重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器的製作方法
2023-09-12 21:18:10 1
專利名稱：重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體雷射器技術領域，尤其涉及一種重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器。
背景技術：
超短脈衝雷射廣泛應用於生物學、醫學、化學、物理學以及雷射微細加工、雷射人衛測距等領域，鎖模作為ー種獲得超短脈衝的有效手段，受到廣大科研工作者的青睞。鎖模的主要方法有主動鎖模、被動鎖模(包括可飽和吸收體被動鎖模和克爾透鏡鎖模)、碰撞鎖模、注入鎖模等多種方式。目前，應用最為廣泛的是克爾透鏡鎖模雷射器和半導體可飽和吸收體(SESAM)被動鎖模雷射器。文獻1,1991年英國聖安德魯斯大學的Spence等人在Optics Letters 16卷第I 期中發表題為 「60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti sapphire laser」的文章，首次報導了鈦寶石克爾透鏡鎖模雷射器，脈衝寬度為60fs，雷射器採用傳統的四鏡X型諧振腔。脈衝重複頻率為100MHz，對應諧振腔長度為I. 5m。文獻2, 2001年臺灣交通大學的Y. F. Chen等人,在Optics Letters 26卷第4期中發表的題為「Diode-end-pumped passively mode-locked high-power Nd:YV041aser witha relaxed saturable Bragg ref lector」利用布拉格鏡式半導體可飽和吸收體,採用被動鎖模的方式，獲得了脈衝寬度為21. 5ps的超快雷射脈衝，脈衝重複頻率為147MHz，對應諧振腔長度為lm。綜上所述，目前對鎖模雷射器的研究，主要是在諧振腔長固定、脈衝重複頻率不變的前提下，對提高雷射器的輸出功率、效率，改變脈衝寬度，變換雷射波長等的方法進行研究報導，而對於調整諧振腔長度，改變脈衝重複頻率的方法並沒有報導。雷射脈衝重複頻率在實際應用過程中是ー個非常關鍵的參數，直接影響光與物質相互作用的速度。鎖模雷射器的重複頻率取決於諧振腔的腔長，通常情況下，為增加諧振腔內縱模振蕩個數，諧振腔長度在Im 2m之間，因此，雷射器整機體積較大；而且對同一臺鎖模雷射器，一旦光學元件位置確定，只能輸出ー種重複頻率的雷射脈沖。而在實際應用過程中，如果需要不同重複頻率，則需要重新改變諧振腔結構以拉長或縮短諧振腔長，重新設計和加工雷射器，變換各個光學器件的位置，這給鎖模雷射器的整機一體化和實用化帶來很大不便。如果能提供ー種鎖模雷射器，在穩區範圍和模式匹配條件允許的前提下，插入ー個器件，只需調節該器件，同時變換ー個或者兩個光學器件的角度，而無需重新調節其他光學件的位置，就可以實現諧振腔長度的調節，這樣不但可以有效壓縮雷射器的體積，還可以靈活調節諧振腔長度，實現雷射脈衝重複頻率的可調，提高雷射器的集成化和小型一體化，將會給固體鎖模雷射器的研究和應用帶來很大方便
發明內容
(一 )要解決的技術問題針對上述問題，本發明的主要目的在於提供一種重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器。(ニ)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，包括泵浦源、増益介質、諧振腔、平行平面反射鏡組、鎖模器件和耦合輸出鏡，泵浦源用於泵浦増益介質所需的足夠增益，諧振腔用於形成雷射往返振蕩的條件，鎖模器件用於實現對雷射器縱模的調製，實現超短脈衝輸出，其中泵浦源通過光纖耦合輸出雷射，雷射被整形後耦合進入増益介質，増益介質發出的雷射經過諧振腔形成振蕩雷射，振蕩雷射通過諧振腔的凹面反射鏡會聚到鎖模器件上，鎖模器件藉助諧振腔和平行平面反射鏡組，對雷射形成多次往返振蕩和調製，最後經耦合輸出鏡輸出連續的超短脈衝。