被動鎖模皮秒雷射器的製作方法
2023-07-20 23:36:31 1
專利名稱：被動鎖模皮秒雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及超短脈衝雷射器，具體涉及被動鎖模皮秒雷射器。
背景技術：
隨著雷射技術的迅速發展及其應用需求的增加，在體積小巧、結構緊湊、 性能穩定、全固體化的器件上實現高功率、高光束質量、高效率、高穩定性 和長壽命的雷射器是雷射領域發展的方向。各種學科和工業中對超短脈衝激 光的需求日益增加，尤其是應用前景比飛秒雷射器更廣泛的皮秒雷射器(其
例如可以用於國防、工業、醫療、生物等領域)。所以，研製出高質量、 高效率、高穩定性的皮秒雷射器是當前的重要研究課題。
一種現有鎖模皮秒雷射器技術採用染料鎖模，例如申請號為03114621. X的題為"出光時間高穩定度的被動鎖模Nd: YAG皮秒雷射器"的中國專利 申請中公開的技術方案，其電控系統複雜，體積大。且染料有劇毒， 一段時 間染料稀釋，必須更換，使用壽命短，不利於工程化，而且不利於人體健康。 另一種現有鎖模皮秒雷射器技術採用主動鎖模技術，例如參見申請號為032 10775.7,題為"雷射二極體泵浦皮秒主動鎖模固體平面波導雷射器"的中 國專利申請。因為波導技術發展不成熟，成品率極低，這種皮秒雷射器很難 得到批量生產，且主動鎖模穩定性差。還有一種現有的鎖模皮秒雷射器技術， 是一種實現低重頻的被動鎖模技術，例如參見申請號為200520000394.7，題 為"腔倒空全固態皮秒雷射器"的中國實用新型申請，其採用普克爾盒實現 腔倒空巨脈沖振蕩，對SESAM損傷極大， 一旦損傷，不可恢復。
另外，現有技術中雷射器的雷射腔體^f艮多採用共焦腔結構，這種結構雖 然穩定但是腔長較長，結構不緊湊。
綜上可以看出，現有技術中，缺少一種結構小巧、性能穩定、低重頻被 動鎖模皮秒雷射器。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種性能穩定，體積小巧，低重頻的 被動鎖模皮秒雷射器。為了達到上述目的，本發明採取如下技術方案。一種被動鎖模皮秒雷射器，包括泵浦源，雷射晶體，雷射腔體、鎖模輸 出結構，
所述泵浦源放置在所述雷射晶體的入射端面一側用於泵浦所述雷射晶
體；
所述雷射腔體包括平面反射鏡和第 一平凹鏡，所述平面反射鏡與所述第 一平凹鏡的凹面相對的放置於所述第一平凹鏡的焦半徑處，且所述平面反射
鏡的法線方向與所述第一平凹鏡的軸線之間有一小角度的夾角；
所述雷射晶體發出的雷射在所述雷射腔體內振蕩，並經所述鎖模輸出結 構鎖模輸出。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述平面反射鏡的法線方向與所述第
一平凹鏡的軸線之間的夾角為e,其中o。 <e<i° 。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述雷射晶體鑲嵌在所述第 一平凹鏡中。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述第一平凹鏡包括一個缺口，所述 雷射晶體放置在所述缺口位置處，並且所述雷射晶體的出射端面位於所述第 一平凹4竟的圓弧面內。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述鎖模輸出結構包括平面輸出鏡、 第二平凹鏡和半導體可飽和吸收體，所述平面輸出鏡為半透半反鏡，用於接 收來自所述雷射晶體的雷射並將其部分反射至所述第二平凹鏡，所述第二平 凹鏡將來自所述平面輸出鏡的雷射反射並垂直入射至所述半導體可飽和吸 收體。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述鎖模輸出結構包括第二平凹鏡，
半導體可飽和吸收體，偏振片，1/4波片和45°反射鏡，所述偏振片接收來自 所述雷射晶體的雷射，並將其經1/4波片反射向第二平凹鏡，第二平凹鏡用
於接收偏振片反射的雷射，並將其反射垂直入射至所述半導體可飽和吸收 體，所述45°反射鏡接收從所述半導體可飽和吸收體反射回並經所述第二平
凹鏡和所述1/4波片從所述偏振片出射的雷射，並將其反射作為輸出。 如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述雷射晶體為Nd: YV04或Nd:GdV04,
