CN1379515A - 一种小型化固体飞秒激光振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体激光振荡器,包括一个聚焦透镜、一个激光晶体、两个对泵浦激光增透、对飞秒振荡激光宽带全反的双色介质膜凹面反射镜、三个小角度宽带全反镜、一个垂直宽带全反镜、一个平面输出镜、两个石英棱镜、一个爬高镜、一个镀金镜及一个底座。该发明结构小巧,输出激光脉宽窄,光谱宽,锁模启动简易,具有脉宽可调、双向输出、自动补偿空间色散、易于重复生产组装、可靠性高、成本低等优点,因此具有广泛的应用前景。

Description

一种小型化固体飞秒激光振荡器

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种固体自锁模激光振荡器。

在激光技术研究中，超短激光脉冲作为人类所能控制的时间极限的标志及其在微观世界揭示物质瞬态动力学的独特特性，一直是最热门的激光研究内容之一。目前，人们借助脉冲压缩技术在实验室所能获得的最短脉冲宽度已接近4fs(1fs＝10^-15秒)，其应用研究渗透到了物理学、化学、生物学、通讯等学科的最前沿课题，并进而导致了许多新学科，如强场物理、飞秒化学、超高速大容量光通讯等学科的形成和发展。1999年，美国科学家A.Zewail因其用飞秒激光研究化学反应的开创性工作而获诺贝尔化学奖。正是由于飞秒激光无处不在的应用，许多科学家将其形容为“寻找答案的钥匙”。

用于产生超短激光脉冲最主要的技术手段是激光锁模技术。从激光问世至今，锁模先后经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模、耦合腔锁模(附加脉冲锁模)、克尔透镜锁模等主要锁模方式，所用的激光介质由最初的窄带固体激光、宽带染料激光发展到今天的宽带固体激光材料，脉宽在不到四十年的时间里从纳秒(10^-15秒)量级进展到近光周期(~3飞秒)。但是，飞秒激光真正意义上成为实用可靠的应用研究工具，应该归功于90年代初掺钛蓝宝石激光自锁模技术，即克尔透镜技术的发现(文献1，D.E.Spence，P.N.Kean，W.Sibbert；Opt Lett.Vol.16(1991)42)，这一技术的问世，不仅使得原有飞秒激光仅数十毫瓦的功率输出提高了近两个量级而达到实用性的程度，而且与传统锁模激光复杂的技术要求相比，其结构几乎与普通激光一样简单，这种革命性的突破，为飞秒激光向产品化发展提供了成熟的技术基础。

基于飞秒激光广泛的应用研究需要及实用可靠的研究成果，美国光谱物理公司(S-P)(文献2，http：//www.splasers.com/)、相干公司(文献3，http：//www.coherentinc.com/)早在1994年起就开发推出了脉宽100多飞秒的棱镜对色散补偿飞秒钛宝石激光产品及相关产品说明所示，虽然S-P最新的产品输出又进一步缩短到了35飞秒，但与目前实验室最好结果相比(~5fs)(文献4，G.Steinmeyer，D.H.Sutter，L.Gallmann，N.Matuschek，U.Keller；Science，Vol.286(1999)1507)，两者都存在较大的差距，特别是体积庞大、不便搬动。针对这些缺点，近年来奥地利维也纳技术大学、瑞士工业技术大学分别在其啁啾镜补偿色散技术、半导体饱和吸收反射镜启动锁模技术研究的基础上，先后通过注册FemtolasersProduktions GmbH公司(奥地利)(文献5，http：//www.femtolasers.com/)及Time-Bandwidth公司(瑞士)(文献6，http：//www.timebandwidth.com/)及相关产品的说明所示，推出了体积简化的新产品，特别是奥地利Femtolasers ProduktionsGmbH公司通过独特的啁啾镜技术，其产品脉宽仅20飞秒左右，一度是脉宽唯一小于100飞秒的实用商品，但是这种啁啾镜激光除成本昂贵、各台输出参数难以统一外，其锁模不易启动，脉宽不能调节，不利于实际操作使用。

