CN104659648A - 掺钕硅酸镓镧自倍频超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种掺钕硅酸镓镧自倍频超短脉冲激光器。所述自倍频超短脉冲激光器，用于直接输出基频和倍频激光，包括同时作为所述激光器的增益介质和倍频晶体的激光自倍频晶体，所述激光自倍频晶体为Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体。本发明的激光器具有很好的可操作性与稳定性，结构紧凑小巧、***简单、成本较低、基频与自倍频超短脉冲激光输出、高重复频率、皮秒量级的脉冲宽度以及高光束质量等优点，可广泛应用于显示、医疗、信息传输、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。

Description

掺钕硅酸镓镧自倍频超短脉冲激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种掺钕硅酸镓镧自倍频超短脉冲激光器。

背景技术

硅酸镓镧（La₃Ga₅SiO₁₄，简写为LGS）晶体是一种多功能材料，其良好的压电特性、电光特性以及电介质特性已经得到了广泛的应用。作为压电材料，由于其巨大的应用潜力，已成为世界各国的研究热点，其中在声学表面波的应用中，它是为数不多能同时满足多项技术要求的晶体；作为电光材料，其作为电光Q开关在激光器中已经得到广泛应用；作为电介质材料，其优良的特性也引起了广泛关注与研究。在作为激光增益介质方面，钕（Nd）离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体目前已成功实现了连续和调Q脉冲运转。因此，充分挖掘该晶体所具备的功能特性与应用前景具有很重要的意义与价值。

全固态超短脉冲激光是通过锁模技术获得的脉冲持续时间小于皮秒量级(10^-12)超短脉冲激光，它在国防、工业、医疗、以及科研等领域有着极为广泛的应用价值。其中具有高光束质量的稳定可靠的皮秒振荡器可以成为大功率全固态皮秒激光放大器的种子源，是广泛应用的基础。通过倍频效应而产生的红蓝绿超短脉冲激光更是在激光显示与激光成像等领域具有极为重要的意义。

一般而言，一台激光器往往输出一种特定波长的激光。目前，扩展激光波长范围最常用的办法是使用非线性光学晶体，利用位相匹配技术，通过倍频、和频、差频和参量等效益实现。近年来，也有利用拉曼位移晶体，将激光变换至某些特定波段。这些方法丰富了激光波长，以满足不同方面的需求。激光自倍频晶体（Self-frequency doubling crystal，简称SFD晶体）是一类同时具有激光和非线性效应的复合功能晶体。以激光自倍频晶体制作的全固态激光器具有体积小，调整方便，稳定性高等优点。

在激光技术领域，通过饱和吸收体(SESAM)实现的被动锁模是获得增益介质超短脉冲振荡器的最主要手段。由于SESAM类似于一个反射镜，用做被动锁模元件时，只能是谐振腔的一个端镜。因此在使用SESAM作为锁模器件的同时，获得单向输出的方法是用晶体作为输出端，这也是目前商用激光器的通常做法。但是，考虑到高功率泵浦时，激光晶体存在热透镜效应，因此用晶体作为输出端的激光器的光束质量不够好，具有较大的发散角。

发明内容

La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为激光增益介质被广泛使用。本申请的发明人在研究中发现，Nd掺杂La₃Ga₅SiO₁₄晶体具有倍频效应，可以作为倍频元件在光倍频过程中使用。由于其既可以作为激光增益介质，又可以作为倍频晶体，可以作为自倍频超短脉冲激光器的激光自倍频晶体。利用其具有倍频效应的特点，本发明的一个目的是要提供一种倍频元件。本发明的另一个目的是要提供Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为倍频晶体在光倍频过程中的应用。利用其具有激光自倍频效应的特点，本发明的再一个目的是要提供一种激光自倍频元件。本发明的又一个目的是提供Nd掺杂La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为激光自倍频晶体在自倍频超短脉冲激光器中的应用。本发明的还一个目的在于提供一种利用Nd掺杂La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为激光自倍频晶体的自倍频超短脉冲激光器。

为了实现本发明的一个目的，本发明提供了一种倍频元件，由Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体形成。

