克爾透鏡自鎖模Yb:LYSO激光器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供了一種克爾透鏡自鎖模用Yb:LYSO激光器。該激光器用于輸出經(jīng)鎖模的激光，包括：泵浦源，用于提供泵浦激光；由Yb:LYSO材料形成的激光晶體，用作增益介質(zhì)和克爾介質(zhì)；由多個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，其布置成能夠與泵浦源和激光晶體一起以克爾透鏡鎖模機(jī)制工作；光學(xué)系統(tǒng)包括用于形成激光的往返光路的諧振腔，激光晶體設(shè)置在往返光路中；諧振腔具有設(shè)置在往返光路的第一端部處的用于反射激光的第一端鏡；第一端鏡為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，用于啟動(dòng)與穩(wěn)定克爾透鏡鎖模。本實(shí)用新型采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡輔助鎖模，在Yb:LYSO激光晶體上實(shí)現(xiàn)了克爾透鏡自啟動(dòng)鎖模，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)且獲得了61fs的飛秒脈沖輸出。
【專(zhuān)利說(shuō)明】克爾透鏡自鎖模Yb:LYSO激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種克爾透鏡自鎖模用Yb = LYSO激光器。

【背景技術(shù)】
[0002]LD(Laser D1de，激光二極管)泵浦全固體激光器集二極管激光器和固體激光器的優(yōu)點(diǎn)于一身，且彌補(bǔ)了兩者的不足，使得LD泵浦的全固態(tài)激光器優(yōu)于燈泵固態(tài)激光器和二極管激光器本身，具有以下優(yōu)點(diǎn)，如總體效率高；穩(wěn)定性好；光束質(zhì)量高、發(fā)散角小，具有聞的空間相干性；結(jié)構(gòu)緊湊、小型化；可罪性聞、壽命長(zhǎng)；易實(shí)現(xiàn)單頻運(yùn)轉(zhuǎn)；峰值功率聞；波長(zhǎng)覆蓋范圍寬等，因此其各項(xiàng)性能指標(biāo)以及在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化等方面都取得了很大的進(jìn)步。
[0003]1981年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出碰撞鎖模染料激光器，實(shí)現(xiàn)了飛秒(fs，I(T15S)量級(jí)的激光輸出，其極短的脈沖寬度和極高的峰值功率使得飛秒超快激光技術(shù)成為激光研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。
[0004]基于半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光器以結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在高技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，但直到20世紀(jì)90年代，波長(zhǎng)在0.9?1.0ym的高功率InGaAs激光二極管(LD)出現(xiàn)，使適合此波段泵浦的Yb3+激光器受到人們的重視，掀起了基于摻Y(jié)b3+介質(zhì)全固態(tài)飛秒激光器的研究熱潮。
[0005]LD泵浦的全固態(tài)飛秒激光器由于具有成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前近紅外I?2μπι波段較為主流的研究方向。而且由于采用LD泵浦具有亮度高、功率大等優(yōu)點(diǎn)，有利于高功率飛秒激光的獲得，在國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療及科研等領(lǐng)域都具有非常重要的用途。在Iym波段，隨著高功率、高亮度的LD的出現(xiàn)，越來(lái)越多的基于Yb3+摻雜的激光晶體、陶瓷材料被應(yīng)用于飛秒激光器的研究中，這主要?dú)w功于摻雜Yb3+的晶體或陶瓷擁有非常優(yōu)良的特性，例如無(wú)激發(fā)態(tài)的吸收，無(wú)交叉弛豫，不存在濃度淬滅，具有較高的量子效率，較長(zhǎng)的熒光壽命及較寬的發(fā)射帶寬。作為眾多的Yb3+摻雜的激光介質(zhì)中重要的一族，Yb3+摻雜的硅酸鹽晶體在近幾年來(lái)得到了大家廣泛的關(guān)注。由于Yb3+摻雜的硅酸鹽晶體中Yb3+的基態(tài)能級(jí)斯塔克分裂較大，使得受激輻射產(chǎn)生激光過(guò)程屬于準(zhǔn)四能級(jí)結(jié)構(gòu)，降低了產(chǎn)生激光的泵浦閾值，而且Yb3+摻雜的硅酸鹽晶體均具有較寬的發(fā)射光譜，理論上可以支持小于10fs的超短脈沖產(chǎn)生。