其大小為5mm x 5mm x (3mm ~ 5mm)。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述第一平凹鏡的曲率半徑在150隨~
800mm之間。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，所述雷射晶體入射端面鍍有在泵浦光
5波長的增透膜、在輸出光波長的高反膜，出射端面鍍有在輸出光波長的增透膜。
如上所述的被動鎖模皮秒雷射器，還包括聚焦鏡，所述聚焦鏡放在所述 泵浦源和所述雷射晶體之間用於會聚所述泵浦源發出的泵浦光至所述雷射 晶體。
與現有技術相比，本發明第一次採用等效共焦腔的穩腔設計，增大光程， 降低重頻，且大大縮短腔長和體積。
並且，雷射晶體放置在雷射腔體的缺口處或鑲嵌在雷射腔體的端部，使 結構更加緊湊。
圖1示出根據本發明實施例1的被動鎖模皮秒雷射器的俯視示意圖； 圖2示出根據本發明實施例1中的被動鎖模皮秒雷射器中的第一平凹鏡 的右一見圖3示出根據本發明實施例2的被動鎖模皮秒雷射器的俯視示意圖； 圖4是光束在共焦腔和在根據本發明實施例的被動鎖模皮秒雷射器的等 效共焦腔中傳輸的對比圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述 實施例1
如圖1所示，根據本發明的實施例1的被動鎖模皮秒雷射器包括LD 泵浦源l,聚焦鏡2，雷射晶體3，平面反射鏡4，第一平凹鏡5 (O-20mm)， 平面輸出鏡6，第二平凹鏡7 (0=10咖)和SESAM (半導體可飽和吸收體) 8。 LD泵浦源1放在雷射晶體3的入射端面一側用於對其進行泵浦；聚焦鏡 2放在泵浦源1和雷射晶體3之間用於使來自泵浦源1的泵浦光會聚到雷射 晶體3中，提高泵浦光利用率。平面反射鏡4與第一平凹鏡5相對的放置在 第一平凹鏡5的焦半徑位置處，從而與其一起構成雷射腔體(等效共焦腔)， 並且其法線方向與第一平凹鏡5的軸線(沿水平方向)的夾角為一小角度的 銳角，該銳角大小可以為6 (0° <0<1° )。從而使水平入射在平面反射鏡4
上的光線不會沿原路返回，而是以小角度2e反射。
如圖2所示，第一平凹鏡5上被拋掉3mm-5mm高的圓弧從而在其上形成一個缺口。雷射晶體3緊貼第一平凹鏡5放置在所述缺口的位置處，並且激 光晶體3的出射端面與第一平凹鏡5的弧面大體在一個圓弧面內，或者還可 以將雷射晶體3 "鑲嵌"在雷射腔體的端部(第一平凹鏡5),從而節省空間。 雖然圖2中給出了被拋掉的缺口的示意圖，但是該缺口還可以採用其他形式， 只要能夠適當的容納所述雷射晶體3即可。雷射晶體大小為5mmx5mmx (3mm~ 5mm)，雷射晶體入射端面鍍泵浦光波長(808nm)的增透膜、輸出光波長(10 64mn)高反膜，出射端面鍍輸出光波長(1064nm)的增透膜。本實施例中， 雷射晶體3可採用Nd: YV04、 Nd: GdV04,且晶體角切割採用垂直偏振光輸 出切割方式。對於其他情況，如果不要求偏振光輸出，還可以採用Nd:YAG 晶體等。雷射晶體3側面用銦鉑包裹後，放在熱沉銅塊(未示出)裡，用支 架(未示出)固定在所述缺口處，並採用水冷或者TEC (半導體製冷晶片) 進行控溫。由於把雷射晶體3 "鑲嵌"在第一平凹鏡上，使得雷射晶體3構 成雷射腔體的一部分，進而使雷射腔體的結構更加緊湊。
另外，本實施例中，平面輸出鏡6、第二平凹鏡7、 SESAM8組成鎖模輸 出結構，其放置位置可以利用雷射進行標定。標定過程如下用一束雷射與 第一平凹鏡5的法線平行的從雷射晶體3的中心處向平面反射鏡4入射。平 面輸出鏡6放在該束雷射經等效共焦腔連續反射後的出射光路上，第二平凹 鏡7用於接收從平面輸出鏡6反射的所述雷射，並將其反射垂直入射至SESAM 8。這種標定只是作為確定平面輸出鏡6、第二平凹鏡7、 SESAM8位置的一 種示例性方式，本領域技術人員應該理解，鎖模輸出結構的設置可以適當改 變，只要能夠實現雷射的鎖模輸出即可。
本實施例的被動鎖模皮秒雷射器的工作過程如下
