CN115621825A - 基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器 - Google Patents

基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器 Download PDF

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陈汉波
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Abstract

本发明公开了一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，利用脉冲光纤激光器作为泵浦源来泵浦中红外晶体，通过一种基于增益调制效应的同步泵浦锁模技术，无需在谐振腔内引入主动调制器件或被动可饱和吸收体，直接实现中红外超短脉冲固体激光器，避免了以往采用传统主动和被动锁模技术的各种局限。利用同步泵浦锁模技术产生的锁模脉冲，脉冲特性受到泵浦源的影响，可以实现脉宽在一定程度上的自主调节。

Description

基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器。
背景技术
中红外超短脉冲激光凭借其强旋振动分子吸收特性，在激光微创手术、聚合物加工、超快成像、遥感、大气监测以及红外军事对抗等诸多领域展现出强大的应用潜力。目前产生中红外超短脉冲的激光器类型主要有光参量振荡器、量子阱激光器和光纤激光器等。光参量振荡器具有波长调谐范围宽、峰值功率高、全固态化的优点，但是其体积庞大，价格昂贵；量子阱激光器的波长选择性宽，体积小，不足之处是激光的光束质量差，且功率低；光纤激光器凭借其光束质量好、性能稳定、体积小等诸多优势，一经问世便广受关注，目前已在近红外如光通信、光传感等领域中得到广泛的应用。而在中红外领域，光纤激光器也被视为未来中红外激光发展的重中之重，但是目前受有源光纤基质和掺杂离子种类的限制，中红外超快光纤激光器波长难以突破4μm等问题。近年来，以过渡金属(TM)掺杂Ⅱ～Ⅵ族硫、硒化物晶体作为增益介质的固体激光器已被证明可实现中红外激光输出。其中掺Cr2+和掺Fe2+的ZnSe/ZnS固体激光器分别在2～3μm和4～5μm的宽带范围内具有很高的增益系数，是目前实现高功率、高能量、中红外波段可调谐激光的有效技术途径。
当前中红外脉冲固体激光器的实现技术主要有调Q、增益开关、主动锁模和被动锁模技术。调Q技术是对激光谐振腔的损耗进行周期性调制，产生纳秒级别的巨脉冲。增益开关技术是用脉冲泵浦源泵浦固体激光器，利用增益调制机制产生纳秒～微秒量级的脉冲。虽然两种技术均能实现脉冲输出，但是脉冲的脉宽和峰值功率较低。主动锁模技术是在谐振腔内放置调制器，对激光强度或者相位进行周期性调制，产生固定重复频率的脉冲。被动锁模技术则是在谐振腔内放置可饱和吸收体材料来调制损耗，实现脉冲输出。这两种锁模技术虽然原理简单，能产生短至飞秒量级的超短脉冲，但由于腔内引入了调制器或锁模材料，系统变得复杂，产生脉冲的特性取决于激光器本身，而且受器件和材料的损伤阈值影响，功率难以达到理论上限。另外由于中红外波段相关器件的缺乏以及在3.2μm以上中红外波段的可饱和吸收体材料尚不成熟，利用传统的锁模技术难以实现高性能的中红外超短脉冲固体激光器。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，旨在解决现有技术中的激光器功率难以达到理论上限，以及利用传统的锁模技术难以实现高性能的中红外超短脉冲固体激光器的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，包括：重频可调的泵浦源、缩束系统、谐振腔、中红外晶体和可变光阑，所述谐振腔为线型谐振腔或环型谐振腔；所述线型谐振腔包括：第一镀膜反射镜和第二镀膜反射镜，所述泵浦源、所述缩束系统、所述第一镀膜反射镜、所述可变光阑、所述中红外晶体、所述第二镀膜反射镜依次呈线型设置；所述环型谐振腔包括：呈环型设置的泵浦光/激光二色镜、直角棱镜、第一镀膜介质镜、激光输出耦合镜、第二镀膜介质镜，所述可变光阑和所述中红外晶体依次设置在所述泵浦光/激光二色镜和所述直角棱镜之间，所述环型谐振腔内还设置有光隔离器，设置于所述激光输出耦合镜和所述第二镀膜介质镜之间。