[0006]目前，大多數(shù)Yb3+摻雜的全固態(tài)激光器都米用SESAM(semiconductor saturableabsorber mirror,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡)啟動(dòng)的被動(dòng)鎖模方式，然而受限于SESAM本身帶寬的因素，使得產(chǎn)生飛秒激光脈沖的脈沖寬度大都在10fs以上。而I μ m波段小于10fs的脈沖寬度的飛秒脈沖在很多領(lǐng)域諸如光頻標(biāo)以及原子分子瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)等方面具有十分重要的應(yīng)用?？藸柾哥R鎖模法能夠直接產(chǎn)生亞10fs脈沖輸出，所謂的克爾透鏡鎖模是指諧振腔內(nèi)不需要任何鎖模元件，僅利用激光晶體增益介質(zhì)本身的克爾效應(yīng)作為可飽和吸收體，在一定條件下實(shí)現(xiàn)自鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然克爾透鏡鎖?？梢詫?shí)現(xiàn)寬光譜亞10fs的鎖模脈沖輸出，但是無(wú)法自啟動(dòng)是其致命缺點(diǎn)，而且由于容易受環(huán)境影響，克爾透鏡鎖模一般只能維持幾個(gè)小時(shí)，鎖模掉了以后需要給予一定的外界擾動(dòng)才能重新建立鎖模。
[0007]因此，如何建立一種可以自啟動(dòng)的克爾透鏡鎖模的亞10fs Yb3+摻雜的全固態(tài)激光器成為目前亟需解決的問(wèn)題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0008]本實(shí)用新型的目的旨在提供一種克爾透鏡自鎖模Yb:LYS0激光器，該激光器能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動(dòng)的克爾透鏡鎖模，并且輸出鏡直接輸出的飛秒脈沖的脈沖寬度可以達(dá)到61fs。
[0009]為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種克爾透鏡自鎖模Yb = LYSO激光器，用于輸出經(jīng)鎖模的激光，包括:泵浦源，用于提供泵浦激光；由Yb = LYSO材料形成的激光晶體，同時(shí)用作增益介質(zhì)和克爾介質(zhì)；由多個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，其布置成能夠與泵浦源和激光晶體一起以克爾透鏡鎖模機(jī)制工作；其中，光學(xué)系統(tǒng)包括用于形成激光的往返光路的諧振腔，激光晶體設(shè)置在往返光路中；諧振腔具有設(shè)置在往返光路的第一端部處的用于反射激光的第一端鏡；其中，第一端鏡為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，用于啟動(dòng)與穩(wěn)定所述克爾透鏡鎖模。
[0010]進(jìn)一步地，諧振腔具有設(shè)置在所述往返光路的第二端部處的用作輸出鏡的第二端鏡，用于部分反射和部分透射激光。
[0011]進(jìn)一步地，諧振腔還具有沿往返光路設(shè)置在第一端鏡和第二端鏡之間的第一凹面鏡、第二凹面鏡和第三凹面鏡；并且布置成使得泵浦源發(fā)出的泵浦激光經(jīng)過(guò)第一凹面鏡后入射到激光晶體上，振蕩產(chǎn)生的激光先入射到第二凹面鏡上，并被第二凹面鏡和第三凹面鏡依次反射，然后入射到第一端鏡上；第一端鏡將激光原路返回，到達(dá)第一凹面鏡，并被第一凹面鏡依次反射，最終入射到第二端鏡上，透過(guò)第二端鏡輸出經(jīng)鎖模的激光。
[0012]進(jìn)一步地，諧振腔還具有在往返光路中用于色散補(bǔ)償?shù)腉TI鏡，其布置成將來(lái)自第一凹面鏡和第二端鏡中一個(gè)的激光反射至另一個(gè)；優(yōu)選地，GTI鏡提供的反常色散值為-800fs2。
[0013]進(jìn)一步地，激光晶體中Yb原子摻雜濃度為5%?10% ;優(yōu)選地，Yb原子摻雜濃度為5%。
[0014]進(jìn)一步地，光學(xué)系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合聚焦單元，用于將來(lái)自泵浦源的泵浦激光聚焦于激光晶體。
[0015]進(jìn)一步地，第一凹面鏡和第二凹面鏡的曲率半徑為75mm;可選地，第三凹面鏡的曲率半徑為300mm。
[0016]進(jìn)一步地,激光晶體為正方體形狀；優(yōu)選地，激光晶體的尺寸為3mmX3mmX3mm。