为了实现本发明的另一个目的，本发明提供了Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为倍频晶体在光倍频过程中的应用。

为了实现本发明的又一个目的，本发明提供了一种激光自倍频元件，由Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体形成。

为了实现本发明的再一个目的，本发明提供了Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为激光自倍频晶体在自倍频超短脉冲激光器中的应用。

为了实现本发明的还一个目的，本发明提供了一种自倍频超短脉冲激光器，用于直接输出基频和倍频激光，包括同时作为所述激光器的增益介质和倍频晶体的激光自倍频晶体，其中，所述激光自倍频晶体为Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体。

在一种实施方式中，本发明的激光器还可以包括：

泵浦源，用于提供泵浦激光；可选地，所述泵浦源为半导体激光器；

激光谐振腔，用于获得振荡激光，其中，所述激光自倍频晶体设置在所述激光谐振腔内；以及

光学聚焦***，设置在所述泵浦源和所述激光谐振腔之间，用于将泵浦激光成像聚焦到所述激光自倍频晶体上。

在一种实施方式中，所述激光谐振腔沿光路可以依次包括平面输出镜、第一平凹镜、第二平凹镜、第三平凹镜以及半导体可饱和吸收镜，所述第一平凹镜和所述第二平凹镜曲率相同，凹面相对且共焦设置，所述激光自倍频晶体设置在所述第一平凹镜和所述第二平凹镜的焦点处；所述平面输出镜和所述半导体可饱和吸收镜作为所述激光谐振腔的两个端镜。

在一种实施方式中，所述第一平凹镜和所述第二平凹镜的光轴之间可以具有大于0度且小于10度的小角度夹角。

在一种实施方式中，所述第一平凹镜面向所述泵浦源的侧面可以镀有对泵浦激光增透介质膜，面向所述激光自倍频晶体的一侧可以镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜；所述激光自倍频晶体的面向所述第一平凹镜和所述第二平凹镜的两个端面分别可以镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光增透介质膜；所述第二平凹镜面向所述激光自倍频晶体的一侧可以镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜；所述第三平凹镜面向所述第二平凹镜和所述半导体可饱和吸收镜的一侧可以镀有对振荡激光高反介质膜；所述平面输出镜面向所述第一平凹镜的一侧可以镀有对振荡激光高反介质膜，另一侧可以镀有对振荡激光增透介质膜。

在一种实施方式中，所述激光自倍频晶体的工作温度可以为10-18℃。

在一种实施方式中，所述激光自倍频晶体可以为掺杂浓度1%at的Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体。

本申请的发明人首次发现La₃Ga₅SiO₁₄晶体掺杂钕离子后，作为一种激光晶体，具有激光自倍频效应，并且以此为基础获得了全固态超短脉冲自倍频激光器。与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

1）本发明采用Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄作为增益介质，通过SESAM的被动锁模，输出超短脉冲基频激光，同时无需在腔内或者腔外加入倍频晶体即可实现其自倍频超短脉冲激光直接输出。

2）本发明用于被动锁模的元件SESAM以及第三凹面镜不需要微调即可实现稳定的连续锁模。打开泵浦激光器电源以及增加功率即可实现锁模运转。

3）本发明的激光器使用平面镜作为输出端，相比晶体输出端，不会在高功率时因发热而影响稳定性。

4）本发明的激光器为全固态激光器，泵浦激光可以为体积小的半导体激光器；其次，本发明采用自倍频晶体输出倍频激光，腔内或者腔外无需加入倍频晶体；再者，本发明谐振腔使用元件数量少，谐振腔总长度较短，振荡器的尺寸较为小巧紧凑。

5）本发明采用的自倍频超短脉冲激光技术，使得谐振腔直接输出皮秒自倍频激光。同时所用激光自倍频晶体为多功能材料，具有很好的交叉应用潜力。在医疗、激光显示与成像、信息传输等领域具有广泛的应用前景。