我们在多年研究锁模钛宝石激光的基础上，于1997年采用棱镜对色散补偿技术实现了脉宽13fs的稳定锁模输出(文献7，魏志义、张杰、夏江帆、冯宝华、张秀兰、邱阳；《中国科学》A，Vol.43(2000)No.10)，结果居国内领先、国际先进水平。进一步采用啁啾镜后，得到了8.5fs的结果，在此基础上，通过实用化设计，研制成功输出脉宽可调，最短达18fs的新型固体飞秒激光产品样机。

本发明的目的是克服已有技术的不足，通过实用化设计，提供一种固体自锁模飞秒激光振荡器。本发明通过引入三个小角度入射平面宽带全反镜来实现，还包括：一个聚焦透镜、一个激光晶体、两个凹面反射镜、一个垂直宽带全反镜、一个平面输出镜、两个石英棱镜、一个爬高镜及一个镀金镜。该发明结构小巧紧凑，脉冲宽，锁模启动简易，具有脉宽可调、双向输出、自动补偿空间色散、可靠性高、成本低等优点，因此具有广泛的应用前景。

本发明的目的是这样实现的：

如图1所示，本发明包括一个聚焦透镜1，一个激光晶体2，两个对泵浦激光增透、对飞秒振荡激光宽带全反的双色介质膜的凹面反射镜3、4，三个小角度入射下对飞秒振荡激光宽带全反的平面镜5、6、7，一个垂直宽带全反镜及一个平面输出镜8、9，两个石英棱镜10、11，一个爬高镜12、一个平面镀金镜13及一个底板。

由3-9的反射镜构成谐振腔。

也可以不用爬高镜12及镀金镜13，它们的用途在于保证振荡激光束爬高一段距离后可以从谐振腔上方输出。

根据不同的需要，可选择8或9作为输出镜。

元件的具体参数如下：底板的尺寸为550×200mm；聚焦透镜1的焦距为8~13cm；激光晶体2为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸为4×4×5mm；平凹反射镜3、4为曲率半径100mm，口径12.7mm，厚度6mm的K9玻璃，其中反射镜3作为泵浦镜，凹面镀有对532nm增透及700~900nm全反的双色介质膜，背面镀有532nm泵浦光的增透膜，反射镜4的凹面镀有对700~900nm波段全反的宽带介质膜；小角度入射下的宽带全反平面镜5、6、7为厚度4mm的K9玻璃基片，镀有3~10°入射角下对700~900nm全反的宽带介质膜；平面全反镜8(9)为厚度4mm的K9玻璃基片，镀有垂直入射下对700~900nm全反的宽带介质膜；平面输出镜9(8)为厚度2mm、半片切割的熔石英基片，镀有垂直入射下在750~850nm波段内透过率为10％的介质膜；棱镜10、11为布儒斯特角切割的石英棱镜，棱镜对间的相对距离为54cm；两个平面镜垂直组成的爬高器12为尺寸20×20mm的镀金镜或45°入射的700~900nm全反的宽带介质膜；镀金镜13的尺寸为20×20mm。

全部元件安装在底板上，具体安装要求如下：

将聚焦透镜1置于可调节升降及左右位置的调节架上，并将调节架置于40×40mm的平移台上。反射镜3位于两维可调的微调架上，而反射镜4位于两维可调的微调架及平移导轨上，平凹镜3、4连同微调架固定在40×40mm的平移台上。激光晶体2位于可调节俯仰及角度的晶体调节架及水平旋转台上，调节架的两端用橡皮管接入水冷循环，旋转晶体以布儒斯特角放置在凹面反射镜3和4的共焦点上，聚焦透镜1的位置调节保证泵浦激光刚好聚焦于晶体中心。将平面全反镜8(9)及平面输出镜9(8)分别置于两维可调的微调架上；从凹面镜4到全反镜(或输出镜)8的短臂距离约为73cm，从凹面3到输出镜(或全反镜)9的长臂距离为100cm。全反镜5、6、7分别置于两维可调的微调架上，全反镜5、6、7的位置确定只需保证谐振腔两臂长分别为100cm及73cm。爬高器12置于输出镜9之后。镀金镜13置于激光振荡光路上方5mm的两维微调架上。

在激光长臂端(棱镜端)的延长线上预先放一全反镜，这样在初次安装或重新调试激光振荡时，只需通过旋转激光盖外的测微头使第一棱镜10退出图1所示的光路，即可方便快速地实现激光振荡，再次复原棱镜后，就不难实现锁模了。

