAM由于具有较好的稳定性和调制特性，经常被用在锁模激光领域，但是SESAM对激光的响应带宽较小，通常只有几十纳米的光谱响应带宽，并且制作过程比较复杂。NPR锁模机制调制深度大、响应时间短，能产生优良低噪声飞秒脉冲，但NPR锁模激光器对环境扰动非常敏感，导致难以长期保持自启动功能。
发明内容
本发明提供了一种基于非线性放大环形镜的固体激光器，利用非线性放大环形镜锁模技术，通过调节相位偏置单元，可优化锁模阈值并具备自启动功能，在9字腔固体激光器中输出的脉冲激光具有脉冲能量高、噪声低和长期稳定性好等优点。
本发明实施例提供了一种基于非线性放大环形镜的固体激光器，包括泵浦源、泵浦光耦合模块、非线性放大环形镜模块和线性臂模块；
所述非线性放大环形镜模块包括第一二色镜、激光晶体、第二二色镜、平凹透镜、第一法拉第旋转器、四分之一波片、第二法拉第旋转器、第三全反射镜、高非线性波导和偏振分光棱镜；
所述线性臂模块包括第一光栅、第二光栅和输出耦合镜；
所述激光晶体的轴向位于泵浦光和激光光束的传输中心轴上；所述高非线性波导的轴向位于激光光束的传输中心轴上；
所述第一法拉第旋转器、所述四分之一波片、所述第二法拉第旋转器和所述高非线性波导依次设置构成相位偏置单元；所述第一光栅和所述第二光栅平行设置且与所述激光光束中心轴的夹角为锐角，形成色散补偿单元；
所述非线性放大环形镜模块和所述线性臂模块构成9字型谐振腔；
所述泵浦源发射的泵浦光注入所述泵浦光耦合模块，经所述泵浦光耦合模块准直聚焦后，部分所述泵浦光由所述第一二色镜注入所述激光晶体中激发产生激光光束，残余所述泵浦光透过所述第二二色镜后被所述平凹透镜反射回所述激光晶体；所述激光光束经过所述相位偏置单元后由所述偏振分光棱镜注入所述色散补偿单元，部分所述激光光束由所述输出耦合镜反射回所述偏振分光棱镜后被分束成传输方向不同的第一光束和第二光束，所述第一光束和所述第二光束在非线性放大环形镜模块中分别沿逆时针和顺时针方向传输，所述第一光束和所述第二光束经过所述激光晶体和所述相位偏置单元的顺序相反而产生相位差，再次传输至所述偏振分光棱镜时干涉发生非线性相移锁模，形成锁模激光，部分所述锁模激光依次经所述第一光栅、所述第二光栅和所述输出耦合镜后输出。
可选的，所述固体激光器还包括光隔离器，所述光隔离器位于所述泵浦光传输中心轴上。
可选的，所述泵浦光耦合模块包括依次位于所述泵浦光传输中心轴上的第一平凸透镜、第一全反射镜、第二全反射镜和第二平凸透镜；
所述激光晶体位于所述第二平凸透镜和所述平凹透镜的焦点处。
可选的，所述泵浦源包括半导体激光器和光纤激光器，所述泵浦源的工作波长与所述激光晶体的泵浦波长相同。
可选的，所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜的表面镀有泵浦光高透膜，所述平凹透镜面向所述激光晶体的凹面镀有泵浦光高反膜。
可选的，所述第一二色镜和所述第二二色镜面向所述激光晶体的表面同时镀有泵浦光高透膜和激光光束高反膜，所述第一二色镜和所述第二二色镜面向背向所述激光晶体的表面镀有泵浦光高透膜。
可选的，所述激光晶体包括掺杂稀土离子或者过渡金属离子的光学晶体。
可选的，所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器或者磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。
可选的，所述高非线性波导包括条形波导、脊型波导、光子晶体光纤或者高非线性光纤在内的非线性波导。
可选的，所述偏振分光棱镜包括具有对称或者非对称光束分割比的偏振分光棱镜。
可选的，所述第一光栅和所述第二光栅包括啁啾体布拉格光栅、啁啾光纤布拉格光栅或者透射式介质膜光栅。
可选的，所述输出耦合镜面向9字型谐振腔的表面镀有反射膜，所述反射膜相对所述激光光束的反射率为β，70％＜β＜100％；所述输出耦合镜背向9字型谐振腔的表面镀有增透膜。
本发明示例提供的基于非线性放大环形镜的固体激光器，包括泵浦源、光隔离器、泵浦光耦合模块、非线性放大环形镜模块和线性臂模块；泵浦光耦合模块包括第一平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜和第二平凸透镜；非线性放大环形镜模块包括第一二色镜、激光晶体、第二二色镜、平凹透镜、第一法拉第旋转器、四分之一波片、第二法拉第旋转器、第三反射镜、高非线性波导和偏振分光棱镜；线性臂模块包括第一光栅、第二光栅和输出耦合镜；非线性放大环形镜模块中的第一法拉第旋转器、四分之一波片、第二法拉第旋转器和高非线性波导构成相位偏置单元；线性臂模块中的第一光栅和第二光栅构成色散补偿单元。通过调节相位偏置单元，可优化锁模阈值并具备自启动功能，具有脉冲能量高、噪声低和稳定性好等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于非线性放大环形镜模块的固体激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于非线性放大环形镜模块的固体激光器的结构示意图。