6）本发明的激光器具有很好的可操作性与稳定性，结构紧凑小巧、***简单、成本较低、基频与自倍频超短脉冲激光输出、高重复频率、皮秒量级的脉冲宽度以及高光束质量等优点。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明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发明的一些具体实施例。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是根据本发明一个实施例的自倍频超短脉冲激光器的示意性光路图；

图2是本发明一个实施例的自倍频超短脉冲激光器输出的倍频激光CCD图像；

图3是本发明一个实施例的自倍频超短脉冲激光器用光谱仪测得的光谱图；

图4a和4b分别是本发明一个实施例的自倍频超短脉冲激光器测得的稳定锁模输出的基频和倍频脉冲序列；

图5是本发明一个实施例的自倍频超短脉冲激光器用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号。

具体实施方式

本申请的发明人发现Nd掺杂La₃Ga₅SiO₁₄晶体具有激光自倍频效应，利用该性质将其应用到自倍频超短脉冲激光器中。

本发明的自倍频超短脉冲激光器，采用Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体（以下简写为Nd：LGS晶体）同时作为激光器的增益介质和倍频晶体，能够同时在谐振腔中产生基频和倍频激光并稳定输出。本发明的激光器一般性地可包括泵浦源，光学聚焦***，以及激光谐振腔，Nd：LGS晶体设置在激光谐振腔中。泵浦源用于提供泵浦激光，光学聚焦***设置在泵浦源和激光谐振腔之间，用于将泵浦激光成像聚焦到Nd：LGS晶体上。激光谐振腔用于获得振荡激光，Nd：LGS晶体在泵浦激光泵浦下产生激光产生所需的必要粒子数翻转，产生基频光并将部分基频光转换为倍频光。基频光和倍频光在激光谐振腔中振荡，获得稳定的基频和倍频激光输出。

图1示出了根据本发明一个实施例的自倍频超短脉冲激光器的示意性光路图。如图1所示，激光器一般性地可包括泵浦源（图中未示出），光学聚焦***1和激光谐振腔。泵浦源可以选为半导体激光器。激光谐振腔沿光路依次包括平面输出镜7、第一平凹镜2、第二平凹镜4、第三平凹镜5以及半导体可饱和吸收镜6。第一平凹镜2和第二平凹镜4的曲率相同，其凹面相对且焦点重合地设置，组成对称共焦式结构。Nd：LGS晶体3设置在对称共焦式结构的中心（也就是第一平凹镜2和第二平凹镜4共同焦点）处。平面输出镜7和半导体可饱和吸收镜6作为激光谐振腔的两个端镜。其中，第一平凹镜2和第二平凹镜4的光轴之间具有大于0度且小于10度的小角度夹角，这样激光转换效率较高。第一平凹镜2面向泵浦源的侧面镀有对泵浦激光增透介质膜，面向Nd：LGS晶体3的一侧镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜。这里的振荡激光是指从激光谐振腔出射的基频激光和倍频激光。Nd：LGS晶体3的面向第一平凹镜2和第二平凹镜4的两个端面分别镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光增透介质膜。第二平凹镜4面向Nd：LGS晶体3的一侧镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜。第三平凹镜5面向第二平凹镜4的一侧镀有对振荡激光高反介质膜。平面输出镜7面向第一平凹镜2的一侧镀有对振荡激光高反介质膜，另一侧镀有对振荡激光增透介质膜。

当光学聚焦***1将泵浦源输出的泵浦激光聚焦在Nd：LGS晶体3上，Nd：LGS晶体3在泵浦激光泵浦下产生激光产生所需的必要粒子数翻转，因为受激辐射的作用，在Nd：LGS晶体3中产生向各个方向发射的基频光。其中，从Nd：LGS晶体3中面向第二平凹镜4的一侧出射的基频光经由第二平凹镜4被反射至第三平凹镜5，第三平凹镜5将基频光聚焦至半导体可饱和吸收镜6，又被半导体可饱和吸收镜6反射至第三平凹镜5，再由第二平凹镜4反射至Nd：LGS晶体3中，继续激励Nd：LGS晶体3产生更多的基频光。从Nd：LGS晶体3中面向第一平凹镜2的一侧出射的基频光经第一平凹镜2反射后入射至平面输出镜7，绝大部分的基频光从平面输出镜7反射经由第一平凹镜2又入射至Nd：LGS晶体3中。这样，基频光在半导体可饱和吸收镜6和平面输出镜7之间来回振荡，并实现稳定锁模，形成超短脉冲激光，并且在振荡的过程中通过Nd：LGS晶体3的倍频效应产生超短脉冲倍频激光。基频光和倍频光的光路如图1中的实线和虚线所示。除了沿光路传播的光外，其他方向的基频光很快逸出激光谐振腔外而不形成振荡。而沿光路传播的基频光和倍频光的光强在Nd：LGS晶体3中传播时则不断增加，从而可在平面输出镜7稳定地连续地输出基频光和倍频光。

