一種高重複頻率超短脈衝雷射方法
2023-05-30 18:36:46
專利名稱：一種高重複頻率超短脈衝雷射方法
技術領域：
本發明屬於雷射技術領域，涉及一種端面泵浦全固態鎖模雷射系統，尤其是一種 高重複頻率(Multi-GHz)超短脈衝雷射方法。
背景技術：
主動鎖模、主被動鎖模和同步泵浦鎖模等傳統的鎖模技術由於受到光學元件尺寸 和調製器件響應時間的限制，很難實現重複頻率達到GHz的鎖模雷射振蕩。目前市場上銷 售的高重複頻率雷射多指調Q雷射，重複頻率可達到幾百千赫茲；自1995年出現的半導體 可飽和吸收鏡(SESAM)，可以實現重複頻率幾十吉赫茲的連續鎖模雷射，但是SESAM有損傷 閾值太低，製備工藝複雜，工作波長範圍小的局限性；利用克爾效應實現鎖模雷射的雷射晶 體，主要集中在Ti:Sapphire，Cr:LiSAF, CriForsterite這三種寬帶固體雷射材料，由於利 用χ-摺疊型的諧振腔，腔長通常超過1米，脈衝的重複頻率通常在百兆赫茲，而且雷射器的 結構複雜；摻Nd3+雷射晶體，如Nd:YV04、Nd:GdV04等具有較大的非線性折射率，但是受增益 頻帶限制，其脈寬被限制在皮秒區，在振蕩器的諧振腔內得不到高峰值強度，因此，之前人 們普遍認為難以用這類雷射晶體獲得自鎖模的雷射振蕩，因而主要採用附加脈衝鎖模的方 法。因為到目前國內尚未看到利用雷射晶體的自鎖模來實現重複頻率大於IGHz的鎖模激 光器的文獻報導。所以，探尋一種高重複頻率超短脈衝雷射設備和技術方法是業界科研人 員正在為之努力的方向。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，採用端面泵浦方式，通過調整腔模和泵 浦模在雷射晶體中的尺寸關係，調整晶體中的克爾效應和空間燒孔效應的空間分布，當兩 者相匹配時產生增強的非線性調製作用，對光束進行鎖模調製，在諧振腔長度不大於150 毫米的情況下，實現重複頻率達到Multi-GHz的超短脈衝雷射振蕩。為了實現上述目的，本發明首先選擇安裝好雷射器系統，包括泵浦源、耦合系統、 雷射增益晶體、輸入鏡、腔鏡、輸出鏡、光闌、調Q開關和光具座；由泵浦源產生的泵浦光經 過耦合系統對雷射增益晶體進行抽運，雷射增益晶體的受激輻射在由輸入鏡到輸出鏡之間 形成的雷射諧振腔間建立雷射振蕩，經由輸出鏡輸出形成超短脈衝雷射；泵浦光通過耦合 系統對雷射增益晶體進行端面抽運而產生克爾效應引起雷射增益晶體中的折射率分布不 均勻的同時，這種駐波光束的不均勻分布導致雷射增益晶體中出現空間燒孔現象，通過調 整泵浦光和雷射諧振腔腔模在雷射增益晶體中的尺寸，來調整雷射增益晶體中的空間燒孔 和克爾效應在雷射增益晶體中的分布，當空間燒孔和克爾效應符合一定的匹配關係時會對 光束產生增強的非線性調製作用，從而在輸入鏡到輸出鏡之間形成的雷射諧振腔內產生鎖 模雷射振蕩，再經由輸出鏡輸出超短脈衝雷射；雷射諧振腔內不需要設置另外的鎖模元件， 雷射增益晶體既是增益晶體也是鎖模器件，完全自啟動自鎖模，雷射的波長不受其他光學 元件的限制，只要是雷射增益晶體的輻射波長即可實現。