进一步地，所述缩束系统包括：依次设置在所述泵浦源和所述谐振腔之间的凸透镜和凹透镜。
进一步地，所述中红外晶体为光谱吸收峰在泵浦激光波长处的大尺寸掺Cr2+和掺Fe2+的ZnSe/ZnS晶体。
进一步地，所述泵浦源为基于增益开关皮秒光纤激光种子源的主振荡光纤功率放大系统，或者为基于被动锁模种子源的中红外光纤放大系统。
进一步地，在所述线型谐振腔中，第一镀膜反射镜和第二镀膜反射镜为镀膜平面透镜，或镀膜平凹透镜。
进一步地，所述线型谐振腔的后端镀膜介质镜搭载有位移平台；所述环型谐振腔的直角棱镜搭载有轴向位移平台。
进一步地，所述泵浦源根据所使用的Cr2+或掺Fe2+的ZnSe/ZnS晶体，分别用于产生2μm或2.8μm的泵浦光。
进一步地，所述凸透镜和凹透镜分别为氟化钙凸透镜和氟化钙凹透镜。
本发明提供一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，有益效果在于：利用新的锁模脉冲产生机制，无需在谐振腔内引入主动调制器件或被动可饱和吸收体，利用重频可调的泵浦源，基于同步增益调制效应的同步泵浦锁模技术，直接实现中红外超短脉冲固体激光器，避免了以往采用传统主动和被动锁模技术的各种局限。而且可以通过控制泵浦脉冲，实现对同步泵浦锁模脉冲的脉宽调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明实施例具有线型谐振腔的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例具有环型谐振腔的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器的中红外晶体的能级结构图
在附图中，各附图标记表示：
图1：
1、泵浦源；2、凸透镜；3、凹透镜；4、前端镀膜二色镜；5、可变光阑；6、中红外晶体；7、后端镀膜二色镜；
图2：
1、泵浦源；2、凸透镜；3、凹透镜；4、泵浦光/激光二色镜；5、可变光阑；6、中红外晶体；7、直角棱镜；8、第一镀膜介质镜；9、激光输出耦合镜；10、隔离器；11、第二镀膜介质镜。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
同步泵浦锁模是一种特殊的主动锁模技术，早期应用在染料激光器、色心激光器，以及光参量振荡器(OPO)、拉曼激光器中，无需使用腔内调制器件，采用重复频率和谐振腔基频相等或是其整数倍的脉冲激光进行泵浦，利用同步增益调制效应直接实现信号光的稳定锁模，产生重复频率与泵浦光重复频率相等、脉冲宽度与泵浦光相近的锁模脉冲。实现高质量同步泵浦锁模的关键在于上能级要有尽可能短的寿命，尽量小于腔内周期，这有利于粒子进行快速弛豫，提高激光调制系数，从而提高锁模质量。
以掺Fe2+：ZnSe晶体为例，掺Fe2+：ZnSe激光器的上能级寿命在温度小于150K时约为57μs，并且上能级寿命随温度的升高而急剧下降，在室温300K时，上能级寿命仅为370ns，意味着在同步泵浦锁模中具有很高的调制系数。除此之外，Fe2+：ZnSe晶体还具有较大的吸收截面和发射截面，而且在4～5μm范围内具有非常宽的发射谱，被认为是“中红外的钛宝石晶体”，因此基于Fe2+：ZnSe等晶体的固体激光器非常适合采用同步泵浦锁模技术来产生中红外超短脉冲。并且同步泵浦锁模技术可以应用且不限于基于掺Cr2+和掺Fe2+的ZnSe/ZnS等晶体的中红外超短脉冲固体激光器。
因此，本发明实施例提出了一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，请参阅图1，基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器包括：重频可调的泵浦源1、缩束系统、谐振腔、中红外晶体6和可变光阑5，谐振腔为线型谐振腔或环型谐振腔，在本实施例中，谐振腔为线型谐振腔。
线型谐振腔包括：前端镀膜二色镜4和后端镀膜二色镜7，泵浦源1、缩束系统、前端镀膜二色镜4、可变光阑5、中红外晶体6、后端镀膜二色镜7依次呈线型设置。