附图中：1-泵浦源；2-光隔离器；3-泵浦光耦合模块；30-第一平凸透镜；31-第一全反射镜；32-第二全反射镜；33-第二平凸透镜；4-非线性放大环形镜模块；40-第一二色镜；41-激光晶体；42-第二二色镜；43-平凹透镜；44-第一法拉第旋转器；45-四分之一波片；46-第二法拉第旋转器；47-第三全反射镜；48-高非线性波导；49-偏振分光棱镜；5-线性臂模块；50-第一光栅；51-第二光栅；52-输出耦合镜；01-相位偏置单元；02-色散补偿单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种基于非线性放大环形镜模块的固体激光器的结构示意图。结合图1所示，本发明实施例提供了一种基于非线性放大环形镜模块的固体激光器，固体激光器包括泵浦源1、泵浦光耦合模块3、非线性放大环形镜模块4和线性臂模块5。非线性放大环形镜模块4包括第一二色镜40、激光晶体41、第二二色镜42、平凹透镜43、第一法拉第旋转器44、四分之一波片45、第二法拉第旋转器46、第三全反射镜47、高非线性波导48和偏振分光棱镜49；线性臂模块5包括第一光栅50、第二光栅51和输出耦合镜52；激光晶体41的轴向位于泵浦光和激光光束的传输中心轴上；高非线性波导48的轴向位于激光光束的传输中心轴上；第一法拉第旋转器44、四分之一波片45、第二法拉第旋转器46和高非线性波导48依次设置构成相位偏置单元01；第一光栅50和第二光栅51平行设置且与激光光束中心轴的夹角为锐角，形成色散补偿单元02；非线性放大环形镜模块4和线性臂模块5构成9字形谐振腔。
泵浦源1发射的泵浦光S0注入泵浦光耦合模块3，经浦光耦合模块3准直聚焦后，部分泵浦光S0由第一二色镜40注入激光晶体41中激发产生激光光束S1，残余泵浦光S0透过第二二色镜42后被平凹透镜43反射回激光晶体41；激光光束S1依次经过相位偏置单元01中的第一法拉第旋转器44、四分之一波片45、第二法拉第旋转器46和高非线性波导48后由偏振分光棱镜49注入色散补偿单元02，其中，第三全反射镜47位于第二法拉第旋转器46和高非线性波导48之间的激光光束S1的传播中心轴上，用于调整激光光束S1的传播方向，通过调节相位偏置单元01可优化锁模阈值，使得固体激光器具备自启动功能；部分激光光束S1由输出耦合镜52反射回偏振分光棱镜49后被分束成传输方向不同的第一光束S11和第二光束S12，第一光束S11和第二光束S12在非线性放大环形镜模块4中分别沿逆时针(如图中P1箭头方向所示)和顺时针方向(如图中P2箭头方向所示)传输，第一光束S11和第二光束S11经过激光晶体41和相位偏置单元01的顺序相反而产生相位差，再次传输至偏振分光棱镜49时干涉发生非线性相移锁模，形成锁模激光S2，部分锁模激光S2依次经第一光栅、第二光栅和输出耦合镜52后输出。
本发明实施例基于非线性放大环形镜模块锁模技术，采用9字腔结构，利用激光晶体作为增益介质，通过调节相位偏置单元，可优化锁模阈值，使得激光器具备自启动功能，输出激光具有噪声低、光谱宽、长期稳定性好的优势，容易实现高功率和窄脉宽输出。
图2为本发明实施例提供的另一种基于非线性放大环形镜模块的固体激光器的结构示意图。可选的，如图2所示，固体激光器还包括光隔离器2。泵浦源1发射的泵浦光S0经光隔离器2进入泵浦光耦合模块3，避免泵浦光S0回返，起到保护泵浦源1的作用。
可选的，继续参照图2所示，泵浦光耦合模块3包括位于泵浦光S0传输中心轴上的第一全反射镜31、第二全反射镜32和第二平凸透镜33；激光晶体41还位于第二平凸透镜33和平凹透镜43的焦点处。第一平凸透镜30和第二平凸透镜33组合用于准直聚焦泵浦光S0，以便泵浦光S0由第一二色镜40注入激光晶体41中激发产生激光光束S1；设置激光晶体41的轴向位于泵浦光和激光光束的传输中心轴上以及激光晶体41位于第二平凸透镜33和平凹透镜43的焦点处，可以提高激光晶体41的激发效率，提高激光光束S1的出光功率；第一全反射镜31和第二全反射镜32用于改变光线路径，压缩固体激光器体积。
