CN112636146B - 一种高功率锁模碟片激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了激光器技术领域的一种高功率锁模碟片激光器，具有平均功率高，结构简单，***稳定性好等特点。碟片激光增益介质、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、输出端耦合镜构成锁模激光谐振腔，克尔介质、光阑均设置在锁模激光谐振腔内；所述克尔介质位于第一凹面反射镜和第二凹面反射镜之间，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜组成聚焦腔结构；所述泵浦源发出的泵浦光经过泵浦光整形***在碟片激光增益介质上多次往返，从而被碟片激光增益介质充分吸收；所述碟片激光增益介质产生的激光依次经第一凹面反射镜、克尔介质、第二凹面反射镜、光阑及输出端耦合镜实现激光输出。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种高功率锁模碟片激光器。
背景技术
超短脉冲激光一般是指脉冲宽度在皮秒和飞秒量级上的脉冲激光光源，具有极窄的脉冲、极宽的光谱、极高的峰值功率等特点。近年来超短脉冲激光技术的迅速发展为其它相关学科和工业领域带来了一系列革命，极大地推动了以精密计量、超快化学、生物医学、工业加工等为代表的众多学科和领域的进步。
锁模技术是目前产生超短脉冲激光最主要也是最直接有效的手段之一，它不仅可以产生稳定可靠的傅氏转换极限脉冲，而且***光光转换效率高、结构紧凑、易于集成化，同时还具备很好的频率稳定性、功率稳定性以及接近空间衍射极限的光束质量，通过锁模技术直接产生超短脉冲尤其是高功率超短脉冲具有非常重要的应用价值，一直是超快激光领域的一个热点。目前，半导体可饱和吸收镜（SESAM）锁模和克尔透镜锁模是产生超短脉冲最主要的两种锁模技术。SESAM锁模能够实现皮秒和飞秒量级激光输出，但是在高功率激光运转下容易出现调Q不稳定性，导致锁模不稳定，进而损伤SESAM；另外，SESAM元件特定的量子阱结构和材料特性造成其工作带宽有限、饱和吸收恢复时间相对较慢，在一定程度上限制了超短飞秒脉冲的产生；同时，SESAM的制备需要用分子束外延生长技术，制造工艺复杂，成本高，这为其广泛应用和参数的调整带来不便。克尔透镜锁模是利用介质的克尔自聚焦效应在激光腔中形成非线性损耗调制，和介质的工作波长无关，因此能够实现极宽的工作带宽；此外，非线性克尔效应的响应时间通常只有几个飞秒左右，具有“快”饱和吸收体的性质，能够支持小于百飞秒的激光脉冲输出，同时，相较于SESAM锁模，体块克尔介质材料的损伤阈值非常高，因此克尔透镜锁模更适合高功率超短锁模脉冲的产生。
利用克尔透镜锁模技术，钛宝石超快激光器以及半导体激光（Laser diode, LD）端面泵浦固体超快激光器已能够产生从周期量级至百飞秒的超短脉冲输出。但是，在传统X或Z型克尔透镜锁模激光器中，激光增益介质同时承担了增益介质和克尔介质两个功能，为了保证克尔透镜锁模的实现，不仅要求激光增益介质具有高的非线性折射率系数，同时谐振腔设计时要尽可能减小增益介质内激光模式的大小，从而使其能够提供足够强的自振幅调制效应来实现克尔透镜锁模的超短脉冲输出；但此时激光器增益介质中较小的激光模式使得它很难支持高平均功率超短脉冲激光的产生。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种高功率锁模碟片激光器，具有平均功率高，结构简单，***稳定性好等特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高功率锁模碟片激光器，包括泵浦源、泵浦光整形***、碟片激光增益介质、第一凹面反射镜、克尔介质、第二凹面反射镜、光阑和输出端耦合镜；所述碟片激光增益介质、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、输出端耦合镜构成锁模激光谐振腔，所述克尔介质、光阑均设置在锁模激光谐振腔内；所述克尔介质位于第一凹面反射镜和第二凹面反射镜之间，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜组成聚焦腔结构；所述碟片激光增益介质产生的激光依次经第一凹面反射镜、克尔介质、第二凹面反射镜、光阑及输出端耦合镜实现激光输出。
进一步地，所述泵浦源为半导体激光器。
