專利名稱：一種用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔及鎖模皮秒激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及ー種用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔及鎖模皮秒激光器。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展及其應用的需求，對高峰值功率皮秒激光器的需求大大増加。特別是隨著各種學科和エ業(yè)對超短脈沖激光的需求，使得皮秒激光器的需求大大增カロ，表現(xiàn)廣泛的應用前景(例如國防、エ業(yè)、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域)。在不同的實際應用中，皮秒激光器往往需要有不同的峰值功率。例如對于峰值功率GW級的皮秒激光器，其使用過程中對光學元件的損傷往往大大超過了元件的損傷閾值。所以，對于特定的實際應用，皮秒激光器在滿足該應用的性能要求的同時，還需要考慮到其可靠性以及使用壽命等問題，這就需要對其峰值功率進行較為精確地控制。然而，目前沒有很好的辦法來精確控制皮秒激光器的峰值功率。另ー方面，專利申請CN201010234873. 0提出了一種脈寬調(diào)諧的全固態(tài)被動鎖模皮秒激光器和方法，它通過調(diào)節(jié)兩個泵浦源的泵浦功率比例，實現(xiàn)輸出脈寬的連續(xù)調(diào)諧。這個方案的缺陷在于調(diào)諧泵浦功率會使腔內(nèi)能量變化，導致鎖模不穩(wěn)，出現(xiàn)Q調(diào)制現(xiàn)象，從而使器件損壞，増加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因此，當前迫切需要一種既不影響鎖模的穩(wěn)定性，又能夠?qū)Ψ逯倒β蔬M行精確控制的皮秒激光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種既不影響鎖模的穩(wěn)定性，又能夠?qū)Ψ逯倒β蔬M行精確控制的用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔及相應的皮秒激光器。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了ー種用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔，其特征在于，所述諧振腔內(nèi)包括法布里泊羅標準具。其中，所述諧振腔內(nèi)還包括激光晶體、聚焦裝置和半導體可飽和吸收鏡，所述激光晶體、聚焦裝置、法布里泊羅標準具和半導體可飽和吸收鏡沿著光路依次設置。其中，所述諧振腔還包括可調(diào)支架，多個具有不同前后表面反射率和自由譜范圍的組合的法布里泊羅標準具安裝在所述可調(diào)支架上，調(diào)整所述可調(diào)支架能夠?qū)⒉煌姆ú祭锊戳_標準具置于所述諧振腔內(nèi)。其中，所述聚焦裝置由兩個平凹鏡構(gòu)成，其中一個平凹鏡通過反射光束實現(xiàn)它與另一平凹鏡間的象傳遞，另一平凹鏡反射并聚焦光束，使得作用于所述半導體可飽和吸收鏡的光束能量密度高于所述半導體可飽和吸收鏡飽和通量的10倍，而低于所述半導體可飽和吸收鏡的損傷閾值。其中，所述兩個平凹鏡中的ー個為耦合輸出鏡。其中，所述激光晶體的入射端面鍍有振蕩光的反射膜，該反射膜與所述半導體可飽和吸收鏡之間構(gòu)成所述諧振腔。本發(fā)明還提供了一種鎖模皮秒激光器，包括沿著光路依次設置的泵浦源、聚焦鏡和上述的用于輸出皮秒激光的諧振腔。其中，所述聚焦鏡和所述激光晶體之間設置平面鏡，所述平面鏡增鍍振蕩光反射膜和泵浦光増透膜，所述平面鏡與所述半導體可飽和吸收鏡之間構(gòu)成所述諧振腔；或者，所述聚焦鏡和所述激光晶體之間設置短波通45°折轉(zhuǎn)鏡，與所述短波通45°折轉(zhuǎn)鏡相對應的位置處設置耦合輸出鏡，所述耦合輸出鏡與所述半導體可飽和吸收鏡之間構(gòu)成所述諧振腔。其中，所述法布里泊羅標準具可采用石英、BK7玻璃材料制作或者使用空氣隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