[0017]進(jìn)一步地，第一端鏡的調(diào)制深度為0.4%?1.6%，，飽和通量為60?120μ J/cm2，弛豫時(shí)間彡500fs,中心波長(zhǎng)為1040?1064nm ;優(yōu)選地，第一端鏡的調(diào)制深度為0.4%，飽和通量為90 μ J/cm2,弛豫時(shí)間為500fs，中心波長(zhǎng)為1064nm。
[0018]進(jìn)一步地，第二端鏡面向諧振腔內(nèi)的一面鍍有對(duì)增益激光的透過(guò)率為0.4%的介質(zhì)膜；第二端鏡背向諧振腔內(nèi)的一面鍍有促進(jìn)增益激光透射的增透介質(zhì)膜。
[0019]進(jìn)一步地，第一凹面鏡面向泵浦源的一面鍍有促進(jìn)泵浦激光透射的增透介質(zhì)膜；第一凹面鏡背向泵浦源的一面依次鍍有促進(jìn)泵浦激光透射的增透介質(zhì)膜以及促進(jìn)增益激光反射的增反介質(zhì)膜。
[0020]進(jìn)一步地，第二凹面鏡和第三凹面鏡朝向諧振腔的一面均鍍有促進(jìn)增益激光反射的增反介質(zhì)膜。
[0021 ] 進(jìn)一步地，激光晶體上面向第一凹面鏡的側(cè)面與面向第二凹面鏡的側(cè)面上依次鍍有促進(jìn)泵浦激光透射的增透介質(zhì)膜和促進(jìn)增益激光反射的增反介質(zhì)膜。
[0022]進(jìn)一步地，泵浦源為光學(xué)耦合輸出的半導(dǎo)體激光器。
[0023]進(jìn)一步地，第一端鏡和第二凹面鏡設(shè)置在可調(diào)節(jié)的光學(xué)平移臺(tái)上。
[0024]應(yīng)用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，實(shí)用新型人僅利用增益介質(zhì)Yb: LYSO激光晶體本身的克爾效應(yīng)，通過(guò)采用第一端鏡即半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)輔助鎖模，在諧振腔內(nèi)不需要任何其它的鎖模元件的情況下，不僅能夠得到可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)的克爾透鏡鎖模的Yb:LYS0激光器，并且采用本實(shí)用新型的激光器可獲得脈沖寬度為61fs的飛秒脈沖輸出，透過(guò)輸出鏡直接輸出的最大平均功率高達(dá)40mW，重復(fù)頻率為112.97MHz,中心波長(zhǎng)為1055.4nm，光譜半高寬為22nm。本實(shí)用新型相比于現(xiàn)有的鎖模激光器來(lái)說(shuō)，首次實(shí)現(xiàn)了克爾透鏡自啟動(dòng)鎖模，更令人驚奇的是，使得脈沖寬度有了明顯縮短，而且相比于其它克爾透鏡鎖模的激光器，實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)且能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0025]根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本實(shí)用新型的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本實(shí)用新型的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類(lèi)似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0027]圖1為根據(jù)本實(shí)用新型一種典型實(shí)施例的克爾透鏡自鎖模激光器的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為根據(jù)本實(shí)用新型一種實(shí)施例的克爾透鏡自鎖模激光器得到的穩(wěn)定的鎖模輸出的脈沖序列，其中，上方為lOns/div時(shí)間尺度，下方為2μ s/div時(shí)間尺度；
[0029]圖3為根據(jù)本實(shí)用新型一種實(shí)施例的克爾透鏡自鎖模激光器用強(qiáng)度自相關(guān)儀測(cè)得的脈沖寬度信號(hào)；
[0030]圖4為根據(jù)本實(shí)用新型一種實(shí)施例的克爾透鏡自鎖模激光器用光譜儀測(cè)得的輸出光譜信號(hào)；
[0031]圖5a_5b為根據(jù)本實(shí)用新型一種實(shí)施例的克爾透鏡自鎖模激光器用頻譜分析儀測(cè)得的頻譜圖，其中，圖5a是分辨率為IkHz時(shí)的頻譜，圖5b是分辨率為10kHz時(shí)的頻譜；以及
[0032]圖6為根據(jù)本實(shí)用新型一種實(shí)施例的將SESAM換為一個(gè)平面鏡時(shí)得到的穩(wěn)定的純克爾透鏡自鎖模的強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)。

