CN204067845U - 488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器。用于输出克尔透镜锁模的激光，包括：用于提供泵浦激光的泵浦源，泵浦源为输出波长为488nm的光纤激光器；由多个光学元件限定的谐振腔，用于提供一往返光路，以在谐振腔内形成振荡激光；用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体，其设置在谐振腔内。当采用上述泵浦源时，只需较低的泵浦功率运行，就实现了钛宝石激光器克尔透镜锁模，同时产生了脉宽小于10fs的稳定锁模激光脉冲，而且赋予了钛宝石激光器低损耗。该泵浦源可靠性高，对伺服系统要求低，获得的钛宝石激光器在结构上更加紧凑，价格上更低廉，噪声更低，大大推动了钛宝石激光器的应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及一种488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器。
背景技术
1991年Spence等人首次实现了钛宝石飞秒振荡器的克尔透镜锁模，其锁模脉冲宽度为60fs，自此至今，超短脉冲的钛宝石振荡器已经经过了长期的发展和改进，钛宝石也成为了应用最为广泛的中红外晶体。
到目前为止，已经有多种不同类型的泵浦源被用来尝试泵浦钛宝石：
(1)氩离子激光器作为较早泵浦钛宝石的泵浦源，具有泵浦功率大等优势，然而较低的转化效率限制了其广泛应用，自2000年后就很少再有氩离子激光器泵浦钛宝石的相关报道了。
(2)全固态绿光激光器(输出波长为532nm或者515nm)作为现在最广泛应用的泵浦源，在光束质量、强度噪声及输出线宽方面有着较大的优势。但其复杂的伺服系统导致全固态绿光激光器成本昂贵，而且其输出波长也不是钛宝石的吸收峰值(吸收峰为488nm)。
(3)最近出现的LD激光器作为泵浦源可以极大地降低成本，但是其光束质量、输出波长及输出线宽等方面还有待优化。
此外，现有的用于克尔透镜锁模钛宝石激光器的泵浦源，其功率较高，一般为5W以上，由于功率高，可能会导致多脉冲现象，进而导致脉冲的对比度降低，锁模的稳定性变差等。
将上述泵浦源用于钛宝石激光器中时存在着功率高、成本高以及光束质量差等问题，因此，目前迫切需要出现一种能够使得钛宝石激光器实现稳定克尔透镜锁模且功率低、成本低的泵浦源。
实用新型内容
本实用新型的目的旨在提供一种488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，采用488nm光纤激光器作为泵浦源，能够产生脉宽小于10fs的稳定克尔透镜锁模的激光脉冲。
为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，用于输出克尔透镜锁模的激光，包括：用于提供泵浦激光的泵浦源，泵浦源为输出波长为488nm的光纤激光器；由多个光学元件限定的谐振腔，用于提供一往返光路，以在谐振腔内形成振荡激光；用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体，其设置在谐振腔内。
进一步地，泵浦源的输出线宽≤1MHz。
进一步地，泵浦源的光束质量因子M2≤1.1，功率抖动≤1％。
进一步地，谐振腔具有：设置在往返光路的第一端部处的用于反射振荡激光的第一平面啁啾镜；设置在往返光路的第二端部处的用于部分反射和部分透射振荡激光的第二平面镜；以及沿往返光路设置在第一平面啁啾镜和第二平面镜之间的第一凹面啁啾镜、第二凹面啁啾镜和第三平面啁啾镜；其中，泵浦源发出的泵浦激光透过第一凹面啁啾镜后入射到钛宝石激光晶体上，产生的振荡激光入射到第二凹面啁啾镜上，并被第二凹面啁啾镜和第三平面啁啾镜依次反射后入射到第一平面啁啾镜上；第一平面啁啾镜将振荡激光原路返回，到达第一凹面啁啾镜，并被第一凹面啁啾镜反射至第二平面镜上，一部分振荡激光被第二平面镜反射回谐振腔，另一部分振荡激光透过第二平面镜输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。
进一步地，钛宝石激光晶体相对于泵浦激光以布儒斯特角设置。
进一步地，第一凹面啁啾镜与第二凹面啁啾镜的曲率半径≤50mm。
进一步地，第一凹面啁啾镜面向泵浦源的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第一凹面啁啾镜面向谐振腔的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。
进一步地，第二凹面啁啾镜背向泵浦源的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第二凹面啁啾镜面向谐振腔的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。