在本实施例中，泵浦源1为脉冲激光器，缩束系统由一个凸透镜2和一个凹透镜3组成，由前端镀膜二色镜4和后端镀膜二色镜7组成谐振腔，中红外晶体6作为增益介质，可变光阑5用于控制泵浦光斑大小。
泵浦源1作为同步泵浦源的脉冲激光器可以是基于增益开关皮秒光纤激光种子源的主振荡光纤功率放大(MOPA)系统，或基于被动锁模种子源的中红外光纤放大系统。
前端镀膜二色镜4和后端镀膜二色镜7是构成谐振腔的两面反射镜，可以是镀膜平面透镜，也可以是镀膜平凹透镜。两反射镜的参数不同，泵浦光输入端的反射镜是对泵浦光高透过、对信号光高反射的二色镜；锁模脉冲输出端的反射镜是对信号光部分反射的介质镜，且被固定于可轴向平移的机械位移平台，以达到精确控制谐振腔长，使信号光重复频率与泵浦光重复频率匹配的目的。
作为增益介质的中红外晶体6是光谱吸收峰在泵浦激光波长处的大尺寸掺Cr2+和掺Fe2+的ZnSe/ZnS晶体。晶体前放置可变光阑5，用于调整照射在晶体表面的泵浦光斑大小。
在本实施例中，基于2.8μm泵浦的4μm同步泵浦锁模线型腔Fe2+：ZnSe固体激光器，谐振腔采用线型腔结构。泵浦源1是由2.8μm锁模种子和一级主振荡光纤功率放大(MOPA)系统所构成的瓦级中红外飞秒脉冲光纤激光器。其中锁模种子基于976nm半导体激光器泵浦Er：ZBLAN氟化物光纤，利用非线性偏振旋转锁模(NPR)技术实现。
泵浦源1输出的准直脉冲激光，通过由凸透镜2和凹透镜3组成的具有伽利略望远镜结构的缩束系统后，激光光斑缩小，能量密度提高，经前端对2.8μm激光高透射的镀膜二色镜照射到中红外晶体6上。中红外晶体6与前端镀膜二色镜4之间放置的可变光阑5可以调整泵浦光斑至合适大小，在保证增益效果的前提下尽可能抑制谐振腔的横向自激效应，提高室温下Fe2+：ZnSe激光器的功率和效率。
如图3所示，2.8μm泵浦光对Fe2+：ZnSe晶体进行泵浦，将中红外晶体6中的Fe2+离子从基态能级|0>激发到亚稳态能级|3>，随后Fe2+离子从亚稳态能级迅速无辐射弛豫到激光上能级|2>，经受激辐射跃迁到激光下能级|1>，同时产生4μm信号光。信号光在前后端反射镜组成的谐振腔中反复振荡增强。调节谐振腔长度，使泵浦光重复频率与谐振腔基频一致或是其整数倍，即实现重频匹配，泵浦光将对4μm激光进行同步增益调制。在同步增益调制的作用下，可实现对4μm激光的稳定锁模。
请参阅图2，在另一个实施例中，谐振腔为环型谐振腔，环型谐振腔包括：呈环型设置的泵浦光/激光二色镜4、直角棱镜7、第一镀膜介质镜8、激光输出耦合镜9、第二镀膜介质镜11，可变光阑5和中红外晶体6依次设置在泵浦光/激光二色镜4和直角棱镜7之间，环型谐振腔内还设置有光隔离器10，设置于激光输出耦合镜9和第二镀膜介质镜11之间。
在本实施例中，泵浦源1为脉冲激光器，缩束系统由一个凸透镜2和一个凹透镜3组成，由四面镀膜反射镜和一个直角棱镜7组成谐振腔，四个镀膜反射镜即为泵浦光/激光二色镜4、第一镀膜介质镜8、激光输出耦合镜9和第二镀膜介质镜11，中红外晶体6作为增益介质，可变光阑5用于控制泵浦光斑大小，光隔离器10用于保证腔内激光单向运转。
泵浦源1作为同步泵浦源的脉冲激光器可以是基于增益开关皮秒光纤激光种子源的主振荡光纤功率放大(MOPA)系统，或基于被动锁模种子源的中红外光纤放大系统。
泵浦光/激光二色镜4、第一镀膜介质镜8、激光输出耦合镜9、第二镀膜介质镜11，是四面镀膜反射镜，具有不同参数：泵浦光/激光二色镜4为对泵浦光高透射、对信号光高反射的镀膜二色镜，用于将泵浦光耦合到晶体并充当信号光的反射镜；激光输出耦合镜9作为激光输出耦合镜9，是对信号光部分反射的镀膜介质镜；第一镀膜介质镜8和第二镀膜介质镜11可以是对信号光高反射的镀膜介质镜，也可以是镀金反射镜。直角棱镜7用于折返光路，也可以用两面相互垂直放置的镀金反射镜组代替。直角棱镜7固定在可轴向平移的机械位移平台上，用于精准调节谐振腔长度，使信号光重复频率与泵浦光重复频率匹配。
作为增益介质的中红外晶体6是光谱吸收峰在泵浦激光波长处的大尺寸掺Cr2+和掺Fe2+的ZnSe/ZnS晶体。晶体前的器件5为可变光阑5，用于调整泵浦光照射在晶体表面的泵浦光斑大小。
光隔离器10是中红外光隔离器10，能够保证激光在谐振腔内单向运转，其应用波长需覆盖晶体所发射信号光的波长。