进一步地，所述泵浦光整形***包括若干个准直透镜和反射镜，若干个所述准直透镜和反射镜按照设定规律置于泵浦源与碟片激光增益介质之间的光路中，泵浦光经过泵浦光整形***在碟片激光增益介质上多次往返，从而被碟片激光增益介质充分吸收。
进一步地，所述碟片激光增益介质为激光晶体、激光陶瓷或玻璃，其背面一侧设有热沉。
进一步地，所述克尔介质以布儒斯特角置于所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜组成的聚焦腔的焦点处。
进一步地，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的凹面镀有对激光高反的高反介质膜。
进一步地，所述锁模激光谐振腔为X或Z型激光谐振腔。
进一步地，所述光阑为一个置于所述输出端耦合镜前的小孔。
进一步地，所述输出端耦合镜面向所述锁模激光谐振腔的一面镀有激光部分透射的介质膜。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
（1）本发明利用碟片激光增益介质作为有源反射端镜，将传统四镜锁模激光器的激光增益介质与克尔介质分离，引入独立的克尔介质，保证了克尔介质中较小的激光模场以产生足够自振幅调制效应实现克尔透镜锁模，同时实现碟片增益介质中适当的大激光模场，从而能够产生高平均功率的锁模超短脉冲激光输出，结构简单，***稳定性好；
（2）本发明碟片增益介质作为有源反射端镜能够实现激光器的高功率运转，高功率运转能够进一步增强激光谐振腔内克尔介质的自振幅调制效应，有利于抑制锁模脉冲的调Q不稳定性，实现稳定的高功率克尔透镜锁模激光输出。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高功率锁模碟片激光器的光路结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种高功率锁模碟片激光器的锁模激光谐振腔的腔内不同位置处激光模式的大小。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种高功率锁模碟片激光器，包括泵浦源1、泵浦光整形***2、碟片激光增益介质3、第一凹面反射镜4、克尔介质5、第二凹面反射镜6、光阑7和输出端耦合镜8；碟片激光增益介质3、第一凹面反射镜4、第二凹面反射镜6、输出端耦合镜8构成锁模激光谐振腔，克尔介质5、光阑7均设置在锁模激光谐振腔内；克尔介质5位于第一凹面反射镜4和第二凹面反射镜6之间，第一凹面反射镜4和第二凹面反射镜6组成聚焦腔结构；泵浦源1发出的泵浦光经过泵浦光整形***2在碟片激光增益介质3上多次往返，从而被碟片激光增益介质3充分吸收；碟片激光增益介质3产生的激光依次经第一凹面反射镜4、克尔介质5、第二凹面反射镜6、光阑7及输出端耦合镜8实现激光输出。
本实施例中，泵浦源为LD半导体激光器，工作波长在976 nm，用于泵浦碟片激光增益介质3产生激光；泵浦光整形***2包括若干个准直透镜和反射镜，若干个准直透镜和反射镜按照设定规律置于泵浦源1与碟片激光增益介质3之间的光路中，主要作用是对泵浦光进行准直并多次往返入射到碟片激光增益介质，以增大泵浦光在碟片激光增益介质内的往返次数，使得泵浦光能够被充分吸收；碟片激光增益介质3为激光晶体、激光陶瓷或玻璃，本实施例中采用Yb:YAG激光晶体，其背面侧设有冷却用热沉，碟片激光增益介质3靠近热沉的一面镀有对泵浦光及激光高反的介质膜。碟片激光增益介质3、第一凹面反射镜4、第二凹面反射镜6、输出端耦合镜8构成锁模激光谐振腔(X型腔或Z型腔)；第一凹面反射镜4和第二凹面反射镜6的曲率均为-100 mm，第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的反光面（面向锁模激光谐振腔腔内的一面）均镀有对激光高反的高反膜。克尔介质5置于第一凹面反射镜4和第二凹面反射镜6组成的聚焦腔结构的焦点处，以布儒斯特角放置，用来引入自振幅调制效应；光阑7为一个小孔，置于锁模激光谐振腔内靠近输出端耦合镜8的一侧，用于对激光模式（横模）大小进行调整，结合克尔介质的自振幅调制效应实现对激光脉冲的调制，实现稳定的锁模超短脉冲输出。输出端耦合镜8面向锁模激光谐振腔的一面镀有激光部分透过的介质膜，以实现激光振荡及激光输出。