上述方案中，根據晶體吸收波長的不同，所述泵浦源採用808nm、880nm、940nm或 976nm的泵浦波長。上述方案中，所述增益介質是摻Nd3+晶體Nd = YVO4或Nd:YAG，或者是摻Yb3+晶體Yb: YAG 或 Yb:KYW，或者是鈦寶石(Ti=Al2O3)或 Cr:YAG。上述方案中，所述諧振腔是X型腔或Z型腔，含有兩個凹面反射鏡和若干平面鏡；或者所述諧振腔是直腔，含有兩個正透鏡和若干平面反射鏡以及用於鎖模雷射器的諧振腔結構。上述方案中，所述平行平面反射鏡組由兩個平行的平面反射鏡構成，兩個平行的平面反射鏡具有一定間距，並保持平行放置，相對面鍍有對振蕩雷射的高反射膜。所述平行平面反射鏡組固定在光學支架上，兩平面反射鏡的垂直相對間距連續可調，且該光學支架能夠實現所述平行平面反射鏡組圍繞中心的角度連續可調。上述方案中，所述鎖模器件是主動鎖模器件、被動鎖模器件或克爾透鏡鎖模器件。當鎖模器件是主動鎖模器件時，鎖模器件是電光調製器或聲光損耗調製器；當鎖模器件是被動鎖模器件時，鎖模器件是染料盒、半導體可飽和吸收體(SESAM)、碳納米管或石墨烯。上述方案中，所述諧振腔由雙色鏡223、第一凹面反射鏡221和第二凹面反射鏡222、平行平面反射鏡組、鎖模器件28和耦合輸出鏡23構成，所述平行平面反射鏡組由第一平面反射鏡211和第二平面反射鏡212構成，所述鎖模器件是反射鏡式半導體可飽和吸收體28，其中泵浦源27經過光纖耦合輸出雷射，雷射被整形後耦合進入増益介質24，増益介質24發出的雷射經過雙色鏡223，反射至第一凹面反射鏡221，經過第一凹面反射鏡221後反射至旋轉可調的第一平面反射鏡211和第二平面反射鏡212，在第一平面反射鏡211和第二平面反射鏡212內多次反射後至第二凹面反射鏡222，第二凹面反射鏡222將雷射會聚並垂直入射到反射鏡式半導體可飽和吸收體28上，反射鏡式半導體可飽和吸收體28將雷射垂直反射，再次經過第二凹面反射鏡222、第一平面反射鏡211和第二平面反射鏡212、第一凹面反射鏡221、雙色鏡223和増益介質24，經過多次往返振蕩，最後經耦合輸出鏡23耦合輸出連續的超短脈衝。(三)有益效果本發明提供的這種重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，巧妙地將平行平面反射鏡組插入到固體鎖模雷射器中，只需要通過旋轉鏡組的角度和調節兩個平面反射鏡的垂直間距，無需重新設計和調節雷射器諧振腔其他光學元件的位置，就可以實現超短脈衝雷射的脈衝重複頻率連續可調，改變目前一臺超快雷射器只有一個重複頻率輸出的現狀，給這類雷射器的研究和推廣應用帶來很大方便，本發明將在未來的超快雷射領域具有非常廣泛的應用前景。
圖Ia是依照本發明實施例的平行平面反射鏡組在調整前的示意圖；圖Ib是依照本發明實施例的平行平面反射鏡組在調整後的示意圖；圖2a是依照本發明實施例的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器在調整前的不意圖；圖2b是依照本發明實施例的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器在調整後的示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進ー步詳細說明。本發明的技術構思是在固體鎖模雷射器諧振腔中插入平行的平面反射鏡組，該鏡組由兩個高反的平面鏡相對平行放置組成，通過旋轉平行平面反射鏡組的角度，或改變兩個平行平面反射鏡的垂直間距，改變雷射在反射鏡組中的往返光程，實現諧振腔光學長度的連續調節，從而可以實現超快雷射器脈衝重複頻率的連續可調，還可以有效壓縮超快雷射器的體積，増加雷射器設計和使用的靈活性。