其中，所述聚焦鏡雙面增鍍泵浦光増透膜，所述聚焦鏡用于提供最佳的泵浦光束與振蕩光束的模式匹配。其中，所述泵浦源是半導體激光器、半導體光纖耦合模塊或單BAR。其中，所述半導體可飽和吸收鏡采用反射式半導體可飽和吸收鏡或者透射式半導體可飽和吸收鏡。其中，所述激光晶體是Nd :YAG、Nd :YV04、Nd :GdV04、Nd YLF 或者 Nd =KGff 晶體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果I、本發(fā)明能夠?qū)ζっ爰す馄鞯姆逯倒β蔬M行較為精確的控制，有利于更好地滿足各種不同應用的要求。2、本發(fā)明能夠?qū)ζっ爰す馄鞯拿}寬進行控制，有利于更好地滿足各種不同應用的要求。3、本發(fā)明能夠調(diào)諧皮秒脈寬，易于操作，又不影響鎖模穩(wěn)定性。4、本發(fā)明的脈寬可調(diào)諧器件體積小巧，有利于節(jié)省空間。


圖I示出了本發(fā)明ー個實施例的鎖模皮秒激光器的光路示意圖；圖2示出了本發(fā)明另一個實施例的鎖模皮秒激光器的光路示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進ー步地描述。圖I不出了本發(fā)明ー個實施例所提供的鎖模皮秒激光器，該鎖模皮秒激光器是ー種雙路輸出脈寬可調(diào)諧鎖模皮秒激光器。如圖I所示，該鎖模皮秒激光器沿著光路依次包括泵浦源I、聚焦鏡2、平面鏡8、激光晶體3、第一平凹耦合輸出鏡4、第二平凹鏡5、Etalon
6(Etalon是法布里泊羅標準具)和Sesam鏡7 (Sesam鏡是半導體可飽和吸收鏡)。該實施例中，泵浦源I輸出泵浦光束，泵浦光束通過聚焦鏡聚焦后泵浦激光晶體；基頻光束(即振蕩光)在由平面鏡8和Sesam鏡7構(gòu)成的諧振腔中振蕩，當腔內(nèi)能量増益大于損耗時，激光經(jīng)第一平凹耦合輸出鏡4輸出。本實施例中，第一平凹耦合輸出鏡4和第二平凹鏡5組成聚焦裝置。Etalon 6—般用于壓窄光譜寬度。本發(fā)明中，首次提出將Etalon 6置于諧振腔內(nèi)。這樣，在激光振蕩過程中，Etalon會不斷地壓窄光譜寬度，從而實現(xiàn)鎖模激光器的脈沖寬度的調(diào)諧，并進而控制脈沖的峰值功率。在一個實施例中，Etalon可以采用石英、BK7玻璃材料制作或者使用空氣隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在一個實施例中，將多個對應于不同壓窄光譜寬度的Etalon鏡放在旋轉(zhuǎn)支架上(當然，旋轉(zhuǎn)支架也可以用其它類型的可調(diào)支架替代，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的)，通過旋轉(zhuǎn)支架，即可方便地將不同的Etalon鏡置于諧振腔中，從而輸出具有不同的鎖模脈沖寬度的皮秒激光。由于Ppeal^P/Tp，其中！ 為皮秒激光平均功率，T p為皮秒脈沖寬度，Ppeak為峰值功率，不同脈沖寬度就對應于不同的峰值功率，即具有一定平均功率的皮秒激光器，脈寬越寬峰值功率就越低。皮秒激光器的輸出激光的平均功率主要由泵浦功率和耦合輸出鏡決定，當泵浦源和耦合輸出鏡確定后，調(diào)節(jié)脈寬即可精確調(diào)節(jié)輸出激光的峰值功率。下面對其原理做進ー步地介紹。對于連續(xù)鎖模激光器，它的帶寬A V與脈寬％乘積是ー個 定值，S卩Tp*A V常數(shù)，由X=c/v，其中，A為波長，c為的傳波速度，V為光的頻率，分別對波長和頻率微分，得到如下公式，即Av = AA .c/A2，由Tp Av =常數(shù),可知T p AA =常數(shù),其中A入為光譜寬度，簡稱譜寬。