两个顶角为69°的石英棱镜10、11为布儒斯特角放置，并置于可调节俯仰及角度的调节架及平移台上，其中棱镜10的平移台选为垂直调节、水平移动的设计，其测微头延伸至激光振荡器上盖外，以便于在不打开器件外壳的情况下，可以仅通过转动测微头而实现锁模的启动及脉宽调节。改变长臂端插入石英棱镜对10、11的深度即可改变激光的输出脉宽。

调节平面镜8和9使入射其中的光线沿原路返回，则可实现钛宝石激光的连续振荡。

进一步优化凹面镜3、4的相对位置及晶体中的聚焦位置，即：使凹面镜3、4的相对距离为10.5~11cm(允许有微小的差别，因为可能产生的锁模脉冲的中心波长不同)。晶体2与凹面镜3、4间的距离比是长短臂长的反比。上述步骤即为调节谐振腔的腔形结构，使振荡器接近锁模区(此时的光斑呈现长条形且闪动不稳)，在晶体中的克尔效应和相应腔型结构的共同作用下，就可以实现锁模运转了。激光从连续到锁模的跳跃可借助于对棱镜10的横向移动而实现。

整个激光振荡光路距底板的高度为5cm。

输出的激光脉冲经爬高器12反射后，提高约10mm并沿平行于振荡光的位置从半输出镜9的上方反射进激光腔内，经三个小角度平面镜5、6、7再次反射及两个棱镜10、11的透射后，由镀金镜13反射输出到激光器件之外，达到对输出脉宽空间色散的严格补偿。

为了产生尽可能短的光脉冲，本发明采用一石英棱镜对10、11来补偿激光晶体的色散。根据所采用晶体的厚度，计算可得两棱镜之间的距离为54cm(棱镜对的距离可以通过相关的文献、书籍计算得出)时可以实现对晶体色散的完全补偿，所输出的最短脉宽仅18飞秒。调节两棱镜的插入光路的程度，则可方便地改变激光输出脉宽。

由于本发明采用棱镜对色散补偿技术，结合其平移台的实用设计，避免了啁啾镜方案中(Femtolasers Produktions GmbH公司产品)锁模启动困难的缺点。

目前所有的飞秒激光产品仅能从一端输出。本发明由于采用了爬高镜返回技术，可方便地根据需要选择输出端，实现飞秒脉冲的两端分别输出，从而满足应用、研究的要求。具体实现过程是：当希望飞秒脉冲从短臂端(无色散端)输出时，采用9作为平面全反镜，8作为平面输出镜；当希望飞秒脉冲从长臂端(色散端，即有棱镜对的那端)输出时，除8作为平面全反镜外，作为平面输出镜的9采用半圆镜片，再在腔外采用一爬高镜12，这样经爬高镜12反射后，飞秒脉冲将沿振荡光路方向平行地通过半片平面输出镜9的上方返回棱镜11、平面镜7、6及棱镜10，最后由位于振荡光路上方的镀金镜13反射输出。这一设计与目前在腔外再加一对对称棱镜的方法相比，不仅节省了空间(仅需一对棱镜)，且由于补偿光与振荡光平行，因此在棱镜中来回的插入量完全相同，从而自动保证了空间色散的严格补偿。

按上述设计、安装所得的激光振荡器经自相关仪测定可得如图2所示的脉宽曲线。

本发明的输出激光脉宽窄，最短脉宽仅18飞秒，这不仅远优于S-P公司(大于35飞秒)、相干公司及瑞士的Time-Bandwidth公司(均大于100飞秒)的同类产品，且也仅次于目前唯一可提供短于20飞秒产品的奥地利Femtolasers Produktions GmbH公司(最短12飞秒)的器件，并且脉宽从18飞秒连续向上可调；平均输出功率大于500mW。本发明的整体结构小巧紧凑，体积仅约600×200×150mm，其输出脉宽虽稍逊于奥地利Femtolasers Produktions GmbH公司的产品，但其体积仅是该公司产品的一半左右，是S-P公司、相干公司的产品的3-4分之一，故本发明便于使用。目前几种产品在5W泵浦下的输出功率多在200-300mW之间，而本发明在同样功率的全固化532nm激光泵浦下，其锁模平均输出功率大于500mW。飞秒激光产品通常由于腔内包含有棱镜(或啁啾镜)、反射镜等诸多元件，因此初次安装，或由于某种原因偏离振荡位置需要重新调试时，往往复杂费时，本发明在设计中使激光长臂的延长线通过短臂端作输出时的输出端孔，使在初次安装或重新调试激光振荡时，只需通过旋转激光盖外的测微头使棱镜10退出光路，并在器件外面长臂的延长线上放一全反镜，即可方便快速地实现激光振荡，进而再复原插入棱镜10后，就不难实现锁模了，从而保证了器件的方便性和可靠性。本发明由于采用全国产元件，所用的色散补偿元件是标准的石英棱镜，因此成本低、易于重复生产组装。本发明还具有双向输出、自动补偿空间色散等优点，具有广泛应用前景，为目前国际上同类产品中综合性能最好的产品器件之一。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

