CN1349676A - 一种用于激光器自锁模的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光器自锁模的装置,尤其适用于脉冲型激光器,包括:一个由第一面镜子(1)和第二面镜子(8)限定的谐振腔(20),其中设置有放大的、激活的、激光器介质(5),用来放大固有频率(ω1)下的激光光束;和一个固体非线性光学装置(10),该光学装置至少包括所述的第二面镜子(8),用于将固有频率(ω1)下的光束可换向地转变成二次谐波(ω2)下的光束,所述的非线性光学装置具有随着固有频率下的光束强度增加而增加的反射系数。本发明的特征在于该装置还包括在谐振腔(20)中的一个固体强度限制器(4),该限制器对激光光束的透射系数随着所述光束强度的增加而降低。本发明还涉及一种用于激光器自锁模的方法,尤其适用于脉冲型的激光器。

Description

一种用于激光器自锁模的装置及方法
发明主题
本发明涉及一种用于激光器自锁模的装置及方法，尤其适用于脉冲型的激光器。
现有技术状况
激光器共振腔包括一种光学增益介质，该增益介质位于自准直排列的，即面对面排列的、两面镜子所限定的谐振腔里。当激活增益介质时，在共振腔里就保持一种光学振荡，从而该装置能发射出一条以占有空间和光谱亮度都很高为特征的光束。
激光器共振腔的自锁模特征在于能迫使短波长的光脉冲在所述谐振腔中循环，以产生高峰强度的脉冲，而且该脉冲的脉冲长度通常小于100可秒(10-12)，根据所使用的增益介质还可达几飞秒(10-15)。
激光器的类型包括连续型的激光器，其中增益介质是一直被激活的，也就是说以几秒到几个小时超时的规模被激活。因此，在谐振腔中相对脉冲的(往复)循环时间来讲，连续自锁模激光器能够产生循环率在几十到几百兆赫数量级的短波长的脉冲。
高的循环率表明这种型式的激光器会发出低能量的光脉冲。尽管如此，这种型式的激光器还是可以适用在需要高的平均光学能量和低的脉冲能量的许多应用上，例如LIDAR技术，或者“线性”吸收分光器，光电离分光器以及荧光分光器等。
另外，脉冲型式的激光器，其特征在于增益介质的工作循环非常低(小于1/50)。该增益介质只在很短的时间内被激活，通常以几十赫兹低的循环率持续不到一毫秒。在脉冲模式中，相对增益介质中大量储存的光学能量来讲，增益介质可以被暂时的、非常高能地激活，结果，自锁模脉冲激光器将会比连续型自锁模激光器产生更大能量的脉冲。然而，事实上，首先，在短暂激活过程中，增益介质的放大系数不是常数；其次，在激光器共振腔中光学振荡的稳定是一种需要一定时间的动态过程，而且在增益介质的激活时间内可能是不完全的，这就会限制自锁模的功效、必然的短暂以及产生的光学脉冲的能量稳定性。
脉冲激光器可应用在需要高能量的光学脉冲的生产加工中，例如材料的烧蚀，激光切割和表面处理，也可用于如多分子谐振电离或频率振荡分光器的“非线性”光学分光器中，而且还可以应用在需要激光的低循环率(时间分解测定)的任何技术中。
脉冲型自锁模激光器的一种方式是将含有染料(液体溶剂)、可能还结合有强度限制器的一个管子插入到激光器共振腔中。该装置有几个缺点，尤其是：
--在管子中循环的溶剂的流动性和非同质性是造成射出的脉冲的能量不稳定的主要因素；
--由于染料的化学或光化学的分解，因此为了获得最佳自锁模工艺就需要技术人员的不断介入。
美国专利US-A-4914658公开了一种固体状态的激光器，如：Nd：Y、Al、G(Nd：YAG)与一种非线性晶体和分光镜组合以制造一种用于自锁模激光器的非线性的光学装置。在本装置的最简化的实施例中，非线性晶体能使基本光束经增益介质放大后产生一束二次谐波。没有被非线性晶体转换的那部分基本光束在谐振腔中的振荡，利用分光镜的反向区分，该分光镜在二次谐波频率上的反射系数大于其在固有频率上的反射系数。
调节非线性晶体和分光镜之间的光学距离能够在基本光束和二次谐波的光束之间获得一适当的相位移，从而在非线性晶体中能有效地将二次谐波上的光束再转变回一基本光束。在非线性晶体和分光镜之间插入一个透光片也能获得这种相位移。
该非线性光学装置能够起到增加激光器共振腔的品质因数的作用，也就是说通过分光镜的再次反射降低了激光光束的能量损失，同时由增益介质产生的在固有频率状态下的光束的瞬时能量也增加了。换言之，该非线性光学装置在激光器共振腔的品质因数上引起一正反馈，作为在固有频率状态下的光束的瞬时能量的函数。
非线性光学自锁模装置的特征还在于：在二次谐波时光束能量与在固有频率下光束能量的比值随着固有频率下光束能量的增加而增加。
