CN104953455A - 克尔透镜锁模的固态薄片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种克尔透镜锁模的固态薄片激光器，用于输出经锁模的激光，包括：泵浦源，用于提供泵浦激光；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；用作增益介质的片状结构激光晶体和相对于振荡激光以布儒斯特角布置的克尔透镜，均设置在谐振腔内的往返光路中；激光晶体面向泵浦源的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高透的介质膜，激光晶体背向泵浦源的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高反的介质膜；片状结构激光晶体的厚度为100～400μm。本发明采用厚度较小的薄片状Yb:YAG激光晶体，较好地解决了激光晶体的散热问题，进而实现了高功率的稳定锁模激光脉冲输出，同时保证了输出激光的光束质量。

Description

克尔透镜锁模的固态薄片激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种克尔透镜锁模的固态薄片激光器。

背景技术

激光二级管泵浦的全固态薄片激光器具有结构紧凑，效率高，稳定性好等优点，是目前激光器研究的热点之一。目前的固体激光器大多采用半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模方式。SESAM被动锁模受限于SESAM本身的带宽及色散等因素，不仅使得产生的激光脉冲宽度很难达到优于100fs的水平，而且本身易损坏，制约着该激光的使用寿命及长期稳定性。

而克尔透镜锁模是一种不受限于本身带宽的被动锁模方式，克尔透镜锁模法能够直接产生亚100fs脉冲输出。所谓的克尔透镜锁模是指谐振腔内不需要任何锁模元件，仅利用增益介质本身的克尔效应作为可饱和吸收体，在一定结构下即可实现稳定的自锁模运转。

现有的克尔透镜锁模的固体激光器存在着一些问题，如输出功率仅为100mW的数量级，低功率的克尔透镜锁模固体激光器严重制约着其发展。因此，如何寻找一种能够输出高功率的稳定锁模激光脉冲成为目前克尔透镜锁模的激光器所亟需解决的问题。

发明内容

现有的克尔透镜锁模的固体激光器输出功率低的一个主要原因可能是由于固体激光晶体的结构所导致的。如现有激光晶体一般是厚度较大的块状结构，如长方体和立方体，这些块状结构的激光器导致其散热不均匀，存在热透镜和热应力等效应。其中，热透镜效应的存在，不仅限制了激光器的输出功率，而且还导致了输出激光光束质量的下降。除此之外，晶体内部存在的热应力还会损坏晶体。因此，本申请的发明人认为热效应的存在成为限制固体激光器向高功率方向发展的重要因素。

为了解决上述问题，本发明提供了一种克尔透镜锁模的固态薄片激光器，能够输出高功率的稳定锁模激光脉冲。

根据本发明的一个方面，提供了一种克尔透镜锁模的固态薄片激光器，用于输出经锁模的激光，包括：泵浦源，用于提供泵浦激光；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；用作增益介质的片状结构激光晶体和相对于振荡激光以布儒斯特角布置的克尔介质，均设置在位于谐振腔内的往返光路中；激光晶体面向泵浦源的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高透的介质膜，激光晶体背向泵浦源的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高反的介质膜；其中，片状结构激光晶体的厚度为100～400μm。

进一步地，片状结构激光晶体的厚度为200～230μm，优选为220μm。

进一步地，片状结构激光晶体是由Yb:YAG材料形成的。

进一步地，片状结构激光晶体呈圆形或椭圆形；优选地，片状结构激光晶体为厚度220μm和直径9mm的圆形Yb:YAG激光晶体(20)。

进一步地，克尔透镜锁模的固态薄片激光器还包括用于将泵浦源发出的泵浦激光聚焦到片状结构激光晶体上的泵浦模块。

进一步地，谐振腔具有设置在往返光路的第一端部处用于反射激光的第一端镜；第二端镜，设置在往返光路的第二端部处用作输出镜，用于部分反射和部分透射所述激光；第一高色散镜，用作补偿激光晶体和克尔介质所引入的非线性相移。