LD泵浦源1發出808mn的泵浦雷射，該泵浦雷射垂直入射到聚焦鏡2, 經其聚焦後垂直入射到雷射晶體3的入射端面從而對其進行泵浦；泵浦光激 勵晶體工作物質，使其粒子數反轉，大量的粒子積累，產生受激輻射，當受 激輻射所發出的光在雷射腔體內發生多次反射，然後經雷射晶體3的入射面 反射至平面輸出鏡6-再反射至第二平凹鏡7，雷射被SESAM8反射後，再經 第二平凹鏡7入射至平面輸出鏡6，從平面輸出鏡6輸出。本例中，受激發 射所產生的光在由平面反射鏡4和①20mm平凹鏡構成的等效共焦腔中往返 八次，即光束經A-B-C-D-E-F-G-D-A順序傳輸，然後再次經過雷射晶體3入 射端面反射到平面輸出鏡；經過平面輸出鏡6反射傳輸到第二平凹鏡7，再 聚焦光束到SESAM 8上，實現皮秒雷射鎖模。另外，系統採用的平面輸出鏡6為半透半反鏡，其可以部分反射、部分 透射，使系統雙路輸出，平面輸出鏡6的雷射透過率5%-15%,其角度設置要 保證從雷射晶體3處接受的雷射入射角小於30°,這是為了實現小角度反射， 損耗小。雷射實現共振鎖模後，在振蕩過程中，從雷射晶體3入射雷射部分 透射作為輸出1,從第二平凹鏡7入射的雷射部分透射作為輸出2,最終實 現雙路鎖模皮秒輸出。此雙路輸出光可用於實現信號光放大，獲得倍頻雷射 輸出。
實施例2:
如圖3，根據本發明的實施例2的被動鎖模皮秒雷射器包括LD泵浦源 1，聚焦鏡2，雷射晶體3,平面反射鏡4，第一平凹鏡5，第二平凹鏡7， SESAM 8，偏振片9, 1/4波片10和45°反射鏡11。本實施例中，LD泵浦源l,聚焦 鏡2,雷射晶體3，平面反射鏡4，第一平凹鏡5以與實施例l相同的方式布置。
第二平凹鏡7， SESAM8，偏振片9， 1/4波片10和45°反射鏡11組成鎖 模輸出結構，其放置位置可以利用雷射進行標定。標定過程如下用一束激 光與第一平凹鏡5的法線平行的從雷射晶體3的中心處向平面反射鏡4入射。 偏振片9放在該束雷射經等效共焦腔連續反射後的出射光路上，並將該束激 光經l/4波片10反射向第二平凹鏡7，第二平凹鏡7用於接收偏振片9反射
的所述雷射，並將其反射垂直入射至SESAM 8 ， 45°反射鏡11接收從SESAM 8反射回並經第二平凹鏡7和1/4波片IO從偏振片9出射的雷射，並反射 所述雷射作為輸出。這種標定只是作為確定第二平凹鏡7， SESAM 8,偏振片 9， 1/4波片10和45°反射鏡11的位置的一種示例性方式，本領域技術人員 應該理解，鎖模輸出結構的設置可以適當改變，只要能夠實現雷射的鎖模輸 出即可。
本實施例中，雷射晶體3可採用Nd: YV04、 Nd: GdV04，且晶體角切割 採用垂直偏振光輸出切割方式。所以，雷射晶體3輸出垂直偏振光，該垂直 偏振光在由平面反射鏡4和第一平凹鏡5構成的等效共焦腔中往返八次，再 次經過雷射晶體入射端面反射到偏振片9;雷射經偏振片9(其法線方向與 入射光束成布儒斯特角(大體等於57°角)放置)反射，垂直通過1/4波片1 0，經過1/4波片IO後變成圓偏振光，再由第二平凹鏡7聚焦光束到SESAM 上，實現皮秒雷射鎖模(其中，第二平凹鏡7焦距為10mm， SESAM表面尺寸
8為3mmx3mm)。光束經SESAM 8反射由原路返回，再經第二平凹鏡7反射垂
直通過l/4波片10,使圓偏振光變成水平偏振光，水平偏振光通過偏振片9
透射輸出，再由45°反射鏡11反射使光束沿系統光路水平出射，實現鎖模皮 秒水平偏振光輸出。減少系統體積，方便機械結構設計。
圖4是光束在現有技術中所採用的共焦腔和在根據本發明實施例的被動 鎖模皮秒雷射器的等效共焦腔中傳輸的對比圖。從圖中可以看出，光束在由 平面反射鏡和第一平凹鏡(O=20mm)構成的等效共焦腔中往返八次，第一 平凹鏡5的曲率半徑可以在15Omm ~ 80Omm之間，直徑2 Omm。所以，該具有 等效共焦腔的皮秒雷射共振腔總光程長度為lm 6m,皮秒脈衝重頻25MHz 150MHz。該等效共焦腔在體積比共焦腔小一半的情況下，與其具有幾乎相同 的光程，實現低重頻，而且這種等效共焦腔具有穩腔的特性，性能穩定。