【具體實(shí)施方式】
[0033]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的克爾透鏡鎖模在實(shí)現(xiàn)寬光譜亞10fs的鎖模脈沖輸出時(shí)無(wú)法自啟動(dòng)的問(wèn)題，以及該克爾透鏡鎖模因受環(huán)境影響維持時(shí)間短且鎖模掉了后還需要給予外界擾動(dòng)才能重新建立鎖模等問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一種克爾透鏡自鎖模Yb: LYSO (Yb: LuYS15摻鐿硅酸镥釔)激光器。該Yb: LYSO激光器不僅首次實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)的克爾透鏡鎖模的，而且更讓人驚奇的是，還獲得了脈沖寬度為61fs的飛秒脈沖輸出，顯著縮短了脈沖寬度，而且相比于現(xiàn)有的克爾透鏡鎖模的激光器，實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)及長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0034]如圖1所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)典型實(shí)施例中，激光器包括泵浦源10、由Yb:LYS0材料形成的激光晶體20以及由多個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)。其中，泵浦源10用于提供泵浦激光。激光晶體20同時(shí)用作增益介質(zhì)和克爾介質(zhì)，形成克爾透鏡鎖模。由多個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，其布置成能夠與泵浦源10和激光晶體20 —起以克爾透鏡鎖模機(jī)制工作。其中，光學(xué)系統(tǒng)包括用于形成激光的往返光路的諧振腔，激光晶體20設(shè)置在往返光路中；諧振腔具有設(shè)置在往返光路的第一端部處的用于反射激光的第一端鏡30。其中，第一端鏡30為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，用于啟動(dòng)與穩(wěn)定克爾透鏡鎖模。
[0035]在本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，諧振腔還具有設(shè)置在往返光路的第二端部處用作輸出鏡的第二端鏡40。其中，第二端鏡40為平面鏡，其除了具有輸出少量透過(guò)光的作用外，還可以將振蕩激光不停地反射回諧振腔，即用于部分反射和部分透射激光。
[0036]優(yōu)選地，第二端鏡40面向諧振腔內(nèi)的一面鍍有對(duì)增益激光，即波長(zhǎng)為1000?IlOOnm的增益激光的透過(guò)率為0.4%的介質(zhì)膜。第二端鏡40背向諧振腔內(nèi)的一面鍍有促進(jìn)增益激光透射的增透介質(zhì)膜。現(xiàn)有技術(shù)中一般采用透過(guò)率為5%或2%的介質(zhì)膜，而本實(shí)用新型創(chuàng)造性地采用透過(guò)率為0.4%的介質(zhì)膜，主要目的是減小振蕩激光的透過(guò)率，使得振蕩激光能夠在諧振腔內(nèi)多次反射振蕩，進(jìn)而增強(qiáng)諧振腔內(nèi)的功率密度，提高晶體的克爾透鏡效應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)克爾透鏡鎖模。第二端鏡40背向諧振腔內(nèi)的一面鍍有促進(jìn)增益激光透射的增透介質(zhì)膜，主要是考慮到由于前表面對(duì)振蕩激光的透過(guò)率較低，后表面的反射對(duì)輸出功率影響較大，有助于降低第二端鏡40對(duì)輸出激光的損耗。
[0037]如圖1所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施例中，諧振腔還具有沿往返光路設(shè)置在第一端鏡30和第二端鏡40之間的第一凹面鏡50、第二凹面鏡60和第三凹面鏡70。其中，第一凹面鏡50和第二個(gè)凹面鏡60分別相對(duì)地設(shè)置在Yb = LYSO激光晶體20的兩側(cè)，并且布置成使得泵浦源10發(fā)出的泵浦激光經(jīng)過(guò)第一凹面鏡50后入射到激光晶體20上，振蕩產(chǎn)生的激光先入射到第二凹面鏡60上，并被第二凹面鏡60和第三凹面鏡70依次反射，然后入射到第一端鏡30上；第一端鏡30將激光原路返回，到達(dá)第一凹面鏡50,并被第一凹面鏡50依次反射，最終入射到第二端鏡40上，透過(guò)第二端鏡40輸出經(jīng)鎖模的激光。