进一步地，谐振腔还具有沿往返光路设置在第一端镜和第二端镜之间的第一凹面镜和第二凹面镜；并且布置成使得泵浦源发出的泵浦激光经过泵浦模块聚焦到片状结构激光晶体上，产生的增益激光起振后入射到第一高色散镜上，并被第一高色散镜反射至第一端镜，第一端镜将激光原路返回，到达第一凹面镜，并被第一凹面镜反射后透过克尔介质入射到第二凹面镜上，最终被第二凹面镜反射到第二端镜上，透过第二端镜输出经锁模的高功率稳定激光脉冲。

进一步地，第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一面镀有对振荡激光高反的介质膜。

进一步地，第二端镜为平面输出镜。

进一步地，第二端镜面向谐振腔的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为2.5％的介质膜；第二端镜背向谐振腔的一面镀有对振荡激光增透的介质膜。

本发明的有益效果：本发明所提出的克尔透镜锁模的Yb:YAG薄片激光器，由于采用厚度较小的薄片状Yb:YAG激光晶体代替传统中厚度较大的长方体或立方体结构的激光晶体，较好地解决了激光晶体的散热问题。究其原因，本发明所提供的薄片结构的激光器由于增益介质激光晶体的厚度介于100～400μm之间，增益截面远大于介质厚度，因而使得薄片结构的激光器可以承受较高的泵浦功率密度，同时增益介质的温度不会有太大的变化。在纵向泵浦模式下，薄片结构的热梯度近似是一维的，热梯度的方向垂直于介质表面，产生的热量可以被水冷带走，因此可以最大程度地避免热透镜、热畸变和热致双折射等效应。因此，薄片结构的激光器可以实现高功率的激光输出，同时可以保证输出激光的光束质量。尤其是采用薄片Yb:YAG激光晶体时，实现了高功率的克尔透镜锁模输出，输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为250fs，最大平均功率为10.7W，重复频率为82.45MHz，中心波长为1030nm。

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为根据本发明一种典型实施例的克尔透镜锁模的固态薄片激光器的光路结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的克尔透镜锁模的固态薄片激光器得到的稳定锁模输出的脉冲信号；

图3为根据本发明一种实施例的克尔透镜锁模的固体激光器用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号；

图4为根据本发明一种实施例的克尔透镜锁模的固体激光器用光谱仪测得的输出光谱信号；以及

图5为根据本发明一种实施例的克尔透镜锁模的固体激光器用频谱分析仪测得的频谱图。

具体实施方式

为了解决现有技术中克尔透镜锁模的固态薄片激光器输出功率低的问题，使其能够产生高功率的稳定锁模激光脉冲，本发明提供了一种克尔透镜锁模的固态薄片激光器，用于输出经锁模的激光。图1为克尔透镜锁模的固态薄片激光器的光路结构示意图。从图1中可以看出，克尔透镜锁模的固态薄片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21、用作增益介质的片状结构激光晶体20和相对于泵浦激光以布儒斯特角布置的克尔介质50。其中，谐振腔21用于提供一往返光路以在谐振腔21内形成振荡激光。激光晶体20和克尔介质50均设置在位于谐振腔21内的往返光路中。

在本发明的一个实施例中，克尔透镜锁模的固态薄片激光器还包括用于将泵浦源10发出的泵浦激光聚焦到激光晶体20上的泵浦模块90。从图1中可以看出，泵浦模块90由屋脊棱镜和抛物面镜组成。经过准直镜***后的泵浦激光通过抛物面镜聚焦到激光晶体20上，通过激光晶体20和屋脊棱镜的反射，达到泵浦激光24次通过激光晶体20的目的。

本发明所提供的片状结构激光晶体20的厚度被限制在100～400μm。当激光晶体20的厚度在此范围内时，增益截面远大于介质厚度，使得薄片结构的激光器可以承受较高的泵浦功率密度，同时增益介质的温度不会有太大的变化。优选地，片状结构激光晶体20的厚度为200～230μm。较优选地，片状结构激光晶体20的厚度为220μm。片状结构激光晶体20可以为圆形或椭圆形以及其他薄片状结构。