本發明第一次採用了等效共焦腔的穩腔設計，增大光程，降低重頻，且 大大縮短腔長和體積。並且，本發明將雷射晶體"鑲嵌"雷射腔體的端部， 使其作為雷射腔體的一部分，大大節省了空間，使雷射器的結構更加緊湊。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限 制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當 理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方 案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種被動鎖模皮秒雷射器，包括泵浦源，雷射晶體，雷射腔體、鎖模輸出結構，其特徵在於，所述泵浦源放置在所述雷射晶體的入射端面一側用於泵浦所述雷射晶體；所述雷射腔體包括平面反射鏡和第一平凹鏡，所述平面反射鏡與所述第一平凹鏡的凹面相對的放置於所述第一平凹鏡的焦半徑處，且所述平面反射鏡的法線方向與所述第一平凹鏡的軸線之間有一小角度的夾角；所述雷射晶體發出的雷射在所述雷射腔體內振蕩，並經所述鎖模輸出結構鎖模輸出。
2. 根據權利要求l所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於，所述平面反射鏡的法線方向與所述第一平凹鏡的軸線之間的夾角為e,其中o。 <e<r 。
3. 根據權利要求1所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於，所述雷射晶體鑲嵌在所述第 一平凹鏡中。
4. 根據權利要求1所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於，所述第一平凹鏡包括一個缺口，所述雷射晶體放置在所述缺口位置處，並且所述雷射 晶體的出射端面位於所述第一平凹鏡的圓弧面內。
5. 根據權利要求1-4之一所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於，所述鎖模輸出結構包括平面輸出鏡、第二平凹鏡和半導體可飽和吸收體，所述 平面輸出鏡為半透半反鏡，用於接收來自所述雷射晶體的雷射並將其部分反 射至所述第二平凹鏡，所述第二平凹鏡將來自所述平面輸出鏡的雷射反射並 垂直入射至所述半導體可飽和吸收體。
6. 根據權利要求l-4之一所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於， 所述鎖模輸出結構包括第二平凹鏡，半導體可飽和吸收體，偏振片，1/4波片 和45°反射鏡，所述偏振片接收來自所述雷射晶體的雷射，並將其經l/4波片 反射向第二平凹鏡，第二平凹鏡用於接收偏振片反射的雷射，並將其反射垂直入射至所述半導體可飽和吸收體，所述45°反射鏡接收從所述半導體可飽和 吸收體反射回並經所述第二平凹鏡和所述1/4波片從所述偏振片出射的雷射，並將其反射作為輸出。
7. 根據權利要求1-4之一所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於，所 述雷射晶體為Nd: YV04或Nd: GdV04，其大小為5mmx5mmx (3mm ~ 5隨)。
8. 根據權利要求1-4之一所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於，所 述第一平凹鏡的曲率半徑在150mm ~ 800mm之間。
9. 根據權利要求1-4之一所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於，所 述雷射晶體入射端面鍍有在泵浦光波長的增透膜、在輸出光波長的高反膜，出 射端面鍍有在輸出光波長的增透膜。
10. 根據權利要求1-4之一所述的被動鎖模皮秒雷射器，其特徵在於， 還包括聚焦鏡，所述聚焦鏡放在所述泵浦源和所述雷射晶體之間用於會聚所 述泵浦源發出的泵浦光至所述雷射晶體。
全文摘要
本發明提供一種被動鎖模皮秒雷射器，包括泵浦源，雷射晶體，雷射腔體、鎖模輸出結構，泵浦源放置在所述雷射晶體的入射端面一側用於泵浦雷射晶體；雷射腔體包括平面反射鏡和第一平凹鏡，所述平面反射鏡與所述第一平凹鏡的凹面相對的放置於所述第一平凹鏡的焦半徑處，且所述平面反射鏡的法線方向與所述第一平凹鏡的軸線之間有一小角度的夾角；所述雷射晶體發出的雷射在所述雷射腔體內振蕩，並經所述鎖模輸出結構鎖模輸出。本發明第一次採用等效共焦腔的穩腔設計，增大光程，降低重頻，且大大縮短腔長和體積。
文檔編號H01S3/0941GK101562310SQ20091008343
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月4日 優先權日2009年5月4日
發明者樊仲維, 崗 牛, 麻雲鳳 申請人:北京國科世紀雷射技術有限公司