[0038]在本實(shí)用新型的一個(gè)典型實(shí)施例中，諧振腔還具有在往返光路中用于色散補(bǔ)償?shù)腉TI鏡80，其布置成將來(lái)自第一凹面鏡50和第二端鏡40中一個(gè)的激光反射至另一個(gè)。GTI鏡80用于補(bǔ)償腔內(nèi)空氣、Yb = LYSO激光晶體20以及SESAM30所引入的正常色散。如果沒(méi)有GTI鏡80的補(bǔ)償，則會(huì)使得諧振腔內(nèi)存在凈的正色散，從而無(wú)法較好地實(shí)現(xiàn)，甚至不能夠?qū)崿F(xiàn)克爾透鏡鎖模。相比于傳統(tǒng)的棱鏡，本實(shí)用新型采用GTI鏡80進(jìn)行色散補(bǔ)償，其方便簡(jiǎn)單而且占地空間小，可以使整個(gè)振蕩器的結(jié)構(gòu)更為緊湊。
[0039]優(yōu)選地，GTI鏡80提供的反常色散值為-800fs2?-1200fs2。該反常色散值的范圍主要是根據(jù)腔內(nèi)的正色散量來(lái)確定。如果反常色散值高于_1200fs2，則會(huì)出現(xiàn)腔內(nèi)負(fù)色散過(guò)多的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)最短脈沖輸出；相反，如果反常色散值低于-800fs2，則會(huì)出現(xiàn)腔內(nèi)為凈的正色散，容易導(dǎo)致無(wú)法滿足克爾透鏡鎖模條件。最優(yōu)選地，GTI鏡80提供的反常色散值為_(kāi)800fs2，此時(shí)能夠達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。
[0040]如圖1所示，具體地，從泵浦源10發(fā)出的976nm的泵浦激光經(jīng)第一凹面鏡50后入射到Y(jié)b = LYSO激光晶體20上，振蕩產(chǎn)生的1.05 μ m增益激光入射到第二凹面鏡60上后并被第二凹面鏡60和第三凹面鏡70依次反射，入射到第一端鏡30即半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)上。SESAM30將激光原路返回，到達(dá)第一凹面鏡50，并被第一凹面鏡50和GTI鏡60依次反射，最終入射到輸出鏡80。透過(guò)輸出鏡80直接輸出的飛秒脈沖的脈沖寬度為61fs，最大平均功率為40mW，重復(fù)頻率為112.97MHz,中心波長(zhǎng)為1055.4nm，光譜半高寬為22nm。本實(shí)用新型首次利用Yb:LYSO激光晶體20的克爾效應(yīng)及SESAM30的輔助鎖模，實(shí)現(xiàn)了自啟動(dòng)的穩(wěn)定克爾透鏡鎖模，該61fs脈沖寬度也是Yb3+摻雜的硅酸晶體得到的最短脈沖。
[0041]本實(shí)用新型中所采用的光學(xué)系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合聚焦單元，用于將來(lái)自泵浦源10的泵浦激光聚焦于激光晶體。在本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，泵浦源10為光學(xué)耦合輸出的半導(dǎo)體激光器，用于輸出波長(zhǎng)為976nm的泵浦激光。泵浦源10的最大輸出功率為25W，光纖的纖芯直徑為100 μ m，數(shù)值孔徑為0.22。光纖輸出的泵浦激光經(jīng)過(guò)一個(gè)1:0.8的光學(xué)耦合聚焦單元聚焦后到達(dá)Yb = LYSO激光晶體20的中心。優(yōu)選Yb = LYSO激光晶體20垂直于泵浦激光方向放置。
[0042]本實(shí)用新型對(duì)Yb:LYSO激光晶體20的形狀沒(méi)有特殊限制，只要能夠滿足足夠的增益長(zhǎng)度(3mm)即可。如可以為圓柱體、長(zhǎng)方體、正方體等。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中,Yb:LYSO激光晶體20為正方體。進(jìn)一步優(yōu)選地，激光晶體20的尺寸為3mmX3mmX3mm。
[0043]在本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，Yb = LYSO激光晶體20中Yb原子摻雜濃度為5%?10%?？紤]到激光增益與重吸收的問(wèn)題，本實(shí)用新型采用上述數(shù)值范圍的Yb原子摻雜濃度，此時(shí)得到的Yb:LYSO激光晶體20同時(shí)具有足夠的激光增益和較小的重吸收。如果摻雜濃度高于10%，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)振蕩激光重吸收的問(wèn)題；相反，如果摻雜濃度低于5%，會(huì)導(dǎo)致增益不夠。因此，經(jīng)綜合考慮，本實(shí)用新型將Yb原子的摻雜濃度控制為5%?10%。最優(yōu)選地，YbiLYSO激光晶體20中Yb原子摻雜濃度為5%。