为了提高激光晶体对泵浦激光的吸收效率，在片状结构激光晶体20面向泵浦源10的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高透的介质膜，在片状结构激光晶体20背向泵浦源10的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高反的介质膜。本发明通过在片状结构激光晶体20的前后两面镀上高透和高反介质膜，并与泵浦模块结合使用，从而使激光晶体对泵浦激光的吸收效率可以达到80％。

具体地，谐振腔21具有第一端镜30(或者说第二高色散镜)、第二端镜40和第一高色散镜80。第一高色散镜80和第一端镜30可以用作补偿激光晶体20和克尔介质50所引入的非线性相移。本发明所提供的固态薄片激光器经高色散镜补偿色散后，腔内总的色散量为负值。第一端镜30设置在往返光路的第一端部处用于反射激光。第二端镜40为平面输出镜，其设置在往返光路的第二端部处，用于部分反射和部分透射激光。谐振腔21还具有沿往返光路设置在第一端镜30和第二端镜40之间的第一凹面镜60和第二凹面镜70，并且第一凹面镜60和第二凹面镜70构成紧聚焦结构。优选地，在第一凹面镜60和第二凹面镜70面向谐振腔21的一面镀有对振荡激光增反的介质膜。

下面结合图1的具体实施例来说明克尔透镜锁模的固态薄片激光器的振荡过程。泵浦源LD为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出波长为940nm的泵浦激光，典型输出功率为100W。从泵浦源10发出的激光经过准直镜***，通过泵浦模块90聚焦到厚度为220μm和直径为9mm的圆形薄片Yb:YAG(掺杂浓度为7at.％)激光晶体20上。该激光晶体20面向泵浦源的表面镀有对泵浦激光和振荡激光高透的介质膜，背向泵浦源的表面镀有对泵浦激光和振荡激光高反的介质膜。激光晶体20的后表面直接固定在水冷热沉上，避免由于热积累导致输出激光的稳定性变差。聚焦到增益介质激光晶体上的光斑直径约为2.3mm。由Yb:YAG激光晶体20产生的1.03μm增益激光起振后入射到第一高色散镜80上，被第一高色散镜80反射后入射到第一端镜30(也称为第二高色散镜)上，第一端镜30将激光原路返回，到达第一凹面镜60，并被第一凹面镜60反射后透过厚度为2mm的石英片FS(作为克尔介质50)入射到第二凹面镜70上，最终被第二凹面镜70反射到第二端镜40上，透过第二端镜40输出经锁模的高功率稳定激光脉冲。

在上述实施例中，第一凹面镜60和第二凹面镜70构成共焦结构，曲率半径分别为R1＝200mm，R2＝150mm，凹面镜的镜片镀有对振荡激光高反介质膜(R>99.9％)。第一端镜30和第二端镜40构成了谐振腔的两个端镜，对应重复频率为82.45MHz。石英片FS与振荡激光成布儒斯特角放置，作为克尔介质，并输出的振荡激光线偏振，且克尔介质50上的激光光斑直径约为30μm。第二端镜40为平面透镜，其面向谐振腔21的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为2.5％的介质膜，另一面镀有对振荡激光的高透介质膜(T>99.8％)。本发明采用透过率为2.5％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21内多次反射振荡，进而增强谐振腔21内的功率密度，提高片状结构激光晶体20的克尔透镜效应，有利于实现克尔透镜锁模。

采用上述实施例的激光器，获得输出功率为10.7W的稳定连续锁模，输出的飞秒脉冲的脉冲宽度为250fs，重复频率为82.45MHz，中心波长为1030nm。本发明采用Yb:YAG薄片晶体作为增益介质，薄片结构使得晶体内部积累的热能够更好地散发出去，使得输出的激光具有高功率和良好的光束质量的特性，因此相比于以往的块状固体激光器，更好地实现了高功率的克尔透镜锁模输出，同时输出的激光具有良好的高光束质量。