如圖Ia所示，雷射器諧振腔由腔鏡12、平行平面反射鏡組111和112、以及耦合輸出鏡13構成。平行平面反射鏡組111和112是由兩個相對放置的平面反射鏡構成，即第一平面反射鏡111和第二平面反射鏡112，平面反射鏡鍍有對振蕩雷射的高反射膜。腔鏡12鍍有對振蕩雷射的高反射膜，耦合輸出鏡13是對振蕩雷射有一定透過率的耦合輸出鏡。腔鏡12、第一平面反射鏡111和第二平面反射鏡112、以及耦合輸出鏡13構成的雷射器諧振腔滿足雷射振蕩條件。第一平面反射鏡111至腔鏡12的距離為141，耦合輸出鏡13至第二平面反射鏡112的距離為142。平行平面反射鏡組法線同振蕩光成角度161時，雷射在平行平面反射鏡組內部的光程為143，雷射在整個雷射器諧振腔內的光程為141+142+143，此時，輸出超快脈衝的重複頻率為c/2 (141+142+143)，其中c為光速。如圖Ib所示，平行平面反射鏡組繞中心點18逆/順時針旋轉，平行平面反射鏡組法線同振蕩雷射成角度171，如果第二平面反射鏡112為帶曲面的鏡子，可以同時調節13的角度，使光線垂直於13，此時，腔鏡12距離第一平面反射鏡111的距離為151，耦合輸出鏡13至第二平面反射鏡112的距離為152，平行平面反射鏡組內的光程為153，雷射在諧振腔內的往返光程變為151+152+153，脈衝重複頻率變為c/2(151+152+153)綜上所述，通過調整平行平面反射鏡組的角度，無需改變諧振腔其他光學元件的位置，就可以實現諧振腔光學長度的連續可調，從而輸出重複頻率連續變化的鎖模脈衝序列。圖2是依照本發明實施例的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器在調整前後的示意圖。基於圖2說明本發明提供的這種被動鎖模雷射器工作原理如下泵浦源27經過光纖26耦合輸出雷射，雷射被泵浦光整形系統25整形後耦合進入増益介質24，増益介質24發出的雷射經過雙色鏡223，反射至第一凹面反射鏡221，經過第一凹面反射鏡221後反射至旋轉可調的平行平面反射鏡組211和212，在平行平面反射鏡組211和212內多次反射後至第二凹面反射鏡222，第二凹面反射鏡222將雷射匯聚到反射鏡式半導體可飽和吸收體(SESAM) 28上，並將雷射返回，再次經過第二凹面反射鏡222、平行平面反射鏡組211和212、第一凹面反射鏡221、雙色鏡223和増益介質24，經過多次往返振蕩，最後經耦合輸出鏡23耦合輸出連續的超短脈衝。泵浦源27發出的泵浦光經過光纖26耦合輸出進入泵浦光整形系統25。泵浦源27的波長為880nm ;光纖26的參數為芯徑200 μ m或者其他芯徑，纖芯的數值孔徑O. 22 ;泵浦光整形系統25用於對泵浦光進行I : I I : 3比例的擴束整形，滿足同雷射器的模式匹配條件。泵浦光整形系統25將整形後的泵浦光耦合進入増益介質24，増益介質24是 NdiYVO4晶體。增益介質24的體積大小為3mmX3mmX (3 8mm),並且夾在通水的銅質熱沉上進行冷卻。第一凹面反射鏡221、第二凹面反射鏡222和雙色鏡223為諧振腔的腔鏡，雙色鏡223為平面鏡，鍍有對泵浦光増透和振蕩光高反的雙色膜；第一凹面反射鏡221和第二凹面反射鏡222為帶曲率的凹面反射鏡，鍍有1064nm波長的高反膜，第一凹面反射鏡221的曲率半徑為500 1000mm，第二凹面反射鏡222的曲率半徑為100 300mm。半導體可飽和吸收體(SESAM) 28的表面尺寸為4mmX4mm,調製深度為O. 5% 3%,放置於銅質熱沉之上。通過調節SESAM 28和第二凹面反射鏡222之間的距離，改變SESAM 28表面的光斑尺寸，實現雷射器的鎖模，輸出超短雷射脈沖。平行平面反射鏡組211和212中平面反射鏡的尺寸為030mm,兩個平面反射鏡相對錯開放置，相對錯開距離為14mm，兩者的垂直間距為200mm。振蕩雷射同平行平面反射鏡組的法線方向的夾角為291(調節前，見圖2a)或292 (調節後，見圖2b)。