[0044]為了提高泵浦效率以及減小諧振腔的損耗，優(yōu)選地，Yb:LYSO激光晶體20上面向第一凹面鏡30的側(cè)面與面向第二凹面鏡40的側(cè)面上依次鍍有促進(jìn)泵浦激光透射的增透介質(zhì)膜和促進(jìn)增益激光反射的增反介質(zhì)膜。一般泵浦激光的波長(zhǎng)為970?980nm，增益激光的波長(zhǎng)為1000?llOOnm。在未鍍?cè)鐾附橘|(zhì)膜和增反介質(zhì)膜的Yb = LYSO激光晶體的四周側(cè)包覆有銦鉬層。設(shè)置銦鉬層有助于提高晶體的散熱能力，進(jìn)而使晶體表面溫度保持恒定。設(shè)置有介質(zhì)膜和銦鉬層的Yb: LYSO激光晶體20固定在水冷銅塊上，水冷銅塊設(shè)置在可調(diào)節(jié)的光學(xué)平移臺(tái)上紫銅的水冷架上。制冷且循環(huán)流通的蒸餾水保證Yb:LYSO激光晶體20的表面溫度維持在10°C，避免由于熱積累導(dǎo)致輸出激光的穩(wěn)定性變差。
[0045]在本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一凹面鏡50與第二凹面鏡60的曲率半徑為75_。其中，曲率半徑的大小主要影響到晶體中心聚集光斑大小，進(jìn)而影響晶體的克爾透鏡效應(yīng)的強(qiáng)弱。本實(shí)用新型將第一凹面鏡50和第二凹面鏡60的曲率半徑限定為上述數(shù)值，聚焦光斑小且空間緊湊，保證增益激光在Yb: LYSO激光晶體20的中心處足夠小，進(jìn)而得到了較高的功率密度，增強(qiáng)了克爾透鏡效應(yīng)，從而得到了更短的脈沖寬度及更穩(wěn)定的自啟動(dòng)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)?？蛇x地，第三凹面鏡70的曲率半徑為300mm。第三凹面鏡70的作用主要是將振蕩激光聚焦到SESAM30上，其曲率半徑的大小主要影響到SESAM30上光斑的大小。將其曲率半徑限定為300nm，可以保證SESAM30上的能流密度為飽和能流密度的10倍左右，滿足SESAM30的最佳工作條件。第二凹面鏡60和第三凹面鏡70朝向諧振腔的一面均鍍有促進(jìn)增益激光反射的增反介質(zhì)膜。
[0046]在本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施例中，第一凹面鏡50面向泵浦源10的一面鍍有促進(jìn)泵浦激光透射的增透介質(zhì)膜。第一凹面鏡50背向泵浦源10的一面依次鍍有促進(jìn)泵浦激光透射的增透介質(zhì)膜以及促進(jìn)增益激光反射的增反介質(zhì)膜。
[0047]在本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為了方便調(diào)節(jié)SESAM30的位置，優(yōu)選地，將第一端鏡SESAM30設(shè)置在可調(diào)節(jié)的光學(xué)平移臺(tái)上。這樣可以根據(jù)需要對(duì)SESAM30的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)SESAM30上光斑的大小。考慮到第二凹面鏡60與晶體之間的距離對(duì)于實(shí)現(xiàn)克爾透鏡鎖模十分重要，為了便于調(diào)節(jié)該距離，優(yōu)選地，第二凹面鏡60也設(shè)置在可調(diào)節(jié)的光學(xué)平移臺(tái)上。
[0048]SESAM30的飽和通量、弛豫時(shí)間決定了其輔助鎖模特性，而這些特性則是由其生長(zhǎng)溫度、吸收區(qū)厚度所決定。SESAM30的飽和通量的大小，影響其輔助鎖模的閾值。在本實(shí)用新型的一個(gè)最佳實(shí)施例中，SESAM30的調(diào)制深度為0.4%，飽和通量為90J/cm2，弛豫時(shí)間<500fs,中心波長(zhǎng)為1064nm。此外，與其它鎖模元件相比，本實(shí)用新型所采用的SESAM30輔助鎖模，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠大大簡(jiǎn)化克爾透鏡鎖模激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加其實(shí)用性，從而使超短激光脈沖得到了更廣泛的應(yīng)用和飛速發(fā)展。
[0049]在本實(shí)用新型的具體實(shí)施例中，第一端鏡SESAM30和用于輸出激光的第二端鏡40構(gòu)成了諧振腔的兩個(gè)端鏡，整個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度為1.33m，對(duì)應(yīng)于重復(fù)頻率為112.97MHz。用ABCD矩陣計(jì)算得到晶體和SESAM上的光斑分別為14 μ mX 39 μ m和54 μ mX 54 μ m。
