CN1556560A

CN1556560A - 两腔串联的全固化飞秒激光器

Info

Publication number: CN1556560A
Application number: CNA2003101216503A
Authority: CN
Inventors: 钱列加; 王韬; 朱鹤元; 谢国强
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2023-12-31
Also published as: CN1264257C

Abstract

本发明是一种两腔串联结构的全固化飞秒激光器，由四个半导体激光泵浦源，四个镀膜球面镜，两块作为增益介质的激光晶体，两个棱镜对，一个全反镜(或半导体可饱和吸收镜)和输出耦合镜组成。激光输出中心波长830nm，调谐范围约100nm，输出脉冲脉宽约100fs。半导体泵浦光源输出中心波长673nm。本激光器结构紧凑，价格低廉，性能稳定可靠。

Description

两腔串联的全固化飞秒激光器

技术领域

本发明属于飞秒激光技术领域，具体涉及一种两腔串联结构的全固化飞秒激光器。

背景技术

近年来，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别是，由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。另外，高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面也有着很好的发展前景。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径。

日本科学家大胆预测，21世纪将是飞秒激光的世纪。然而，作为提供飞秒激光的激光源-------飞秒激光器，它的应用领域和用户数量始终受到限制，要进一步扩大飞秒激光器应用领域和用户数量，需要解决以下几个关键问题：

(1)、机构紧凑，小型化，使用方便，只需“开”和“关”等简单操作，使不懂激光的人员也能很好的使用。

(2)、稳定可靠，检调周期长(如1年)，对工作环境无苛刻要求。

(3)价格低廉。价格始终是限制用户数量的一个瓶颈。应当说，目前的掺钛宝石飞秒激光器在使用的方便程度和稳定可靠性方面已做得不错，但其10-30万美元的价格使许多潜在用户感到无奈。

另外，值得特别提出的是，Cr³⁺:LiSAF的热导性能差，随着泵浦功率的提高，晶体温度升高，Cr³⁺的上能级寿命下降，这样在泵浦功率一定的条件下会导致Cr³⁺:LiSAF激光的输出功率下降。由于Cr³⁺:LiSAF晶体本身的热导性能差而导致Cr³⁺:LiSAF激光的输出功率难以提高，这一直以来是一个困难。虽然目前大多使用的用水冷来冷却晶体的措施能缓解这一困难，但其冷却效果有限，而且引入冷却系统造成整个激光器系统繁杂，不符合小型化全固化的要求，是治标不治本的方法。我们采用两腔串联结构，使同样的泵浦功率分散在两个腔内的两块晶体内，仅采用自然冷却就能避免这一问题，从而解决了Cr³⁺:LiSAF晶体的热效应难题。实验中还发现，这种两腔串联结构的泵浦效率比单腔的泵浦效率要高得多，激光输出功率较单腔有很大程度的提高。

发明内容

本发明的目的在于设计一种结构小型化、性能稳定可靠，使用方便和价格低廉的全固化飞秒激光器。

本发明设计的全固化飞秒激光器，谐振腔采用两腔串联结构，四个半导体激光器分别端泵两块激光晶体，其结构见图1所示。具体结构由四个半导体激光泵浦源(即激光二极管)、四个镀膜球面反射镜、两块作为增益介质的激光晶体、两个棱镜对、一个全反镜和输出耦合镜组成。其中平面全反镜PM，球面反射镜M1、M2，激光晶体(LiSAF1)组成激光腔1，两个半导体激光器在两端泵浦，球面反射镜M3、M4，输出耦合镜OC，激光晶体(LiSAF2)组成激光腔2，两个半导体激光器在两端泵浦；激光腔1和激光腔2串联起来构成两腔串联的全固化飞秒激光器。输出中心波长为830nm，脉宽约100fs。

上述结构中，在锁模状态下输出脉冲时，上述全反镜PM换为半导体饱和吸收镜(SESAM)。

本发明中，四个泵浦光源是输出中心波长在673nm、额定输出光功率350mw的单结AlGaInP半导体激光器，半导体激光器输出的激光经准直后通过波长673nm附近高透的球面反射镜进入激光晶体。四个球面反射镜曲率半径为10cm，在泵浦光波长673nm附近高透，在激光波长830nm附近高反。平面镜PM在激光波长830nm高反(反射率为99％以上)，输出耦合镜的输出耦合率为1.5％。激光晶体为布儒斯特角入射的Cr³⁺:LiSAF晶体，掺杂浓度为1.5％，晶体长度5mm。本激光器结构中，臂L1，L2长约0.8m，臂L长约1.6m，M1，M2相距约0.103m，M3，M4相距约0.103m，球面反射镜的折叠角约6度。