Nd：LGS晶体在泵浦激光泵浦作用下，能够辐射出1314nm，1064nm和904nm的光，并在自倍频作用下分别产生657nm，532nm和452nm的超短脉冲光。下面以运转于1064nm以及自倍频532nm的SESAM被动锁模的超短脉冲Nd：LGS绿光激光器为例，描述本发明的内容。

该激光器中，泵浦源为北京凯普林公司生产的光纤耦合输出的二极管激光器，泵浦激光的中心波长为808nm，输出功率为2W，光纤芯径为50微米，数值孔径0.22。Nd：LGS晶体3的掺杂浓度为1%at，增益尺寸3×3×8mm³，其被放置在紫铜块上面的晶体夹里面冷却，其温度控制在14℃（温度可以在10-18℃之间），Nd：LGS晶体3的两端镀有双增透膜，即对泵浦激光增透介质膜(T>98%808nm)以及对振荡激光增透介质膜(T>99.8%1064nm&532nm)。光学聚焦***1将光纤输出的二极管激光器泵浦激光成像聚焦到Nd：LGS晶体3上，成像倍率为1：1，焦距为50mm，接口为SMA905标准接口，聚焦后的光斑直径约为50微米。第一平凹镜2的曲率半径R=75mm，镜片面向光学聚焦***1一侧面镀有对泵浦激光增透介质膜，透过率大于99.8%，面向Nd：LGS晶体3的一侧镀有对泵浦激光增透介质膜(T>98%808nm)以及对振荡激光高反介质膜(R>99.8%1064nm&532nm)。第二平凹镜4的曲率半径R=75mm，保证Nd：LGS晶体3上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，第二平凹镜4与第一平凹镜2的凹面相对，焦点重合，两者光轴之间的具有5度的小角度夹角。第二平凹镜4的凹面镀有对振荡激光的高反介质膜(R>99.8%1064nm&532nm)。第三平凹镜5为曲率半径为100mm的凹面反射镜，凹面镀有对振荡激光高反介质膜(R>99.8%1064nm&532nm)，用来聚焦半导体可饱和吸收镜6上的振荡光斑，使半导体可饱和吸收镜6工作在饱和状态，保证激光器的稳定锁模。半导体可饱和吸收镜6为商用的SESAM，调制深度4%，中心波长在振荡激光1064nm处，对振荡激光1064nm和532nm高反。平面输出镜7面向激光谐振腔内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为0.5%的介质膜，另一面镀有对振荡激光的增透介质膜(T>99.8%1064nm&532nm)。平面输出镜7和半导体可饱和吸收镜6构成了激光谐振腔的两个端镜。激光谐振腔的腔长为0.86m，对应重复频率173.7MHz。用ABCD矩阵计算得到Nd：LGS晶体3上的束腰为46μm，SESAM上的束腰为60μm。

在平面输出镜7后用棱镜或其他分光镜将基频激光和倍频激光分开，并采用CCD正对着倍频激光出射方向拍摄的倍频激光光斑图像如图2所示。从图2中可以看出激光光斑的光束质量较好。采用光谱仪获得倍频光的光谱图如图3所示，在532nm处有强度很高的脉冲峰值，这直接证实了本发明的激光器能够输出倍频光脉冲。