本發明涉及的雷射增益晶體包括基質材料的摻稀土離子、錒系離子和過渡金屬離 子的晶體；雷射諧振腔為輸入鏡與輸出鏡之間構成的空間區域，其總長度不大於150毫米， 雷射諧振腔內設置硬光闌，以獲得高斯基模光束，並消除可能出現的直流背景，或雷射諧振 腔內設置調Q開關，以調諧調Q脈衝的重複頻率，獲得穩定的調Q鎖模脈衝，調Q開關或光 闌在雷射諧振腔中的具體位置依據實際光路進行調整；所獲得的雷射振蕩包括連續鎖模激 光振蕩和調Q鎖模雷射振蕩；雷射諧振腔包括直腔、V型或Z型或X型摺疊腔，也可以選擇 其他種類的腔型；泵浦源對雷射增益晶體的泵浦方式為端面泵浦方式；雷射增益晶體切割 為任意形狀；雷射增益晶體的一個端面可以替代輸入鏡；輸出的雷射為調Q鎖模超短脈衝 雷射或連續鎖模超短脈衝雷射。本發明將雷射增益晶體的克爾效應與空間燒孔效應相結合，獲得增強的非線性鎖 模調製，實現自啟動自鎖模，其雷射器系統結構簡單，雷射振蕩穩定，原理可靠，體積小、造 價低、效率高，易實現鎖模雷射。
圖1為本發明涉及的雷射系統主體結構原理示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例並結合附圖作進一步說明。本實施例通過對泵浦光和腔模在雷射增益晶體中的匹配關係，調整雷射增益晶體 中克爾效應和空間燒孔效應的關係，對雷射諧振腔裡的基波光進行鎖模調製，諧振腔內不 需要設置另外的鎖模元件，振蕩波長不受其他光學元件的限制，只要是增益晶體的輻射波 長都可以產生鎖模調製；其高重複頻率(Multi-GHz)超短脈衝雷射器包括泵浦源1、耦合系 統2、雷射增益晶體3、輸入鏡M1、腔鏡M2、輸出鏡M3、光闌4、調Q開關5和光具座6和7，輸 入鏡M1與輸出鏡M3之間的雷射諧振腔長度不大於150毫米；由泵浦源1產生的光源依次經 過耦合系統2對雷射增益晶體3進行端面抽運，通過調整光具座6和7來調整雷射增益晶 體3中的克爾效應和空間燒孔效應，對基波光產生鎖模調製，獲得自鎖模的雷射振蕩，由輸 出鏡M3輸出超短脈衝雷射；雷射增益晶體3選用摻稀土離子、錒系離子或過渡金屬離子的 晶體；在雷射諧振腔內可設置光闌4，以獲得高斯基模光束，消除可能出現的直流背景；或 在雷射諧振腔內設置調Q開關5，以調諧調Q脈衝的重複頻率，獲得穩定的調Q鎖模脈衝； 光闌4或調Q開關5在雷射腔中的具體位置依據實際光路進行調整；雷射振蕩包括連續鎖 模雷射振蕩和調Q鎖模雷射振蕩；雷射諧振腔包括直腔、V型摺疊腔、X型摺疊腔、Z型摺疊 腔或其他種類的腔型；其泵浦源對雷射增益晶體3的泵浦方式為端面泵浦方式；其雷射增 益晶體3切割為任意形狀；其輸出鏡M3輸出的雷射為調Q鎖模超短脈衝雷射或者連續鎖模 超短脈衝雷射。實施例1 本實施例1實現一種波長1. 342微米，重複頻率6GHz的連續鎖模雷射的方法；其 所用雷射器系統主體結構包括二極體泵浦源1、耦合系統2、輸入鏡M1、腔鏡M2、輸出鏡禮、激 光增益晶體3、光具座6和7，將耦合系統2和雷射增益晶體3分別放置在三維可調節的光 具座6和7上，二極體泵浦源1的輸出波長為808納米，雷射增益晶體3為布儒斯特角切割的Nd: YVO4，各腔鏡的參數為輸入鏡M1的曲率半徑10毫米，對808納米和1. 06微米雷射 高透射並對1. 342微米高反射；腔鏡M2的曲率半徑20毫米，對1. 06微米雷射高透射並對 1. 342微米高反射，輸出鏡M3為平面鏡，對1. 06微米高透射並對1. 342微米透過率5% ；輸 入鏡M1與輸出鏡M3之間總長度為25毫米，輸出連續鎖模的1. 342微米脈衝雷射，脈衝重複 頻率為6GHz。實施例2:本實施例2實現一種波長1. 064微米，鎖模脈衝重複頻率為2. IGHz的可調諧調Q 鎖模雷射方法，其所用雷射器系統中的二極體泵浦源1的輸出波長為808納米，雷射增益晶 體3為梯形切割的NchGdVO4，耦合系統2和雷射增益晶體3分別固定在三維可調節光具座 6和7上，聲光開關5對應的工作波長為1. 064微米，輸入鏡M1曲率半徑為30毫米，對808 納米高透射並對1. 