即對于脈寬Tpl、譜寬A X1的第一激光和脈寬Tp2、譜寬A X2的第ニ激光，TplA X1=Tp2A X 2。本實施例的皮秒激光器中，設脈寬為Tp，帶寬為A V 0 Etalon通過如下過程實現(xiàn)脈寬的調(diào)諧對于上述實施例中的連續(xù)鎖模激光器，將諧振腔中不放置Etalon時所輸出的脈沖激光的脈寬、帶寬和譜寬分別稱為標準脈寬、標準帶寬和標準譜寬。對于所需調(diào)諧至的特定脈寬，通過公式Tp* A V =常數(shù)，其中、為脈寬，A V為帶寬,獲得所需調(diào)諧至的特定脈寬所對應的特定帶寬。通過調(diào)整Etalon的參數(shù)(可通過更換不同的Etalon實現(xiàn))，即可將皮秒激光脈沖調(diào)諧至所述特定帶寬，從而獲得具有所述特定脈寬的皮秒脈沖激光。例如一臺標準脈寬10ps，標準譜寬0. 24nm的連續(xù)鎖模激光器，如果想將脈寬展寬成30ps，通過公式TplA X1=Tp2A X2，可得出需要將光譜寬度壓窄到0. 08nm，SP光譜寬度 FWHM=O. 08nm。由 etalon 的精細常數(shù) Finesse 公式 F= n (R1R2) 1/4/ (I- (R1R2)1/2)，F(xiàn)SR=FffHM F，其中R1, R2為Etalon的前后表面反射率，F(xiàn)SR為自由譜范圍，即在臨近峰之間的頻率區(qū)間，英文稱做free spectral range。通過選擇參數(shù)R1、R2、FSR即可確定Etalon,即可將皮秒脈沖激光的光譜寬度調(diào)整至相應的FWHM，進而獲得所需的脈寬的皮秒脈沖激光。在對脈寬進行調(diào)諧時，本實施例只要更換具有不同參數(shù)Ri、R2、FSR的Etalon即可，而不需要調(diào)諧泵浦功率，這樣可以保證諧振腔內(nèi)的能量保持不變，使鎖模穩(wěn)定，因此本實施例能夠在保證鎖模皮秒激光器穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)精確的脈寬調(diào)節(jié)，進而對峰值功率進行精確控制。在一個實施例中，聚焦鏡2雙面增鍍泵浦光增透膜，并提供最佳的泵浦光束與振蕩光束的模式匹配，實現(xiàn)高光束質(zhì)量和高光光轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)泵源的光束直徑，一般可以采用I :1，I :2，I :3，I 4的擴束比例實現(xiàn)泵浦光與晶體內(nèi)腔模的匹配。在一個實施例中，平面鏡雙面增鍍泵浦光増透膜，后表面(即靠激光晶體3 —側(cè)的表面)加鍍振蕩光高反膜。當然，在其他實施例，根據(jù)需要也可以不采用平面鏡8，而是將激光晶體入射端面加鍍振蕩光高反膜和泵浦光増透膜，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的。在一個實施例中，第一平凹耦合輸出鏡4既具有聚焦功能又作為激光器系統(tǒng)的耦合輸出鏡。在第一平凹耦合輸出鏡4的反射面(即凹面)增鍍對振蕩光具有一定透過率的膜，該透過率一般在2%到15%范圍內(nèi)選擇，第一平凹耦合輸出鏡4的不同透過率就對應于不同的輸出透過率以及輸出激光的平均功率。耦合輸出鏡的輸出透過率一般根據(jù)腔內(nèi)能量與鎖模閾值決定。在不計鏡片損耗的情況下，腔內(nèi)平均功率乘以透過率約等于輸出激光的平均功率，腔內(nèi)能量密度=腔內(nèi)平均功率密度/鎖模頻率，腔內(nèi)平均功率密度=腔內(nèi)平均功率/激光光束面積，加載在Sesam上的腔內(nèi)能量密度高于Sesam的飽和通量10倍，可實現(xiàn)連續(xù)鎖摸?？梢钥闯觯高^率越大，實現(xiàn)連續(xù)鎖模所需要的腔內(nèi)能量就越大。在一個實施例中，第二平凹鏡5的反射面增鍍振蕩光高反膜，用于聚焦光束，使光束的能量達到Sesam鏡7的連續(xù)鎖模閾值。在優(yōu)選實施例中，第二平凹鏡5應使聚焦后的光束能量密度高于Sesam鏡7飽和通量的10倍，而低于Sesam鏡的損傷閾值。