图1为本发明原理结构图，

图2为本发明测得的最短激光脉宽曲线，

图3为本发明的具体安装实施图，

图4为本发明安装后的实物照片。

实施例1：

如图3所示，其中各元件与图1相对应，全部安装在尺寸为550×200mm的底板上，元件选择的具体参数及安装要求如下：

聚焦透镜1的焦距为10cm，口径为2cm，并置于可调节升降及左右位置的调节架及平移台上。激光晶体2为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸为4×4×5mm，置于可调节俯仰及角度的调节架及平移台上。平凹反射镜3、4的曲率半径为100mm，口径为12.7mm，厚度为6mm，材料为K9玻璃，其相对距离约为105mm；其中3作为泵浦镜，凹面镀有对532nm增透及700~900nm全反的双色介质膜，背面镀有532nm泵浦光的增透膜，置于两维可调的微调架上；而4的凹面镀对700~900nm波段全反的宽带介质膜，置于两维可调的微调架及平移导轨上。激光晶体2位于两镜3、4的中心点上。聚焦透镜1的位置调节保证泵浦光刚好聚焦于激光晶体中心，其与泵浦镜3的距离约6cm。小角度入射下的宽带全反平面镜5、6、7的基片为口径25.4mm，厚度4mm的K9玻璃，镀有3~10°入射角下对700~900nm全反的宽带介质膜，分别置于两维可调的微调架上。他们的位置需保证加上8，9镜后，谐振腔两臂长的比为110∶70cm。平面全反镜8的基片为口径25.4mm，厚度4mm的K9玻璃，镀有垂直入射下对700~900nm全反的宽带介质膜，置于两维可调的微调架上。平面输出镜9为口径25.4mm，厚度2mm的半片切割的熔石英基片，镀有垂直入射下在750~850nm波段内透过率为10％的介质膜，置于两维可调的微调架上。两个布儒斯特角切割的石英棱镜10、11按布儒斯特角放置，顶角为69°，底边尺寸及高度为2cm，置于可调节俯仰及角度的调节架及平移台上，其中棱镜10的平移台选为垂直调节、水平移动的设计，其测微头延伸至激光器上盖外。从凹面镜4到全反镜8的短臂距离约为70cm，从凹面泵浦镜3到输出镜9的长臂距离约为110cm，其中长臂端插入石英棱镜对，棱镜10、11间的相对距离为54cm。激光长臂(棱镜端)的延长线通过短臂端作输出时的输出孔，这样在初次安装或重新调试激光振荡时，只需通过旋转激光盖外的测微头使第一个棱镜退出光路，并在器件外面长臂的延长线上放一全反镜，即可方便快速地实现激光振荡，进而复原棱镜后，就不难实现锁模了。两个平面镜垂直组成的爬高器12为45°入射的700~900nm全反的宽带介质膜，输出的激光脉冲经由爬高器反射后，将提高约10mm并沿平行于振荡光的位置从半输出镜9的上方反射进激光腔内。镀金镜13的尺寸为20×20mm，置于激光振荡光路上方5mm的两维微调架上，平行于振荡激光的输出激光脉冲经三个小角度平面镜5、6、7的再次反射及棱镜对10、11的透射后，遇镀金镜13反射输出到激光器件之外，达到对输出脉宽空间色散的严格补偿。整个激光振荡光路距底板的高度为5cm。