在本實例中，雷射器的初始脈衝重複頻率為100MHz，對應雷射器的諧振腔長度為I. 5m。如圖2(a)所示，平行平面反射鏡組同振蕩雷射形成的初始角度291為4度，030mm的平行平面鏡片允許雷射往返3次，總光程為200X3パcos4)，在平行平面反射鏡組內部反射的總光程為597mm。如圖2a和圖2b所示，通過旋轉平行平面反射鏡組，將入射角度調至292，如果292為8度，同時微調28的角度，保證222表面反射光垂直於28，此時，雷射在平行平面反射鏡組內只反射一程，光程為196mm，諧振腔的總長從I. 5m變至I. lm，對應輸出脈衝的重複頻率原來的IOOMHz變換至136MHz。從上面的實例中可以看出，本發明實現了輸出脈衝重複頻率在IOOMHz 136MHz的調節。本領域的技術人員應該理解，平行平面反射鏡組可以通過變換鏡片大小，兩平行平面垂直間距和角度範圍的變化實現其他重複頻率範圍的調節。在本發明提供的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器中，泵浦源用於泵浦雷射晶體所需的足夠增益，諧振腔用於形成雷射往返振蕩的條件，鎖模器件用於實現對雷射器縱模的調製，實現超短脈衝輸出，它可以是主動鎖模器件，被動鎖模器件，或克爾透鏡鎖模器件。平行平面反射鏡組由兩個平面反射鏡組成，兩個平面反射鏡具有一定間距，並保持平行放置，相對平面鍍有對振蕩雷射的高反射膜。平行平面反射鏡組固定在光學支架上，兩鏡片的垂直相對位置連續可調，該光學支架可以實現平面反射鏡組圍繞中心的角度連續可調。泵浦源根據晶體吸收波長的不同可以是808nm、880nm、940nm、976nm以及其他泵浦波長，其中優選880nm。增益介質可以是Nd:YVO4、Nd:YAG等摻Nd3+晶體，也可以是Yb:YAG、晶體，還可以是鈦寶石(Ti=Al2O3)，Cr:YAG等超短脈衝雷射器常用晶體，其中優選NchYVO4晶體。鎖模器件可以是電光調製器或聲光損耗調製器等主動鎖模器件；也可以是被動鎖模器件染料盒，半導體可飽和吸收體(SESAM)，碳納米管，石墨烯以及其他類型的可飽和吸收體；或者可以是自鎖模器件，雷射晶體本身或者其他非線性晶體；其中優選半導體可飽和吸收體(SESAM)被動鎖模器件。諧振腔可以是X型腔或Z型腔含有兩個凹面反射鏡和若干平面鏡；也可以是直腔含有兩個正透鏡和若干平面反射鏡以及其他用於鎖模雷射器的諧振腔結構。其中優選含有兩個凹面反射鏡和若干平面反射鏡的Z型諧振腔。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進ー步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範 圍之內。
權利要求
1.一種重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，包括泵浦源、增益介質、諧振腔、平行平面反射鏡組、鎖模器件和耦合輸出鏡，泵浦源用於泵浦增益介質所需的足夠增益，諧振腔用於形成雷射往返振蕩的條件，鎖模器件用於實現對雷射器縱模的調製，實現超短脈衝輸出，其中泵浦源通過光纖耦合輸出雷射，雷射被整形後耦合進入增益介質，增益介質發出的雷射經過諧振腔形成振蕩雷射，振蕩雷射通過諧振腔的凹面反射鏡會聚到鎖模器件上，鎖模器件藉助諧振腔和平行平面反射鏡組，對雷射形成多次往返振蕩和調製，最後經耦合輸出鏡輸出連續的超短脈衝。
2.根據權利要求I所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，根據晶體吸收波長的不同，所述泵浦源採用808nm、880nm、940nm或976nm的泵浦波長。
3.根據權利要求I所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，所述增益介質是摻Nd3+晶體Nd: YVO4或Nd: YAG,或者是摻Yb3+晶體Yb: YAG或Yb: KYff,或者是鈦寶石(Ti=Al2O3)或 Cr:YAG。