在一個實施例中，泵浦源I是半導體激光器，在另ー個實施例中，泵浦源I為單BAR(中文一般稱為單耙)。Sesam鏡7作為被動鎖模器件，實現(xiàn)激光器的連續(xù)鎖模皮秒脈沖輸出。在一個實施例中，采用反射式Sesam鏡7，Sesam鏡7的飽和通量一般大于60 U J/cm2。當然，根據(jù)需要， 也可以采用透射式Sesam鏡7,在一個優(yōu)選實施例中，Sesam鏡7采用焊接方法焊接在熱沉上，這樣可以實現(xiàn)快速導熱。當然，上述實施例的Sesam鏡7也可以采用透射式Sesam鏡這是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的。在一個實施例中，激光晶體3作為增益介質(zhì)，雙端面增鍍泵浦光和振蕩光增透膜。激光晶體可以是Nd :YAG、Nd :YV04、Nd :GdV04、Nd :YLF或者Nd :KGW晶體。在優(yōu)選實施例中，激光晶體3的通光長度小于IOmm為佳，當然根據(jù)實際情況，也可以采用大尺寸晶體。激光晶體3用銦泊包裹，夾持在熱沉內(nèi)，根據(jù)泵浦光功率大小，選擇無制冷、制冷片制冷、水冷等方式。圖2示出了本發(fā)明另一個實施例所提供的鎖模皮秒激光器，該鎖模皮秒激光器是單路輸出脈寬可調(diào)諧鎖模皮秒激光器。如圖2所示，該鎖模皮秒激光器沿著主光路依次包括泵浦源I、聚焦鏡2、短波通45°折轉(zhuǎn)鏡9、激光晶體3、第一平凹鏡11、第二平凹鏡5、etalon 6和Sesam鏡7。該鎖模皮秒激光器還包括設置在與短波通45°折轉(zhuǎn)鏡9相對應的位置處的耦合輸出鏡10，這樣耦合輸出鏡10與Sesam鏡7之間構(gòu)成振蕩光的諧振腔，當腔內(nèi)能量増益大于損耗時，激光經(jīng)耦合輸出鏡10輸出。本實施例中，第一平凹鏡11和第二平凹鏡5組成聚焦裝置。在一個實施例中，短波通45°折轉(zhuǎn)鏡9雙面增鍍泵浦光45°增透膜，后表面(即靠近激光晶體3的ー側(cè))增鍍振蕩光45°高反膜。耦合輸出鏡的輸出透過率根據(jù)腔內(nèi)能量與鎖模閾值決定，雙面增鍍振蕩光不同反射率的膜。在一個實施例中，第一平凹鏡11的反射面增鍍振蕩光高反膜，用于實現(xiàn)象傳遞。上述實施例中，Etalon 6均設置于第二平凹鏡5和Sesam鏡7之間，本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解，Etalon 6也可以設置在諧振腔內(nèi)的其它位置同樣可以實現(xiàn)脈寬調(diào)諧。當然，需要指出的是，當Etalon 6設置于第二平凹鏡5和Sesam鏡I之間(聚焦裝置和Sesam鏡之間)吋，etalon 6的入射和反射的光束能更好地重合，這樣就使整個鎖模皮秒激光器具有更好的穩(wěn)定性。另外，上述實施例中的用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔除了用于激光器中外，也可以用于其它的激光系統(tǒng)中，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的。最后，上述的實施例僅用來說明本發(fā)明，它不應該理解為是對本發(fā)明的保護范圍進行任何限制。而且，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明白，在不脫離上述實施例精神和原理下，對上述實施例所進行的各種等效變化、變型以及在文中沒有描述的各種改進均在本專利的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔，其特征在于，所述諧振腔內(nèi)包括法布里泊羅標準具。