在上述实施例中，用光电二极管监测到的腔内稳定锁模输出的脉冲信号如图2所示，可以看出锁模处于一种稳定的状态。假设脉冲为双曲正割型时，用强度自相关仪测得的脉冲宽度信号如图3所示，脉冲宽度为250fs。其在光谱仪上所测得的光谱如图4所示，光谱宽度为4.5nm。利用商用的频谱分析仪测得的锁模频谱图如图5所示，其中，图5(a)的分辨率为1kHz，频率范围为1MHz；图5(b)的分辨率为100kHz，频率范围为1GHz。从图5中可以看出，示波器上所示脉冲序列与频谱仪测量的结果均表明本发明所提供的锁模激光器具有很好的稳定性。

可见，本发明所提供的克尔透镜锁模的固态薄片激光器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，具有批量化生产、激光单向输出、高重复频率、高输出功率、高稳定性以及高光束质量等优点，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)

1.一种克尔透镜锁模的固态薄片激光器，用于输出经锁模的激光，包括：

泵浦源(10)，用于提供泵浦激光；

由多个光学元件限定的谐振腔(21)，用于提供一往返光路，以在所述谐振腔(21)内形成振荡激光；

用作增益介质的片状结构激光晶体(20)和相对于振荡激光以布儒斯特角布置的克尔介质(50)，均设置在位于所述谐振腔(21)内的所述往返光路中；

所述薄片结构激光晶体(20)面向所述泵浦源(10)的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高透的介质膜，所述薄片结构激光晶体(20)背向所述泵浦源(10)的一面镀有对泵浦激光和振荡激光高反的介质膜；

其中，所述片状结构激光晶体(20)的厚度为100～400μm。

2.根据权利要求1所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述片状结构激光晶体(20)的厚度为200～230μm，优选为220μm。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述片状结构激光晶体(20)是由Yb:YAG材料形成的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述片状结构激光晶体(20)呈圆形或椭圆形；优选地，所述片状结构激光晶体(20)为厚度220μm和直径9mm的圆形Yb:YAG激光晶体(20)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的固态薄片激光器，其特征在于，还包括用于将泵浦源(10)发出的泵浦激光聚焦到片状结构激光晶体(20)上的泵浦模块(90)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述谐振腔(21)具有设置在所述往返光路的第一端部处且用于反射激光的第一端镜(30)；

第二端镜(40)，设置在所述往返光路的第二端部处用作输出镜，用于部分反射和部分透射所述激光；以及

第一高色散镜(80)，用作补偿所述激光晶体(20)和所述克尔介质(50)所引入的非线性相移。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述谐振腔(21)还具有沿所述往返光路设置在所述第一端镜(30)和所述第二端镜(40)之间的第一凹面镜(60)和第二凹面镜(70)；并且布置成使得所述泵浦源(10)发出的所述泵浦激光经过所述泵浦模块(90)聚焦到所述片状结构激光晶体(20)上，产生的增益激光起振后入射到所述第一高色散镜(80)上，并被所述第一高色散镜(80)反射至第一端镜(30)，所述第一端镜(30)将激光原路返回，到达所述第一凹面镜(60)，并被所述第一凹面镜(50)反射后透过克尔介质(50)入射到所述第二凹面镜(70)上，最终被所述第二凹面镜(70)反射到所述第二端镜(40)上，透过所述第二端镜(40)输出经锁模的高功率稳定激光脉冲。

8.根据权利要求7所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述第一凹面镜(60)和所述第二凹面镜(70)面向所述谐振腔(21)的一面镀有对振荡激光高反的介质膜。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述第二端镜(40)为平面输出镜。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的固态薄片激光器，其特征在于，所述第二端镜(40)面向所述谐振腔(21)的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为2.5％的介质膜；所述第二端镜(40)背向所述谐振腔(21)的一面镀有对振荡激光高透的介质膜。