实施例2：

各元件的具体参数及安装如实施例1，但爬高器选择尺寸20×20mm的镀金镜，制作固体飞秒激光振荡器。

实施例3：

各元件的具体参数及安装如实施例1。但以9为平面全反镜，取口径25.4mm，厚度4mm的K9玻璃基片，镀有垂直入射下对700~900nm全反的宽带介质膜；以8为平面输出镜，取口径25.4mm，厚度2mm的熔石英基片，镀有垂直入射下在750~850nm波段内透过率为10％的介质膜。此时取消爬高器12和镀金镜13。

Claims (4)

1.一种小型化固体飞秒激光振荡器，其特征在于：包括一个聚焦透镜(1)，一个激光晶体(2)，两个平凹反射镜(3)、(4)，三个小角度宽带全反镜(5)、(6)、(7)，一个垂直宽带全反镜(8)，一个平面输出镜(9)，两个石英棱镜(10)、(11)，一个爬高镜(12)，一个镀金镜(13)及一个底板；

元件的具体参数如下：底板的尺寸为550×200mm，聚焦透镜(1)的焦距为8~13cm，激光晶体(2)为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体、尺寸为4×4×5mm，平凹反射镜(3)、(4)为曲率半径100mm、口径12.7mm、厚度6mm的K9玻璃，其中反射镜(3)的凹面镀有对532nm增透及700~900nm全反的双色介质膜，背面镀有532nm泵浦光的增透膜，反射镜(4)的凹面镀有对700~900nm波段全反的宽带介质膜，小角度宽带全反镜(5)、(6)、(7)为厚度4mm的K9玻璃基片、镀有3~10°入射角下对700~900nm全反的宽带介质膜，平面全反镜(8)为厚度4mm的K9玻璃基片、镀有垂直入射下对700~900nm全反的宽带介质膜，平面输出镜(9)为厚度2mm、半片切割的熔石英基片、镀有垂直入射下在750~850nm波段内透过率为10％的介质膜，棱镜(10)、(11)为布儒斯特角切割的石英棱镜、棱镜对间的相对距离为54cm，两个平面镜垂直组成的爬高器(12)为尺寸20×20mm的镀金镜，镀金镜(13)的尺寸为20×20mm；

全部元件安装在底板上，具体安装要求：将聚焦透镜(1)置于可调节升降及左右位置的调节架上，并将调节架置于40×40mm的平移台上，反射镜(3)位于两维可调的微调架上，而反射镜(4)位于两维可调的微调架及平移导轨上，平凹镜(3)、(4)连同微调架固定在40×40mm的平移台上，激光晶体(2)位于可调节俯仰及角度的晶体调节架及水平旋转台上，调节架的两端用橡皮管接入水冷循环，旋转晶体以布儒斯特角放置在平凹反射镜(3)和(4)的共焦点上，聚焦透镜(1)的位置调节保证泵浦激光刚好聚焦于晶体中心，将平面全反镜(8)及平面输出镜(9)分别置于两维可调的微调架上，从凹面镜(4)到全反镜(8)的短臂距离约为73cm，从凹面镜(3)到输出镜(9)的长臂距离为100cm，全反镜(5)、(6)、(7)分别置于两维可调的微调架上，反射镜(3)~(9)组成谐振腔，全反镜(5)、(6)、(7)的位置确定保证谐振腔两臂长分别为100cm及73cm，爬高器(12)  置于输出镜(9)之后，镀金镜(13)置于激光振荡光路上方5mm的两维微调架上；两个顶角为69°的石英棱镜(10)、(11)为布儒斯特角放置并将此石英棱镜对置于可调节俯仰及角度的调节架及平移台上，其中棱镜(10)的平移台选为垂直调节、水平移动的设计，其测微头延伸至激光振荡器上盖外；调节平面镜(8)和(9)使入射其中的光线沿原路返回；使凹面镜(3)、(4)的相对距离为10.5~11cm；

整个激光振荡光路距底板的高度为5cm。

2.按权利要求1所述的小型化固体飞秒激光振荡器，其特征在于：爬高器(12)还可以为45°入射的700~900nm全反的宽带介质膜。

3.按权利要求1所述的小型化固体飞秒激光振荡器，其特征在于：还可以(8)作为平面输出镜，则此时(9)即为宽带全反镜。

4.按权利要求1所述的小型化固体飞秒激光振荡器，其特征在于：也可以不用爬高镜(12)及镀金镜(13)。

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