[0050]本實(shí)用新型的最佳實(shí)施中提供的激光器得到的穩(wěn)定連續(xù)鎖模最大平均輸出功率為40mW，用快速光電二極管及采樣頻率為200MHz的示波器檢測(cè)到的腔內(nèi)鎖模脈沖序列如圖2所示。上方為lOns/div時(shí)間尺度，下方為2uS/div時(shí)間尺度。從圖2中可以看出克爾透鏡鎖模十分穩(wěn)定。
[0051]圖3為采用型號(hào)為FR-103MN的強(qiáng)度自相關(guān)儀測(cè)得的脈沖自相關(guān)信號(hào)。從圖3中可以看出，在雙曲脈正割型脈沖假設(shè)下，對(duì)應(yīng)的脈沖寬度為61fs，可見(jiàn)，采用本實(shí)用新型所提供的激光器能夠達(dá)到最短的脈沖輸出。圖4為采用光譜儀測(cè)得的光譜圖，從圖4中可以看出，其中心波長(zhǎng)為1055.4nm，光譜半高寬為22nm。
[0052]圖5a_5b為采用頻譜分析儀測(cè)得的鎖模頻譜圖。圖5a的分辨率為1kHz，頻率范圍為250kHz ;圖5b的分辨率為10kHz，頻率范圍為IGHz。圖2的示波器上所示脈沖序列與圖5a-5b中的頻譜儀測(cè)量的結(jié)果均表明，本實(shí)用新型的實(shí)施例所提供的激光器具有很好的穩(wěn)定性。
[0053]為了進(jìn)一步證明本實(shí)用新型提供的激光器鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)確實(shí)為克爾透鏡鎖模，在本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施例中，將第一端鏡SESAM30用平面高反鏡代替。利用平面鏡作為端鏡，可以得到脈沖寬度為68fs穩(wěn)定的純克爾透鏡鎖模，其強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)如圖6所示。雖然純的克爾透鏡鎖模雖然十分穩(wěn)定，但是一旦鎖模失鎖，在沒(méi)有外界的微擾如輕推端鏡等情況下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。
[0054]將圖3中具有SESAM30輔助鎖模得到的強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)與圖6中未采用SESAM30輔助鎖模得到的強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，兩者的強(qiáng)度自相關(guān)信號(hào)差異較小，說(shuō)明圖3中采用SESAM30輔助鎖模后得到的激光器鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)確實(shí)為克爾透鏡鎖模，從而說(shuō)明了采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案的激光器確實(shí)為穩(wěn)定的克爾透鏡自鎖模，且由于SESAM30的存在，完全可以自啟動(dòng)并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定鎖模。并且本實(shí)用新型采用對(duì)稱(chēng)共焦式的諧振腔結(jié)構(gòu)，并采用緊聚焦的腔型設(shè)計(jì)，能夠減小增益激光在Yb:LYSO晶體中心上的束腰大小，增加了腔內(nèi)的功率密度，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了克爾透鏡效應(yīng)，有利于克爾透鏡鎖模的形成。
[0055]可見(jiàn)，本實(shí)用新型具有很好的實(shí)用性和可操作性，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，不僅具有很好的穩(wěn)定性而且可以自啟動(dòng)，適用于重復(fù)生產(chǎn)和組裝，適于批量化生產(chǎn)、成本較低、激光單向輸出、高重復(fù)頻率、亞10fs量級(jí)的脈沖寬度，高穩(wěn)定性以及自啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療及科研領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。