064微米高反射，腔鏡M2曲率半徑為50毫米，對1. 064微米高反射，輸 出鏡M3對1. 064微米的透過率10%，Mp M2距離50毫米，M2、M3距離20毫米，M1與M3之間 總長度約70毫米，聲光開關5的重複頻率變化範圍IkHz 50kHz，輸出1. 064微米調Q鎖 模雷射，調Q包絡的重複頻率可調諧，調Q包絡裡脈衝的重複頻率為2. IGHz0本實施例1和2中涉及的雷射器系統，其雷射增益晶體3選擇Nd:YAG、 Ti = SapphireANchYli^Cr = ForsteriteANchGdxYhVO4 等多種雷射晶體的效果相同；調 Q 開關 為電光開關或機械開關；其雷射器的雷射諧振腔腔型可以是直腔、Z型腔或X型腔，各腔鏡 的曲率和雷射諧振腔的總長度根據具體情況來確定。
權利要求
1.一種高重複頻率超短脈衝雷射方法，其特徵在於選擇安裝好的雷射器系統包括泵浦 源、耦合系統、雷射增益晶體、輸入鏡、腔鏡、輸出鏡、光闌、調Q開關和光具座；由泵浦源產 生泵浦光經過耦合系統對雷射增益晶體進行抽運，雷射增益晶體的受激輻射在由輸入鏡到 輸出鏡之間形成的雷射諧振腔間建立雷射振蕩，經由輸出鏡輸出形成超短脈衝雷射；泵浦 光通過耦合系統對雷射增益晶體進行端面抽運而產生克爾效應引起雷射增益晶體中的折 射率分布不均勻的同時，駐波光束的不均勻分布導致雷射增益晶體中出現空間燒孔現象， 通過調整泵浦光和雷射諧振腔腔模在雷射增益晶體中的尺寸，來調整雷射增益晶體中的空 間燒孔和克爾效應在雷射增益晶體中的分布，當空間燒孔和克爾效應符合匹配關係時對光 束產生增強的非線性調製作用，從而在雷射諧振腔內產生鎖模雷射振蕩，再經由輸出鏡輸 出超短脈衝雷射；雷射諧振腔內不設置另外的鎖模元件，雷射增益晶體既是增益晶體也是 鎖模器件，完全自啟動自鎖模，雷射的波長不受其他光學元件的限制，只要是雷射增益晶體 的輻射波長即可實現。
2.根據權利要求1所述的高重複頻率超短脈衝雷射方法，其特徵在於涉及的雷射增益 晶體包括基質材料的摻稀土離子、錒系離子和過渡金屬離子的晶體；雷射諧振腔為輸入鏡 與輸出鏡之間構成的空間區域，其總長度不大於150毫米，雷射諧振腔內設置硬光闌，以獲 得高斯基模光束並消除可能出現的直流背景，或雷射諧振腔內設置調Q開關，以調諧調Q脈 衝的重複頻率，獲得穩定的調Q鎖模脈衝，調Q開關或光闌在雷射諧振腔中的具體位置依據 實際光路進行調整；所獲得的雷射振蕩包括連續鎖模雷射振蕩和調Q鎖模雷射振蕩；雷射 諧振腔包括直腔、V型或Z型或X型摺疊腔；泵浦源對雷射增益晶體的泵浦方式為端面泵浦 方式；雷射增益晶體切割為任意形狀；雷射增益晶體的一個端面替代輸入鏡；輸出的雷射 為調Q鎖模超短脈衝雷射或連續鎖模超短脈衝雷射。
全文摘要
本發明屬於雷射技術領域，涉及一種高重複頻率超短脈衝雷射方法，選擇安裝好雷射器系統，由泵浦源產生泵浦光經過耦合系統對雷射增益晶體進行抽運，雷射增益晶體的受激輻射在由輸入鏡到輸出鏡之間形成的雷射諧振腔間建立雷射振蕩，經由輸出鏡輸出形成超短脈衝雷射；端面抽運產生克爾效應引起晶體中的折射率分布不均勻的同時，導致晶體中出現空間燒孔現象，當空間燒孔和克爾效應符合匹配關係時產生非線性調製作用，在雷射諧振腔內產生鎖模雷射振蕩，再經由輸出鏡輸出超短脈衝雷射；其雷射器結構簡單，雷射振蕩穩定，原理可靠，效率高，易實現鎖模雷射。
文檔編號H01S3/16GK102097737SQ20101059468
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者潘淑娣 申請人:青島大學