在EP-A-0951111中公开了基于US-A-4914658所描述的原理的、一种用于自锁模激光器的装置及方法，尤其适用于连续型的激光器。在这篇文献中公开了利用一种非线性晶体，将部分固有频率下的激光光束转变为二次谐波下的光束。没有被非线性晶体转换的那部分基本光束在谐振腔中振荡，借助于一个迟滞片和一个偏振器的组合被反向地区分开。在该文献中，增益介质是Nd：钒酸盐，非线性晶体是三硼酸锂，迟滞片具有λ/4＝1064nm和λ/2＝532nm的迟滞。将迟滞片放置在非线性晶体和分光镜之间，而偏振器放置在增益介质和非线性晶体之间。
在该文献中指出放置在非线性晶体后面的分光镜具有的反射系数，在二次谐波频率时不大于固有频率下的反射系数。
在该文献中公开的非线性光学装置能够起到增加激光共振腔的品质因数的作用，也就是说，通过靠偏振器的反射降低了激光光束的能量损失，同时由增益介质产生的在固有频率状态下的光束的瞬时能量增加了。换言之，该非线性光学装置在激光共振腔的品质因数上引起一正反馈，作为在固有频率状态下的光束的瞬时能量的函数。
在上述两篇文献US-A-4914658和EP-A-0951111中公开的装置能允许连续的激光器有效的自锁模。例如，当使用Nd：YAG增益介质时，能产生短至～10可秒的脉冲FWHM(full width at half maximum)。然而，在脉冲激光器的情况下，这些装置却不能正常工作。利用文献US-A-4914658描述的装置，就一种脉冲Nd：YAG激光器而言，曾获得的最短脉冲宽度是35可秒FWHM(full width at half maximum)。由此造成低的工作状况水平，即在增益介质的激活过程中，激活介质的增益因素，光学脉冲的能量以及在非线性装置中的、用于非线性晶体的转换量都是非常大的，这就妨碍了在谐振腔中光学振荡的任何稳定状态。另外，在共振腔内少量的往复循环，以及在增益介质激活期间，由光脉冲引起与非线性装置之间的相互作用都限制了自锁模的效果。
发明目的
本发明的目的在于提供一种用于激光器自锁模的装置及方法，即使是在脉冲激光器的情况下，也可以获得短波长的脉冲和更多能量稳定性。
特别是，本发明的目的在于克服现有技术中装置和方法的缺点。
特别是，本发明的目的在于提供一种只由固体部件构成的装置，因此与使用染料(液体溶剂)的装置相比日常维护简单了，并且该装置耐用且费用不高。除此之外，使用的各种组成部分都显示出超长时间低水平的老化。
发明的主要技术特征
本发明涉及一种用于激光器自锁模的装置，尤其适用于脉冲型激光器，它包括：一个由第一面镜子和第二面镜子限定的激光器共振腔，在该共振腔中设置有激活的介质，用来放大固有频率下的激光光束；和一个固体非线性光学装置，该光学装置至少包括所述的第二面镜子，其具有随着光束强度增加而增加的反射系数，该装置的特征在于在激光器共振腔中还包括一个固体强度限制器，该限制器的基本光束的透射系数随着所述激光光束强度的增加而降低。
更特别的是，就US-A-4914658和EP-A-0951111所公开的装置而论，通过使用一种非线性光学装置，在激光器谐振腔的品质因数上只有一个正反馈作为基本光束能量的函数；在本发明公开的装置中，通过非线性光学装置和强度限制器的联合使用，在此品质因数上既有正反馈又有负反馈。这要归因于该非线性光学装置具有的反射系数，该系数随着基本光束强度的增加而增加，而强度限制器对激光的固有频率具有一透射系数，该系数随着基本光束强度的增加而降低。
非线性光学装置和强度限制器的联合使用表明当所述的强度超过强度限制器的阈值时，随着基本光束强度的增加，二次谐波的光束相对基本光束能量的比率不再增加。
更有利的是，该非线性光学装置包括所述的第二面镜子，该镜子与一个分光镜和一个非线性晶体相对应能够改变激光的频率。
此非线性光学装置也可能只包括所述的第二面镜子，该镜子再与一个由绝缘的或金属半导体薄膜叠加构成的、Fabry-Perot抗谐振饱和吸收器相对应。
此非线性光学装置也可能包括所述的第二面镜子，该镜子与一个分光镜，一个改变频率的非线性晶体以及至少一个偏振器相对应。
更有利的是，该强度限制器包括由如GaAs，CdSe或InP等半导体材料制成的一个薄片。
更有利的是，该强度限制器包括一个非线性晶体，该晶体能将基本光束转变为在谐波频率状态下的光束。
更有利的是，该强度限制器包括一个激活装置，也就是说如Pockels光电管或声光调制器等的一个电子控制装置，当基本光束的强度增加时，该装置能引起谐振腔内能量损失的增加。
更有利的是，将该强度限制器设置在增益介质和非线性光学装置之间。
在一个优选的方式中，将该强度限制器和非线性光学装置分别设置在增益介质的两侧。