本发明设计的全固化飞秒激光器的工作原理如下：半导体激光器输出的泵浦激光经准直后进入激光晶体，由于泵浦激光波长在673nm，这正好是Cr:LiSAF晶体的吸收峰，Cr:LiSAF晶体吸收泵浦光后受激辐射产生830nm波长的激光。由于四个球面反射镜有6度的折叠角，并在激光波长830nm附近高反，2块激光晶体受激辐射产生的激光在PM，M1，M2，M3，M4，OC镜之间来回反射形成振荡产生激光并由输出耦合镜输出830nm的CW激光。将全反镜PM换成半导体可饱和吸收镜SESAM，并插入Slit aperture，启动锁膜，可输出约100fs的飞秒脉冲。

本发明设计的半导体激光泵浦的全固化飞秒激光器系统，它符合小型化(外观尺寸50cm×30cm×20cm，含电源)、稳定可靠(检调周期＞半年)、使用方便(只需“开”、“关”操作)和价格低廉(10万人民币左右/台)等要求，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明的结构图示。

图2为各元件之间的距离的标注图示。

图中标号：PM为平面反射镜，SESAM为半导体可饱和吸收镜，M1、M2、M3、M4都为球面反射镜，OC为输出耦合镜，L1、L2为准直透镜，Slit aperture为可调光阑，raser diode为半导体激光器(泵浦光源)，prism pair为棱镜对，α1、α2为折迭角。

具体实施方式

根据图1所示，本全固化飞秒激光器由平面反射镜PM，球面反射镜M1，激光晶体Cr³⁺:LiSAF，球面反射镜M2，球面反射镜M3，激光晶体Cr³⁺:LiSAF，球面反射镜M4，输出耦合镜OC依次排列而成。首先，仔细调节半导体二极管和准直透镜L1，L2，使半导体二极管输出的激光耦合到激光晶体内。然后在满足象散补偿条件下仔细调整折叠角α1，α2和端镜PM，MO，使光线垂直入射到端镜上，然后微调M1，M2和激光晶体LiSAF1，使在MO上能输出CW激光，这样激光腔1调整完毕。同上所述，调整元件使激光腔2也输出激光。然后抽除端镜MO，两个激光腔串联成一个腔，仔细调节球面镜M2，M3，使两腔内光束共线。然后微调球面镜M1，M2，M3，M4以及激光晶体的位置，使输出耦合镜OC上输出CW激光功率最大。将全反镜PM换成可饱和吸收镜，并插入光阑，启动锁膜，就可以输出飞秒激光。

Claims

1、一种全固化飞秒激光器，其特征在于谐振腔采用两腔串联结构，四个半导体激光器分别端泵两块激光晶体，它由四个半导体激光泵浦源、四个镀膜球面镜、两块作为增益介质的激光晶体、一个全反镜和输出耦合镜组成，其中平面全反镜PM，球面反射镜M1、M2，激光晶体Li SAF1组成激光腔1，两个半导体激光器Laser diode在两端泵浦，球面反射镜M3、M4，输出耦合镜OC，激光晶体Li SAF2组成激光腔2，两个半导体激光器Laserdiode在两端泵浦；激光腔1和激光腔2串联起来构成两腔串联的全固化飞秒激光器。

2、根据权利要求1所述的全固化飞秒激光器，其特征在于泵浦光源为输出中心波长在673nm、额定输出光功率350mw的单结AlGaInP半导体激光器。

3、根据权利要求1所述的全固化飞秒激光器，其特征在于平面全反镜PM在波长830nm附近高反射。

4、根据权利要求1所述的全固化飞秒激光器，其特征在于球面反射镜M1、M2、M3、M4在波长673nm附近高透射，在波长830nm附近高反射，曲率半径为10cm。

5、根据权利要求1所述的全固化飞秒激光器，其特征在于输出耦合镜的输出耦合为1.5％。

6、根据权利要求1所述的全固化飞秒激光器，其特征在于臂L1，L2长为0.8m，臂L长为1.6m，M1，M2相距为0.103m，M3，M4相距为0.103m，球面反射镜的折叠角为6度。

7、根据权利要求1所述的全固化飞秒激光器，其特征在于激光晶体为布儒斯特角入射的Cr:LiSAF晶体，掺杂浓度为1.5％，晶体长度5mm。

8、根据权利要求1所述的全固化飞秒激光器，其特征在于在锁模状态下输出脉冲时，将平面全反镜PM换为半导体饱和吸收镜。