可选的，继续参照图1和图2所示，泵浦源1包括半导体激光器或光纤激光器，泵浦源1的工作波长与激光晶体41的泵浦波长相同。泵浦源1用于发射泵浦光，采用泵浦源的工作波长与激光晶体的泵浦波长相同，给激光晶体提供激励能源。
可选的，继续参照图1和图2所示第一平凸透镜30和第二平凸透镜33的表面镀有泵浦光高透膜，用于提高泵浦光的透过率；平凹透镜面43向激光晶体41的凹面镀有泵浦光高反膜，用于提高泵浦光的反射率。
可选的，继续参照图1和图2所示第一二色镜40和第二二色镜42面向激光晶体41的表面同时镀有泵浦光高透膜和激光光束高反膜，用于保证残余泵浦光透过和激光光束被反射到相位偏置单元01的第一法拉第旋转器44；第一二色镜40和第二二色镜42面向背向激光晶体41的表面镀有泵浦光高透膜，用于提高泵浦光的透过率。
可选的，继续参照图1和图2所示激光晶体41包括掺杂稀土离子或者过渡金属离子的光学晶体。如Yb：YAG、Er：YLF、Ho：YAG、Cr：LiCAF等，利用激光晶体作为增益介质，其光学非线性小，容易实现固体激光器激光的高功率和窄脉宽输出。
可选的，继续参照图1和图2所示，第一法拉第旋转器44和第二法拉第旋转器46包括薄片式法拉第旋转器和磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。采用第一法拉第旋转器44、四分之一波片45和第二法拉第旋转器46法拉第旋转器可以将9字形谐振腔内正向传输的信号光通过该系统，而将反向传输的光束阻断，可以避免系统内的有害反射光导致光学器件损伤、系统不稳定等。其中，信号光指的是泵浦光、激光光束和锁模激光。
可选的，继续参照图1所示，高非线性波导48包括条形波导、脊型波导、光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)或者高非线性光纤在内的非线性波导，可以对信号光增益放大、脉冲压缩和模式选择等。
可选的，继续参照图1和图2所示，偏振分光棱镜49包括具有对称或者非对称光束分割比的偏振分光棱镜。偏振分光棱镜49具有一定的分光比，用于将激光光束的水平偏振分量和垂直偏振分量分开。
可选的，继续参照图1和图2所示，第一光栅50和第二光栅51包括啁啾体布拉格光栅、啁啾光纤布拉格光栅或者透射式介质膜光栅。通过设置第一光栅50和第二光栅51的光栅周期等参数，使得满足工作波长的锁模激光从输出耦合镜(52)输出。
可选的，继续参照图1和图2所示，输出耦合镜52面向9字型谐振腔的表面镀有反射膜，反射膜对激光光束的反射率为β，70％＜β＜100％，使得激光光束继续反回非线性放大环形镜模块4中被激光晶体41激发增益放大；输出耦合镜52背向9字型谐振腔的表面镀有增透膜，用于透射输出锁模激光。
下面列举一个具体的实施例。
在本实施例中，继续参照图2所示，泵浦源1选用工作波长为974nm的半导体激光器；激光晶体41选用棒状Yb：YAG晶体；第一平凸透镜30和第二平凸透镜33表面镀有970nm～980nm高透膜；平凹透镜43面向激光晶体41的凹面镀有970nm～980nm高反膜；第一二色镜40和第二二色镜42面向激光晶体41的表面同时镀有970nm～980nm高透膜和1020nm～1100nm高反膜，另一表面镀有970nm～980nm高透膜；第一法拉第旋转器44和第二法拉第旋转器46选用薄片式法拉第旋转器；高非线性波导48选用棒状蓝宝石波导；偏振分光棱镜49的分光比为60:40；第一光栅50和第二光栅51选用透射式介质膜光栅；输出耦合镜52面向谐振腔的表面镀有对1020nm～1100nm反射率为99％的反射膜，另一表面镀有对1020nm～1100nm的增透膜。
泵浦源1发射的974nm泵浦光S0经光隔离器2后进入泵浦光耦合模块3，准直聚焦后由第一二色镜40注入非线性放大环形镜模块4中的Yb：YAG晶体激发产生1030nm波段激光光束S1，残余泵浦光S0透过第二二色镜42后被平凹透镜43反射回Yb：YAG晶体，激光光束S1经过相位偏置单元01后由偏振分光棱镜49注入线性臂模块5的色散补偿单元02，再由输出耦合镜52部分反射回偏振分光棱镜49，分为两束光注入非线性放大环形镜模块4，两束光分别沿逆时针和顺时针方向传输，两束光经过Yb：YAG晶体和相位偏置单元01的顺序相反而产生相位差，在传输至偏振分光棱镜49处干涉发生非线性相移锁模，1％的锁模激光S2由输出耦合镜52输出。本实施例中，通过调节相位偏置单元01，可优化锁模阈值并具备自启动功能，在9字腔固体激光器中输出的脉冲激光具有脉冲能量高、噪声低和长期稳定性好等优点。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种基于非线性放大环形镜的固体激光器，其特征在于，包括泵浦源、泵浦光耦合模块、非线性放大环形镜模块和线性臂模块；