根据ABCD传输矩阵对激光谐振腔内不同位置的激光模式大小计算仿真结果如图2所示，横坐标代表激光谐振腔内的不同位置，纵坐标代表相应位置处子午面和弧矢面激光模式半径。碟片激光增益介质3位于图中横坐标的零点位置，此处对应的激光模式半径约为1.0 mm，由于激光器的最高输出功率与激光模式的大小成正相关，因此，相比于传统的四镜锁模谐振腔结构中增益介质内通常小于百微米的激光模式半径，这种全新的碟片锁模激光器结构中增益介质内毫米量级的激光模式能够支持更高平均功率的激光，从而实现10-100W量级的高平均功率输出；克尔介质5位于第一凹面反射镜4和第二凹面反射镜6组成的凹面镜对之间（横坐标位置约为250 mm），对应介质内部的激光模式半径约为60 μm，这种小的激光模式能够极大提高激光在克尔介质内部聚焦的功率密度，增强克尔非线性调制效应，从而实现克尔透镜锁模脉冲输出。
本实施例利用碟片激光增益介质作为有源反射端镜替代传统四镜锁模激光谐振腔中的端面反射镜，同时在激光器中引入独立的克尔介质作为锁模元件，将传统四镜锁模激光器中的增益介质与克尔介质分离，这种全新的设计能够保证在X或Z型四镜锁模谐振腔中实现克尔介质中较小激光模场以产生足够自振幅调制效应实现克尔透镜锁模的同时，实现碟片增益介质中适当的大激光模场来产生高平均功率超短脉冲激光，激光器整体结构简单，稳定性高，本实施例碟片增益介质作为有源反射端镜能够实现激光器的高功率运转，高功率运转能够进一步增强激光谐振腔内克尔介质的自振幅调制效应，有利于抑制锁模脉冲的调Q不稳定性，实现稳定的高功率克尔透镜锁模激光输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高功率锁模碟片激光器，其特征是，包括泵浦源、泵浦光整形***、碟片激光增益介质、第一凹面反射镜、克尔介质、第二凹面反射镜、光阑和输出端耦合镜；所述碟片激光增益介质、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、输出端耦合镜构成锁模激光谐振腔，所述克尔介质、光阑均设置在锁模激光谐振腔内；所述克尔介质位于第一凹面反射镜和第二凹面反射镜之间，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜组成聚焦腔结构；所述碟片激光增益介质产生的激光依次经第一凹面反射镜、克尔介质、第二凹面反射镜、光阑及输出端耦合镜实现激光输出。
2.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述泵浦源为半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述泵浦光整形***包括若干个准直透镜和反射镜，若干个所述准直透镜和反射镜按照设定规律置于泵浦源与碟片激光增益介质之间的光路中，泵浦光经过泵浦光整形***在碟片激光增益介质上多次往返，从而被碟片激光增益介质充分吸收。
4.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述碟片激光增益介质为激光晶体、激光陶瓷或玻璃，其背面一侧设有热沉。
5.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述克尔介质以布儒斯特角置于所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜组成的聚焦腔的焦点处。
6.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的凹面镀有对激光高反的高反介质膜。
7.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述锁模激光谐振腔为X或Z型激光谐振腔。
8.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述光阑为一个置于所述输出端耦合镜前的小孔。
9.根据权利要求1所述的高功率锁模碟片激光器，其特征是，所述输出端耦合镜面向所述锁模激光谐振腔的一面镀有激光部分透射的介质膜。
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2020
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|---|---|
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