进一步地，第二平面镜面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为3％的介质膜；第二平面镜背向谐振腔内的一面镀有对振荡激光增透的介质膜。
应用本实用新型的技术方案，当采用输出波长为488nm的光纤激光器作为泵浦源时，实用新型人惊奇地发现，只需要较低的泵浦功率(2W)运行，就能够实现钛宝石激光器克尔透镜锁模，并同时产生了脉宽小于10fs的稳定锁模激光脉冲，而且该泵浦源赋予了488nm蓝光波长泵浦的钛宝石激光器低损耗。
经分析原因，可能是由于输出波长为488nm的光纤激光器综合了光束质量好、强度噪声低、输出线宽窄的优点，并且本实用新型所提高的泵浦源的输出波长488nm恰好在钛宝石晶体的吸收峰附近。此外，输出波长为488nm的光纤激光器具有可靠性高，对伺服系统要求低的优势，使得钛宝石飞秒激光器在结构上更加紧凑，价格上更低廉，噪声更低，大大推动了钛宝石激光器在科技、工业等领域的应用。
由于488nm光纤激光器的上述综合优势，尤其是其输出波长处于钛宝石吸收峰附近，该泵浦源使得泵浦低阈值的克尔透镜锁模的钛宝石激光器成为可能。随着光纤激光器的发展，我们相信488nm的光纤激光器将会是取代现有的全固态激光器的最佳选择。
根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1为根据本实用新型一种典型实施例的克尔透镜锁模激光器的光路结构示意图；
图2为根据本实用新型一种实施例的克尔透镜锁模激光器用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号；以及
图3为根据本实用新型一种实施例的克尔透镜锁模激光器用光谱仪测得的输出光谱信号。
具体实施方式
为了解决现有技术中由于泵浦源成本高、泵浦运行功率高、光束质量差导致的钛宝石激光器性能差且转换效率低的问题，本实用新型提供了一种488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，用于输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。如图1所示，在本实用新型的一个典型实施例中，钛宝石激光器包括用于提供泵浦激光的泵浦源10、由多个光学元件限定的谐振腔30以及用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体20。
其中，泵浦源为输出波长为488nm的光纤激光器。输出波长为488nm的光纤激光器具有光束质量好、强度噪声低、输出线宽窄的优势，并且488nm输出波长恰好在钛宝石晶体的吸收峰附近，能够产生脉宽小于10fs的稳定锁模激光脉冲。多个光学元件布置成能够与泵浦源10和钛宝石激光晶体20一起以克尔透镜锁模机制工作。谐振腔30用于提供一往返光路，以在其内形成振荡激光。用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体20设置在谐振腔30内，优选地，钛宝石激光晶体20相对于泵浦激光以布儒斯特角放置，该放置方式能够减少输出光腔内损耗，
在本实用新型的一种典型实施例中，泵浦源10的输出线宽小于1MHz。该范围线宽的泵浦源10具有光束质量好、功率稳定性和可靠性高等优势。优选地，泵浦源的光束质量因子M2小于1.1，功率抖动小于1％。采用本实用新型的泵浦源10能够在较低的功率下产生脉宽小于10fs的稳定锁模激光脉冲，而且赋予了488nm蓝光波长泵浦的钛宝石激光器低损耗(如试验中，激光晶体20的长度为3mm、α532＝7cm-1的钛宝石激光器泵浦光的吸收率高达92％)
在本实用新型的一个典型实施例中，谐振腔30具有第一平面啁啾镜31、第二平面镜32以及沿往返光路设置在第一平面啁啾镜31和第二平面镜32之间的第一凹面啁啾镜33、第二凹面啁啾镜34和第三平面啁啾镜35。其中，第一平面啁啾镜31设置在往返光路的第一端部处用于反射振荡激光。第二平面镜32作为输出镜，设置在往返光路的第二端部处，其除了具有输出少量透过光的作用外，还可以将振荡激光不停地反射回谐振腔30内，即用于部分反射和部分透射振荡激光。
如图1所示，泵浦源10发出的泵浦激光透过第一凹面啁啾镜33后入射到钛宝石激光晶体20上，经振荡产生的振荡激光入射到第二凹面啁啾镜34上，并被第二凹面啁啾镜34和第三平面啁啾镜35依次反射后入射到第一平面啁啾镜31上。第一平面啁啾镜31将振荡激光原路返回，到达第一凹面啁啾镜33，并被第一凹面啁啾镜33反射至第二平面镜32上，一部分振荡激光被第二平面镜32上反射回谐振腔30，另一部分振荡激光透过第二平面镜32输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。