在平面输出镜7后用棱镜或其他分光镜将基频激光和倍频激光分开，采用光电探头分别探测基频激光和倍频激光的输出激光脉冲，得到如图4a和4b所示的脉冲序列。其中，图4a和4b中下图的横坐标的最小刻度为微秒，上图的横坐标的最小刻度为纳秒（相当于下图的最小刻度的长度放大10⁶倍）。从图4a的下图可知，该基频激光强度在长时间范围内几乎没有波动，稳定性很好。从图4a的上图可以看到较清晰的序列图，证明被动锁模的基频激光比较稳定。类似地，从图4b的上下图可知输出的倍频激光也很稳定。并且基频激光和倍频激光的序列图中重复频率一致，进一步证明了超短脉冲倍频激光器确实同时产生了基频激光和倍频激光。

采用强度自相关仪（商用测量仪器）获得的激光自相关信号如图5所示。从该信号中可以得到基频激光脉冲的宽度（半峰全宽）为11皮秒，证明获得激光为超短脉冲激光。

在本发明中，若需要获得运转于1314nm以及自倍频657nm的SESAM被动锁模的超短脉冲Nd:LGS红光激光器，只需将对振荡激光高反介质膜和对振荡激光的增透介质膜的对应波长设置为1314nm和657nm即可。

若需要获得运转于904nm以及自倍频452nm的SESAM被动锁模的超短脉冲Nd:LGS蓝光激光器，只需将对振荡激光高反介质膜和对振荡激光的增透介质膜的对应波长设置为904nm和452nm即可。

本领域技术人员可以理解，除了图1中示出的激光谐振腔外，本发明的激光器还可以采用包含Nd:LGS激光自倍频晶体的不同类型的激光谐振腔。

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发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明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 (10)

1.一种倍频元件，由Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体形成。

2.Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为倍频晶体在光倍频过程中的应用。

3.一种激光自倍频元件，由Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体形成。

4.Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体作为激光自倍频晶体在自倍频超短脉冲激光器中的应用。

5.一种自倍频超短脉冲激光器，用于直接输出基频和倍频激光，包括同时作为所述激光器的增益介质和倍频晶体的激光自倍频晶体，其特征在于，所述激光自倍频晶体为Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体。

6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于，还包括：

泵浦源，用于提供泵浦激光；可选地，所述泵浦源为半导体激光器；

激光谐振腔，用于获得振荡激光，其中，所述激光自倍频晶体设置在所述激光谐振腔内；以及

光学聚焦***，设置在所述泵浦源和所述激光谐振腔之间，用于将泵浦激光成像聚焦到所述激光自倍频晶体上。

7.根据权利要求5或6所述的激光器，其特征在于，所述激光谐振腔沿光路依次包括平面输出镜、第一平凹镜、第二平凹镜、第三平凹镜以及半导体可饱和吸收镜，所述第一平凹镜和所述第二平凹镜曲率相同，凹面相对且共焦设置，所述激光自倍频晶体设置在所述第一平凹镜和所述第二平凹镜的焦点处；所述平面输出镜和所述半导体可饱和吸收镜作为所述激光谐振腔的两个端镜。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，

所述第一平凹镜面向所述泵浦源的侧面镀有对泵浦激光增透介质膜，面向所述激光自倍频晶体的一侧镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜；

所述激光自倍频晶体的面向所述第一平凹镜和所述第二平凹镜的两个端面分别镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光增透介质膜；

所述第二平凹镜面向所述激光自倍频晶体的一侧镀有对泵浦激光增透介质膜以及对振荡激光高反介质膜；

所述第三平凹镜面向所述第二平凹镜和所述半导体可饱和吸收镜的一侧镀有对振荡激光高反介质膜；

所述平面输出镜面向所述第一平凹镜的一侧镀有对振荡激光高反介质膜，另一侧镀有对振荡激光增透介质膜。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光自倍频晶体的工作温度为10-18℃。

10.根据权利要求5-9中任一项所述的激光器，其特征在于，所述激光自倍频晶体为掺杂浓度1%at的Nd离子掺杂的La₃Ga₅SiO₁₄晶体。