4.根據權利要求I所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，所述諧振腔是X型腔或Z型腔，含有兩個凹面反射鏡和若干平面鏡；或者所述諧振腔是直腔，含有兩個正透鏡和若干平面反射鏡以及用於鎖模雷射器的諧振腔結構。
5.根據權利要求I所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，所述平行平面反射鏡組由兩個平行的平面反射鏡構成，兩個平行的平面反射鏡具有一定間距，並保持平行放置，相對面鍍有對振蕩雷射的高反射膜。
6.根據權利要求5所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，所述平行平面反射鏡組固定在光學支架上，兩平面反射鏡的垂直相對間距連續可調，且該光學支架能夠實現所述平行平面反射鏡組圍繞中心的角度連續可調。
7.根據權利要求I所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，所述鎖模器件是主動鎖模器件、被動鎖模器件或克爾透鏡鎖模器件。
8.根據權利要求7所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於， 當鎖模器件是主動鎖模器件時，鎖模器件是電光調製器或聲光損耗調製器； 當鎖模器件是被動鎖模器件時，鎖模器件是染料盒、半導體可飽和吸收體(SESAM)、碳納米管或石墨烯。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，其特徵在於，所述諧振腔由雙色鏡(223)、第一凹面反射鏡(221)和第二凹面反射鏡(222)、平行平面反射鏡組、鎖模器件(28)和耦合輸出鏡(23)構成，所述平行平面反射鏡組由第一平面反射鏡(211)和第二平面反射鏡(212)構成，所述鎖模器件是反射鏡式半導體可飽和吸收體(28)，其中 泵浦源(27)經過光纖耦合輸出雷射，雷射被整形後耦合進入增益介質(24)，增益介質(24)發出的雷射經過雙色鏡(223)，反射至第一凹面反射鏡(221)，經過第一凹面反射鏡(221)後反射至旋轉可調的第一平面反射鏡(211)和第二平面反射鏡(212)，在第一平面反射鏡(211)和第二平面反射鏡(212)內多次反射後至第二凹面反射鏡(222)，第二凹面反射鏡(222)將雷射會聚並垂直入射到反射鏡式半導體可飽和吸收體(28)上，反射鏡式半導體可飽和吸收體(28)將雷射垂直反射，再次經過第二凹面反射鏡(222)、第一平面反射鏡(211)和第二平面反射鏡(212)、第一凹面反射鏡(221)、雙色鏡(223)和增益介質(24)，經過多次往返振蕩，最後經耦合輸出 鏡(23)耦合輸出連續的超短脈衝。
全文摘要
本發明公開了一種重複頻率連續可調的超短脈衝固體雷射器，包括泵浦源、增益介質、諧振腔、平行平面反射鏡組、鎖模器件和耦合輸出鏡，泵浦源用於泵浦增益介質所需的足夠增益，諧振腔用於形成雷射往返振蕩的條件，鎖模器件用於實現對雷射器縱模的調製，實現超短脈衝輸出，其中泵浦源通過光纖耦合輸出雷射，雷射被整形後耦合進入增益介質，增益介質發出的雷射經過諧振腔形成振蕩雷射，振蕩雷射通過諧振腔的凹面反射鏡會聚到鎖模器件上，鎖模器件藉助諧振腔和平行平面反射鏡組，對雷射形成多次往返振蕩和調製，最後經耦合輸出鏡輸出連續的超短脈衝。
文檔編號H01S3/16GK102820612SQ20121018323
公開日2012年12月12日 申請日期2012年6月5日 優先權日2012年6月5日
發明者林學春, 於海娟, 張玲, 鄢歆, 曲研, 楊盈瑩, 韓澤華, 孫偉, 晏詩戀, 侯瑋, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所