在本实施例中，基于2.8μm泵浦的4μm同步泵浦锁模环型腔Fe2+：ZnSe固体激光器，谐振腔采用环型腔结构。泵浦源1是由基于非线性偏振旋转锁模(NPR)技术实现的2.8μm锁模飞秒种子，和一级主振荡光纤功率放大(MOPA)系统所构成的瓦级中红外飞秒脉冲光纤激光器。
利用伽利略望远镜结构的缩束系统对泵浦光进行缩束处理，使其光斑缩小，能量密度提高。为了控制谐振腔的横向自激效应，中红外晶体6与泵浦光/激光二色镜4之间放置可变光阑5以调整泵浦光斑至合适大小，提高室温下Fe2+：ZnSe激光器的功率和效率。
如图3所示，泵浦光经过对2.8μm激光高透射的镀膜二色镜镜照射到Fe2+：ZnSe晶体上，激发晶体中位于基态能级|0>的Fe2+向亚稳态能级|3>跃迁。随后Fe2+迅速无辐射弛豫到激光上能级|2>，经受激辐射跃迁到激光下能级|1>，同时向外辐射4μm信号光。信号光在四面反射镜和一个隔离器10组成的单向环型谐振腔内反复振荡增强。通过改变直角棱镜7的轴向位置，调节谐振腔的腔长，使得泵浦光重复频率与谐振腔基频相同或是其整数倍，即实现泵浦光和信号光重复频率匹配。2.8μm泵浦光将对信号光进行同步增益调制，最终产生重复频率和泵浦光脉冲相同、脉宽与其相近的4μm锁模脉冲。
因此，本申请利用新的锁模脉冲产生机制，无需在谐振腔内引入主动调制器件或被动可饱和吸收体，利用脉冲光纤激光器作为泵浦源，基于同步增益调制效应的同步泵浦锁模技术，直接实现中红外超短脉冲固体激光器，避免了以往采用传统主动和被动锁模技术的各种局限。而且可以通过控制泵浦脉冲，实现对同步泵浦锁模脉冲的脉宽调节。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，包括：重频可调的泵浦源、缩束系统、谐振腔、中红外晶体和可变光阑，所述谐振腔为线型谐振腔或环型谐振腔；
所述线型谐振腔包括：第一镀膜反射镜和第二镀膜反射镜，所述泵浦源、所述缩束系统、所述第一镀膜反射镜、所述可变光阑、所述中红外晶体、所述第二镀膜反射镜依次呈线型设置；
所述环型谐振腔包括：呈环型设置的泵浦光/激光二色镜、直角棱镜、第一镀膜介质镜、激光输出耦合镜、第二镀膜介质镜，所述可变光阑和所述中红外晶体依次设置在所述泵浦光/激光二色镜和所述直角棱镜之间，所述环型谐振腔内还设置有光隔离器，设置于所述激光输出耦合镜和所述第二镀膜介质镜之间。
2.根据权利要求1所述的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，
所述缩束系统包括：依次设置在所述泵浦源和所述谐振腔之间的凸透镜和凹透镜。
3.根据权利要求1所述的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述中红外晶体为光谱吸收峰在泵浦激光波长处的大尺寸掺Cr2+和掺Fe2+的ZnSe/ZnS晶体。
4.根据权利要求1所述的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，
所述泵浦源为基于增益开关皮秒光纤激光种子源的主振荡光纤功率放大系统，或者为基于被动锁模种子源的中红外光纤放大系统。
5.根据权利要求1所述的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，
在所述线型谐振腔中，第一镀膜反射镜和第二镀膜反射镜为镀膜平面透镜，或镀膜平凹透镜。
6.根据权利要求1所述的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，
所述线型谐振腔的后端镀膜介质镜搭载有位移平台；
所述环型谐振腔的直角棱镜搭载有轴向位移平台。
7.根据权利要求1所述的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，所述泵浦源根据所使用的Cr2+或掺Fe2+的ZnSe/ZnS晶体，分别用于产生2μm或2.8μm的泵浦光。
8.根据权利要求2所述的基于同步泵浦锁模技术的中红外超短脉冲固体激光器，其特征在于，
所述凸透镜和凹透镜分别为氟化钙凸透镜和氟化钙凹透镜。
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