第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34分别相对地设置在钛宝石激光晶体20的两侧。优选地，第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34之间的距离为50～60mm。采用啁啾镜主要是考虑到色散补偿的问题，第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34均提供-70fs2的负色散。第一平面啁啾镜31和第三平面啁啾镜35用来补偿谐振腔30内空气以及激光晶体引入的正常色散，每片平面啁啾镜提供-50fs2的负色散。泵浦激光经过两面凹面啁啾镜和两面平面啁啾镜补偿色散量后，腔内总的色散量为负值。
在本实用新型的一个优选实施例中，第一凹面啁啾镜33与第二凹面啁啾镜34的曲率半径R≤50mm。其中，曲率半径的大小主要影响到激光晶体中心聚集光斑大小，进而影响晶体的克尔透镜效应的强弱。两个凹面啁啾镜的曲率半径在上述数值范围内，聚焦光斑小且空间紧凑，即为紧聚焦的腔型设计结构，该结构保证了振荡激光在钛宝石激光晶体20的中心处足够小，能够减小振荡激光在钛宝石晶体上的束腰大小，保证钛宝石激光晶体20上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，增加了腔内的功率密度，增强了克尔透镜效应，有利于克尔透镜锁模的形成以及低泵浦功率的运行。进一步优选地，第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34的曲率半径R＝50mm。
为了增强反射和透射的效果，在本实用新型的一种优选实施例中，第二平面镜32面向谐振腔30内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为3％的介质膜，其背向谐振腔30内的一面镀有对振荡激光增透的介质膜。本实用新型采用透过率为0.4％的增透介质膜，主要目的是减小振荡激光的透过率，使得振荡激光能够在谐振腔30内多次反射振荡，进而增强谐振腔30内的功率密度，提高激光晶体20的克尔透镜效应，有利于实现克尔透镜锁模。振荡激光的波长为670～1050nm。采用本实用新型的泵浦源，当第二平面镜32的输出率为0.5％时，钛宝石激光器中锁模阈值的最低值可达280mW。
本实用新型对钛宝石激光晶体20的形状没有特殊限制，只要能够满足足够的增益长度(3mm)即可。如可以为圆柱体、长方体、正方体等。在一个优选实施例中，钛宝石激光晶体20的尺寸为3mm×3mm×2.9mm。
在本实用新型的一个优选实施例中，第一凹面啁啾镜33面向泵浦源10的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第一凹面啁啾镜33面向谐振腔30的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。同理，第二凹面啁啾镜34背向泵浦源10的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第二凹面啁啾镜34面向谐振腔30的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。
下面结合图1具体说明泵浦激光在钛宝石激光器中的振荡过程。从光纤激光器发出波长为488nm的泵浦激光(输出功率为2W)，经过一个光学耦合聚焦单元(用于将来自泵浦源10的泵浦激光聚焦于激光晶体上)聚焦，聚焦后的光斑直径约为20μm，聚焦长度为50mm。聚焦后的泵浦激光经第一凹面啁啾镜33后入射到钛宝石激光晶体20上。激光晶体20为α532＝7cm-1、FOM(Figure of merit，品质因数)>100的Ti：Sapphire(Ti：Sapphire，掺钛蓝宝石，简称钛宝石)晶体，规格为3mm×3mm×2.9mm。为了避免由于热积累导致输出激光的稳定性变差，钛宝石激光晶体20以布儒斯特角放置在水冷铜块上。产生的振荡激光入射到第二凹面啁啾镜34上后并被第二凹面啁啾镜34和第三平面啁啾镜35依次反射，入射到位于端部的第一平面啁啾镜31上。第一平面啁啾镜31反射振荡激光并将其原路返回，到达第一凹面啁啾镜33，并被第一凹面啁啾镜33反射，最终入射到第二平面镜32上，透过第二平面镜32可输出脉宽小于10fs的稳定克尔透镜锁模的激光脉冲。第一平面啁啾镜31和第二平面镜32构成了谐振腔30的两个端镜，整个谐振腔30的长度为1.01m，对应重复频率为148MHz。用ABCD矩阵计算得到晶体上的束腰为7.6μm×10.5μm。