本发明还涉及一种用于激光器自锁模的方法，尤其适用于脉冲激光器，包括：
■通过激发激活的激光介质以发出固有频率下的激光射线；
■将固有频率下的光束转变为谐波频率下的光束；
■将谐波频率下的光束返回到谐振腔；
■将谐波频率下的光束再转变回固有频率状态下的光束，并且
在谐振腔内限制固有频率下的光束的强度。
附图简述
图1为根据本发明的原理用于获得Nd：YAG振荡器的装置的一个优选
实施例；
图2表示从图1中获得的Nd：YAG振荡器的脉冲序列包络线；
图3表示脉冲宽度的测量，该测量是通过一个标准的低噪音二阶自相关器来完成的。
最佳实施例详述
图1以例子的方式描述了本发明的一个实施例。在传统的方式中，首先，由第一面镜子1和第二面镜子8限定了一个谐振腔20；其次，设置一个包括第二面镜子8的非线性光学装置10。第一面镜子具有高的、最好是全部的反射，第二面镜子8是一面分光镜。在谐振腔20内设有一激活介质5，在传统的方式中，该介质为Nd：YAG(Neodymium-doped YttriumAluminium Garnet)，Yb：YAG，Cr：YAG，Nd：YLF，Nd：玻璃，Ti：sapphire，Cr：forsterite或者Yb：玻璃介质。在激发下，该介质适合于发出固有频率为ω1的激光射线。介质的选择是根据希望的激光的波长和希望的增益的光谱宽度来确定的。
根据本发明的实施例，增益介质是一条尺寸为115*7mm的Nd：YAG晶体5，采用两个脉冲电子管泵，以激发出固有频率ω1＝1064nm的激光射线。
电子泵的能量是-17J，而循环的频率为20Hz。
设有抗反射涂层的两个透镜61和62，焦距分别为100和-40mm，构成了光学仪器6。0.8mm的板孔3将激光的射出限制为一种传输方式。根据本发明用于激活自锁模的强度限制器包括一个靠近高反射镜1放置的AOML(声光模式锁定室)部件2和一个GaAs片4。共振腔的总长度大约为1.5m适合于AOML的100MHz的调制频率。
根据本发明图1所示的实施例，非线性光学装置10除了分光镜8以外还包括一个长度为3毫米的BBO型非线性晶体7，该晶体利用型式I的交相感应可产生二次谐波(ω2＝532nm)的光束。该非线性光学装置10具有在532nm时大于99％以及在1064nm时等于25％的反射系数。也可以使用其它的非线性晶体，例如LBO(三硼酸锂)，KDP(钾dihydrogen磷酸盐)，KTP(钾titanyl磷酸盐)，BBO(β硼酸钡)，PPLN(periodically poledlithium niobate)，或者KnbO3(铌酸钾)。GaAs片以布鲁斯特入射角放置。在再转变过程中，调节分光镜8和非线性晶体7之间相距的距离能控制基本光束和二次谐波光束之间的相位移。
当恰当调节该距离时，在共振腔中产生的光束的强度就会获得适当的增加，这可揭示出YAG振荡器的被动自锁模因素。
当在谐振腔中使用AOML部件2时，对应-17J的电子泵，该激光谐振腔的平均输出能量是-30mW(脉冲序列能量＝1.5mJ)。
图2示出利用一个具有60MHz示波器带宽的p-i-n光电二极管测量得到的2μs长的脉冲序列包络线。包络线的第一部分(0-500ns)的特征为在脉冲能量上变化很快，接下来从600-1800ns的曲线为平稳段，代表实际上为常数的脉冲能量，估计为10μJ/脉冲。
尽管前述研究结果表明本装置在没有激活自锁模下也能工作，但是当AOML部件用在共振腔中时，我们已经注意到YAG振荡器的工作更加稳定。
图3表示在序列包络线的平稳段的中心，对脉冲宽度的测量，该测量是通过一个标准的低噪音二阶自相关器来完成的，并使自相关信号积分装置的50ns窗孔与序列包络线的平稳段的中心同步。
假定为高斯的分布，即将12ps FWMH的脉冲宽度推定为基本脉冲。在谐振腔内的峰强度达到约为55MW/cm2的一个值，该值与在GaAs半导体中两个光子吸收的一致。
总之，利用脉冲式Nd：YAG激光器，借助一个闪光电子管通过由一个强度限制器构成的无源负反馈部件和一个正反馈部件的结合，获得低至12ps或更少的脉冲宽度是可能的。其中，在本实施例中该强度限制器由一种GaAs片构成，而该正反馈部件是一种非线性光学装置，它包括与一面分光镜耦合的双倍频率的非线性晶体(BBO)。
光脉冲实现的往复循环在数量上的增加以及强度限制器引起的它们能量稳定状态的增加都是要获得短波长脉冲的关键因素。这些脉冲的宽度很接近～10ps的下限，该下限是由增益介质的Nd：YAG的增益频谱的傅里叶变换来设定的。
配置有本发明所述装置的脉冲激光器对于光学参量振荡器的同步泵来说具有理想的特性。