所述非线性放大环形镜模块包括第一二色镜、激光晶体、第二二色镜、平凹透镜、第一法拉第旋转器、四分之一波片、第二法拉第旋转器、第三全反射镜、高非线性波导和偏振分光棱镜；
所述线性臂模块包括第一光栅、第二光栅和输出耦合镜；
所述激光晶体的轴向位于泵浦光和激光光束的传输中心轴上；所述高非线性波导的轴向位于激光光束的传输中心轴上；
所述第一法拉第旋转器、所述四分之一波片、所述第二法拉第旋转器和所述高非线性波导依次设置构成相位偏置单元；所述第一光栅和所述第二光栅平行设置且与所述激光光束中心轴的夹角为锐角，形成色散补偿单元；
所述非线性放大环形镜模块和所述线性臂模块构成9字型谐振腔；
所述泵浦源发射的泵浦光注入所述泵浦光耦合模块，经所述泵浦光耦合模块准直聚焦后，部分所述泵浦光由所述第一二色镜注入所述非线性放大环形镜模块中的所述激光晶体中激发产生激光光束，残余所述泵浦光透过所述第二二色镜后被所述平凹透镜反射回所述激光晶体；所述激光光束经过所述相位偏置单元后由所述偏振分光棱镜注入所述色散补偿单元，部分所述激光光束由所述输出耦合镜反射回所述偏振分光棱镜后被分束成传输方向不同的第一光束和第二光束，所述第一光束和所述第二光束在非线性放大环形镜模块中分别沿逆时针和顺时针方向传输，所述第一光束和所述第二光束经过所述激光晶体和所述相位偏置单元的顺序相反而产生相位差，再次传输至所述偏振分光棱镜时干涉发生非线性相移锁模，形成锁模激光，部分所述锁模激光依次经所述第一光栅、所述第二光栅和所述输出耦合镜后输出。
2.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述固体激光器还包括光隔离器，所述光隔离器位于所述泵浦光传输中心轴上。
3.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述泵浦光耦合模块包括依次位于所述泵浦光传输中心轴上的第一平凸透镜、第一全反射镜、第二全反射镜和第二平凸透镜；
所述激光晶体位于所述第二平凸透镜和所述平凹透镜的焦点处。
4.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述泵浦源包括半导体激光器或光纤激光器，所述泵浦源的工作波长与所述激光晶体的泵浦波长相同。
5.根据权利要求3所述的固体激光器，其特征在于，所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜的表面镀有泵浦光高透膜，所述平凹透镜面向所述激光晶体的凹面镀有泵浦光高反膜。
6.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述第一二色镜和所述第二二色镜面向所述激光晶体的表面同时镀有泵浦光高透膜和激光光束高反膜，所述第一二色镜和所述第二二色镜面向背向所述激光晶体的表面镀有泵浦光高透膜。
7.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述激光晶体包括掺杂稀土离子或者过渡金属离子的光学晶体。
8.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器包括薄片式法拉第旋转器或者磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。
9.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述高非线性波导包括条形波导、脊型波导、光子晶体光纤或者高非线性光纤在内的非线性波导。
10.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述偏振分光棱镜包括具有对称或者非对称光束分割比的偏振分光棱镜。
11.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述第一光栅和所述第二光栅包括啁啾体布拉格光栅、啁啾光纤布拉格光栅或者透射式介质膜光栅。
12.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述输出耦合镜面向9字型谐振腔的表面镀有反射膜，所述反射膜相对所述激光光束的反射率为β，70％＜β＜100％；所述输出耦合镜背向9字型谐振腔的表面镀有增透膜。
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