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔，其特征在于，所述諧振腔內(nèi)還包括激光晶體、聚焦裝置和半導體可飽和吸收鏡，所述激光晶體、聚焦裝置、法布里泊羅標準具和半導體可飽和吸收鏡沿著光路依次設置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔，其特征在于，還包括可調(diào)支架，多個具有不同前后表面反射率和自由譜范圍的組合的法布里泊羅標準具安裝在所述可調(diào)支架上，調(diào)整所述可調(diào)支架能夠?qū)⒉煌姆ú祭锊戳_標準具置于所述諧振腔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔，其特征在于，所述聚焦裝置由兩個平凹鏡構(gòu)成，其中一個平凹鏡通過反射光束實現(xiàn)它與另一平凹鏡間的象傳遞，另一平凹鏡反射并聚焦光束，使得作用于所述半導體可飽和吸收鏡的光束能量密度高于所述半導體可飽和吸收鏡飽和通量的10倍，而低于所述半導體可飽和吸收鏡的損傷閾值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔，其特征在于，所述兩個平凹鏡中的一個為耦合輸出鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔，其特征在于，所述激光晶體的入射端面鍍有振蕩光的反射膜，該反射膜與所述半導體可飽和吸收鏡之間構(gòu)成所述諧振腔。
7.一種鎖模皮秒激光器，包括沿著光路依次設置的泵浦源、聚焦鏡和權(quán)利要求I所述的用于輸出皮秒激光的諧振腔。
8.一種鎖模皮秒激光器，包括沿著光路依次設置的泵浦源、聚焦鏡和權(quán)利要求2飛中任一項所述的用于輸出皮秒激光的諧振腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎖模皮秒激光器，其特征在于，所述聚焦鏡和所述激光晶體之間設置平面鏡，所述平面鏡增鍍振蕩光反射膜和泵浦光増透膜，所述平面鏡與所述半導體可飽和吸收鏡之間構(gòu)成所述諧振腔；或者，所述聚焦鏡和所述激光晶體之間設置短波通45°折轉(zhuǎn)鏡，與所述短波通45°折轉(zhuǎn)鏡相對應的位置處設置耦合輸出鏡，所述耦合輸出鏡與所述半導體可飽和吸收鏡之間構(gòu)成所述諧振腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鎖模皮秒激光器，其特征在于，所述法布里泊羅標準具可采用石英、BK7玻璃材料制作或者使用空氣隙結(jié)構(gòu)構(gòu)成；所述聚焦鏡雙面增鍍泵浦光増透膜，所述聚焦鏡用于提供最佳的泵浦光束與振蕩光束的模式匹配；所述泵浦源是半導體激光器、半導體光纖耦合模塊或單BAR ;所述半導體可飽和吸收鏡采用反射式半導體可飽和吸收鏡或者透射式半導體可飽和吸收鏡；所述激光晶體是Nd :YAG、Nd :YV04、Nd :GdV04、Nd YLF或者Nd =KGff晶體，并且所述激光晶體兩個端面均增鍍振蕩光和泵浦光的增透膜。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于輸出鎖模皮秒激光的諧振腔及鎖模皮秒激光器，鎖模皮秒激光器包括沿著光路依次設置的泵浦源、聚焦鏡和用于輸出皮秒激光的諧振腔，其特征在于，所述諧振腔內(nèi)包括激光晶體、聚焦裝置、法布里泊羅標準具和半導體可飽和吸收鏡，所述聚焦裝置使得作用于所述半導體可飽和吸收鏡的光束能量密度能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)鎖模。本發(fā)明能夠?qū)ζっ爰す馄鞯姆逯倒β蔬M行較為精確的控制，有利于更好地滿足各種不同應用的要求。本發(fā)明能夠?qū)ζっ爰す馄鞯拿}寬進行控制，有利于更好地滿足各種不同應用的要求。本發(fā)明能夠調(diào)諧皮秒脈寬，易于操作，又不影響鎖模穩(wěn)定性。本發(fā)明的脈寬可調(diào)諧器件體積小巧，有利于節(jié)省空間。
文檔編號H01S3/08GK102832536SQ20121029237
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者麻云鳳, 余錦, 樊仲維, 牛崗, 趙天卓, 閆瑩 申請人:中國科學院光電研究院, 北京國科世紀激光技術(shù)有限公司