本实用新型所提供的钛宝石激光器可以获得输出功率为150mW的稳定连续克尔透镜锁模。图2为采用型号为FR-103MN的强度自相关仪测得的脉冲自相关信号。从图2中可以看出，在双曲脉正割型脉冲假设下，对应的脉冲宽度为8.2fs，可见，采用本实用新型所提供的钛宝石激光器能够产生脉宽小于10fs的稳定锁模激光脉冲。利用光谱仪测得的光谱如图3所示。从图3中可以看出，其中心波长为800nm，光谱全宽约400nm，经过傅里叶变换计算，该光谱宽度可以支持脉冲宽度为亚10fs的锁模脉冲。
可见，本实用新型具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧，适于重复生产和组装，适于批量化生产，具有成本低、激光单向输出、高重复频率、亚10fs量级的脉冲宽度、低阈值等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (9)
1.一种488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，用于输出克尔透镜锁模的激光，其特征在于，包括：
用于提供泵浦激光的泵浦源(10)，所述泵浦源(10)为输出波长为488nm的光纤激光器；
由多个光学元件限定的谐振腔(30)，用于提供一往返光路，以在所述谐振腔(30)内形成振荡激光；
用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体(20)，其设置在所述谐振腔(30)内。
2.根据权利要求1所述的钛宝石激光器，其中，所述泵浦源(10)的输出线宽≤1MHz。
3.根据权利要求1所述的钛宝石激光器，其特征在于，所述泵浦源的光束质量因子M2≤1.1，功率抖动≤1％。
4.根据权利要求1所述的钛宝石激光器，其特征在于，所述谐振腔(30)具有：
设置在所述往返光路的第一端部处的用于反射所述振荡激光的第一平面啁啾镜(31)；
设置在所述往返光路的第二端部处的用于部分反射和部分透射所述振荡激光的第二平面镜(32)；以及
沿所述往返光路设置在所述第一平面啁啾镜(31)和所述第二平面镜(32)之间的第一凹面啁啾镜(33)、第二凹面啁啾镜(34)和第三平面啁啾镜(35)；
其中，所述泵浦源(10)发出的所述泵浦激光透过所述第一凹面啁啾镜(33)后入射到所述钛宝石激光晶体(20)上，产生的所述振荡激光入射到所述第二凹面啁啾镜(34)上，并被所述第二凹面啁啾镜(34)和所述第三平面啁啾镜(35)依次反射后入射到所述第一平面啁啾镜(31)上；所述第一平面啁啾镜(31)将所述振荡激光原路返回，到达所述第一凹面啁啾镜(33)，并被所述第一凹面啁啾镜(33)反射至所述第二平面镜(32)上，一部分所述振荡激光被所述第二平面镜(32)反射回所述谐振腔(30)，另一部分所述振荡激光透过所述第二平面镜(32)输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。
5.根据权利要求1所述的钛宝石激光器，其特征在于，所述钛宝石激光晶体(20)相对于所述泵浦激光以布儒斯特角设置。
6.根据权利要求4所述的钛宝石激光器，其特征在于，所述第一凹面啁啾镜(33)与所述第二凹面啁啾镜(34)的曲率半径≤50mm。
7.根据权利要求4所述的钛宝石激光器，其特征在于，
所述第一凹面啁啾镜(33)面向所述泵浦源(10)的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；
所述第一凹面啁啾镜(33)面向所述谐振腔(30)的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。
8.根据权利要求4所述的钛宝石激光器，其特征在于，所述第二凹面啁啾镜(34)背向所述泵浦源(10)的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；
所述第二凹面啁啾镜(34)面向所述谐振腔(30)的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。
9.根据权利要求4所述的钛宝石激光器，其特征在于，所述第二平面镜(32)面向所述谐振腔(30)内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为3％的介质膜；
所述第二平面镜(32)背向所述谐振腔(30)内的一面镀有对振荡激光增透的介质膜。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104201548A (zh) * | 2014-08-12 | 2014-12-10 | 中国科学院物理研究所 | 488nm激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20141231 |
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