除此之外，为了偏振极的选择和修正，在谐振腔中或外面插入无源或激活的部件，如光电管、偏振器和迟滞片，都能够选出能量单一的脉冲。

Claims (13)

1.一种用于激光器自锁模的装置，尤其适用于脉冲型激光器，它包括：一个由第一面镜子(1)和第二面镜子(8)限定的谐振腔(20)，在该谐振腔中设置激活的激光器增益介质(5)，用来放大固有频率(ω1)下的激光光束；和一个固体非线性光学装置(10)，该光学装置至少包括所述的第二面镜子(8)，用于将固有频率(ω1)下的光束可换向地转变成二次谐波(ω2)下的光束，所述的非线性光学装置具有随着固有频率下的光束强度增加而增加的反射系数，其特征在于：该装置还包括在谐振腔(20)中的一个固体强度限制器(4)，该限制器对激光光束的透射系数随着所述光束强度的增加而降低。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：强度限制器(4)包括一个由半导体材料，如GaAs，CdSe或者InP制成的薄片。
3.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于：强度限制器(4)包括一个能够将固有频率下的光束转变成二次谐波下的光束的非线性晶体，或者是一个电子控制激活的装置，例如一个光电管或是一个声光调制器(2)。
4.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于所述的非线性光学装置(10)包括所述的第二面镜子(8)，该镜子与一个分光镜和一个非线性晶体(7)相对应，能够将固有频率下的光束转变成二次谐波下的光束。
5.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于所述的非线性光学装置(10)包括所述的第二面镜子(8)，该镜子与一个分光镜和一个非线性晶体(7)相对应，能够将固有频率下的光束转变成二次谐波下的光束，而且至少其中的一个部件能用于偏振极的选择和/或修改。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于所述的非线性晶体为一种BBO晶体。
7.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于所述的非线性光学装置(10)只包括所述的第二面镜子(8)，该镜子与一个由绝缘的或金属半导体薄膜构成的、Fabry-Perot抗谐振饱和吸收器相对应。
8.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于将所述的强度限制器(4)和非线性光学装置(10)分别放置在激活增益介质(5)的两侧。
9.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于将所述的强度限制器(4)放置在非线性光学装置(10)和激活增益介质(5)之间。
10.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于所述的激活增益介质是一种Nd：YAG晶体。
11.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于将所述的非线性光学装置(10)具有二次谐波(ω2)下的光束的反射系数，该反射系数要比固有频率(ω1)下的光束的反射系数大。
12.一种用于激光器自锁模的装置，尤其适用于脉冲型的激光器，包括：一个由第一面镜子(1)和第二面镜子(8)限定的谐振腔(20)，在该谐振腔中设置激活的激光器增益介质(5)，用来放大固有频率(ω1)下的激光光束；和一个固体非线性光学装置(10)，该光学装置至少包括所述的第二面镜子(8)，用于将固有频率(ω1)下的光束可换向地转变成二次谐波(ω2)下的光束，所述的非线性光学装置(10)具有随着固有频率下的光束强度增加而增加的反射系数，其特征在于该装置还设有用于保证谐振腔(20)品质因数的正反馈和负反馈装置。
13.一种用于激光器自锁模的方法，尤其适用于脉冲型的激光器，其特征在于：该方法包括：
◆通过激发激活的激光介质(5)以发出固有频率(ω1)下的激光射线；
◆将固有频率(ω1)下的光束转变成谐波频率(ω2)下的光束；
◆将谐波频率(ω2)下的光束返回到谐振腔(20)；
◆将谐波频率(ω2)下的光束转变回固有频率(ω1)下的光束，并且
◆在谐振腔(20)内限制固有频率(ω1)下的光束的强度。
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