[0056]至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，雖然本文已詳盡示出和描述了本實(shí)用新型的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本實(shí)用新型公開(kāi)的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本實(shí)用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實(shí)用新型的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種克爾透鏡自鎖模Yb:LYSO激光器，用于輸出經(jīng)鎖模的激光，其特征在于，包括: 泵浦源(10)，用于提供泵浦激光； 由Yb:LYSO材料形成的激光晶體(20)，同時(shí)用作增益介質(zhì)和克爾介質(zhì)； 由多個(gè)光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，其布置成能夠與泵浦源(10)和所述激光晶體(20)一起以克爾透鏡鎖模機(jī)制工作；其中，所述光學(xué)系統(tǒng)包括用于形成所述激光的往返光路的諧振腔，所述激光晶體(20)設(shè)置在所述往返光路中；所述諧振腔具有設(shè)置在所述往返光路的第一端部處的用于反射所述激光的第一端鏡(30)； 其中，所述第一端鏡(30)為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，用于啟動(dòng)與穩(wěn)定所述克爾透鏡鎖模。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，所述諧振腔具有設(shè)置在所述往返光路的第二端部處的用作輸出鏡的第二端鏡(40)，用于部分反射和部分透射所述激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器，其特征在于，所述諧振腔還具有沿所述往返光路設(shè)置在所述第一端鏡(30)和所述第二端鏡(40)之間的第一凹面鏡(50)、第二凹面鏡￠0)和第三凹面鏡(70);并且布置成使得所述泵浦源(10)發(fā)出的所述泵浦激光經(jīng)過(guò)第一凹面鏡(50)后入射到激光晶體(20)上，振蕩產(chǎn)生的激光先入射到所述第二凹面鏡￠0)上，并被所述第二凹面鏡￠0)和所述第三凹面鏡(70)依次反射，然后入射到所述第一端鏡(30)上；所述第一端鏡(30)將激光原路返回，到達(dá)所述第一凹面鏡(50)，并被所述第一凹面鏡(50)依次反射，最終入射到所述第二端鏡(40)上，透過(guò)所述第二端鏡(40)輸出經(jīng)鎖模的所述激光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器，其特征在于，所述諧振腔還具有在所述往返光路中用于色散補(bǔ)償?shù)腉TI鏡(80)，其布置成將來(lái)自所述第一凹面鏡(50)和所述第二端鏡(40)中一個(gè)的激光反射至另一，其中，所述GTI鏡(80)提供的反常色散值為-800fs2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光晶體(20)中Yb原子摻雜濃度為5%?10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)還包括光學(xué)耦合聚焦單元，用于將來(lái)自所述泵浦源(10)的所述泵浦激光聚焦于所述激光晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光器，其特征在于，所述第一凹面鏡(50)和所述第二凹面鏡(60)的曲率半徑為75mm，所述第三凹面鏡(70)的曲率半徑為300mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光晶體(20)為正方體形狀，所述激光晶體(20)的尺寸為3mmX3mmX3mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于， 所述第一端鏡(30)的調(diào)制深度為0.4%?1.6%，飽和通量為60?120μ J/cm2，弛豫時(shí)間彡500fs,中心波長(zhǎng)為1040?1064nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器，其特征在于， 所述第二端鏡(40)面向所述諧振腔內(nèi)的一面鍍有對(duì)增益激光的透過(guò)率為0.4%的介質(zhì)膜； 所述第二端鏡(40)背向所述諧振腔內(nèi)的一面鍍有促進(jìn)增益激光透射的增透介質(zhì)膜。
【文檔編號(hào)】H01S3/098GK203932662SQ201420288879
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】魏志義, 田文龍, 王兆華, 朱江峰, 韓海年 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 西安電子科技大學(xué)