专利名称：一种自锁模激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自锁模激光器，特别是一种自启动的自锁模激光器。
背景技术：
克尔透镜锁模，是目前从固态激光器获取超短脉冲的最有效的方法之一。最简单 的具体装置是利用激光晶体的非线性折射率作为克尔介质以及激光材料内部的增益 分布形成的软光阑(参见Spence D.E.etc., Opt丄etU6,p42)，但是由于激光晶体本身的非 线性折射率一般比较小，并受到激光晶体本身的饱和光强的限制，只有当振荡脉冲的 峰值功率密度达到一定强度时才会在晶体中形成有效的增益光阑，进而在腔内形成随 光强增大而减小的非线性损耗，维持连续锁模运转。在实际应用中，人们大多使用四 镜腔，在光束聚焦的位置放置非线性折射率大的晶体，在束腰处放置硬光阑，从而获 得快速可饱和吸收体的作用效果。
另外，由于克尔透镜锁模不足以对连续锁模程序进行自启动，需要用扰动腔体或 者增加系统的非线性引起强度起伏的方法来达到自启动，例如再生反馈、同步泵浦、 在谐振腔反射镜上装压电换能器和用半导体可饱和吸收体驱动等方法(参见W.克希 耐尔，《固体激光工程》)，这些方法在启动锁模运转的同时无疑使整个激光器系统变 得庞大和复杂，也增加了系统调试的难度。
传统的端面泵浦激光器的泵浦光是平顶高斯光束，目的是为了获得高斯TEMoo 模输出，为此，人们设计了各种耦合系统。但是，这种理想的平顶高斯泵浦光束难以 在激光晶体中形成有效的自启动锁模作用，虽然已经有一些理论证明激光晶体中可以 形成增益光阑，但是实验上却一直没有彻底地实现，即使偶有报道，也因其复现性差 而不被接受(参见G.Cerallo, Opt丄ett.9,pl040)。
发明内容
本发明目的是解决以上所述的克尔透镜锁模激光器的缺点，提出一种自锁模激 光器的设置方法及其激光器激光谐振腔内不需要光阑和非线性折射率大的晶体，也 不需要任何锁模启动装置，仅用改变泵浦光束光强分布的方法，在激光晶体中形成有 效的锁模机制，实现连续锁模运转的自启动，用该方法实现的锁模运转不受激光晶体 本身的饱和强度的限制，能够在泵浦光强很低的情况下获得超短脉冲激光。
本发明的技术方案是自锁模激光器的设置方法，采用光束整形系统使泵浦光斑 的中心处的光强小于其周围的光强，即造成泵浦光的中心光强有凹陷，该泵浦光由激 光晶体的一个端面入射至激光谐振腔，采用激光晶体作为激光增益晶体的同时又作为 锁模器件，从而在激光晶体中心形成一个类似于光阑的区域，通过调节泵浦光束，就 可以控制光阑区域的大小，晶体克尔效应和软光阑共同作用，完成锁模运转的启动和 维持，其泵浦源包括二极管激光器、全固态激光器等各种泵浦光源，还可以实现调Q 锁模脉冲输出。激光谐振腔是端面泵浦方式的线性腔、从激光晶体的一个端面泵浦的X型腔和双 端面泵浦的折叠腔，所有从激光晶体的端面进行泵浦的谐振腔型都可以用此方法实现 超短脉冲激光。
可以直接用耦合镜对光纤输出的泵浦光束进行聚焦，使焦点后的光束的光斑中心 处的光强减小；也可以直接调节二极管激光的输出，使二极管激光的横模达到要求， 只要是通过改变泵浦光束的光强分布，区别于传统的平顶高斯光束，从而在激光增益 介质中形成有效的锁模机制都属于本发明的技术方案。
激光晶体可以是以掺杂过渡金属离子Cr3+、 Ti3+、 0)2+等的可调谐激光晶体，也 可以是NcP、 Ho3+、 Yb3+、 Tm2+、 Ei^等掺杂稀土离子的增益介质，只要是可以从晶 体的端面进行泵浦的激光晶体都可以用这种方案实现超短脉冲激光运转。
可以在谐振腔内设置以增强锁模为目的的其他锁模器件，比如硬光阑、非线性 可饱和吸收体Cr":YAG、 GaAs、 SESAM等。
对于宽增益的激光晶体，可以在腔内或者腔外设置群速度色散补偿器件，以获 得转换极限的超短脉冲；对于较窄增益的晶体，特别是转换极限为皮秒量级的晶体， 群速度色散对脉宽的影响很小，可以不再增加色散补偿器件。
单面泵浦的X型腔飞秒激光器，设有一个使入射到激光晶体上的泵浦光束为中心 光强有凹陷的平顶高斯光束的光束整形系统，对Nd:YLF倍频输出的527nm光束进行 整形，X型腔内激光晶体为Ti:蓝宝石，X型腔的输入镜M2镀膜为750 850nm宽 带高反射和527nm髙透射，X型腔的其它三个腔镜M" M3. ^4镀膜为750 850nm 宽带高反射，X型腔输出经过对为群速度色散补偿器件的棱镜后经输出镜M5输出， M5宽带750 850nm透过率3.6y。，，实现自启动的连续锁模运转，输出波长可调谐的 飞秒脉冲激光。
单端面泵浦的Z型折叠腔皮秒激光器，设有一个使入射到激光晶体上的泵浦光束 为中心光强有凹陷的平顶高斯光束的含耦合镜的光束整形系统，Z型腔内激光晶体为 Nd:YV04， Z型折叠腔的平面输入镜Mp镀膜为高反射1342nm和高透射808nm;两 平凹镜M2， M3曲率半径分别为500mm和300mm，镀膜均为高反射1342nm;激光 器的平面输出镜M4对1342nm透过率10%,所述耦合镜为两个平凸聚焦透镜。
本发明的有益效果是目前，在实验上已经用本发明方法实现了完全自启动的 连续锁模皮秒脉冲序列，在泵浦功率不到1瓦的情况下就实现了完全的连续锁模运 转，且输出功率和脉冲宽度长时间保持稳定，完全自启动，不需要任何的外界扰动， 证明了此方法是完全有效可行的。单面泵浦的X型腔飞秒激光器和Z型折叠腔皮秒 激光器尤其是具有实施效果良好的激光器。
尽管已经在实验中实现了这种自锁模激光器，但是其中的锁模机制尚待深入探 讨，实际上对克尔透镜的锁模机制也正在研究之中。但本发明方法实现的锁模激光器 使整个激光器系统简单化，不需要附加任何扰动措施，锁模阈值大大降低，工作波长 范围广，对晶体受激辐射范围内的所有波长都可以用这种方法实现超短脉冲激光输 出。
图1有色散补偿的X型腔自锁模激光器的光路l(a)和泵浦光强分布l(b)的示意
图
图2端面泵浦的Z型腔自锁模激光器的光路2(a)和泵浦光强分布2(b)的示意图 图3采用图2装置的自锁模激光器输出的连续锁模脉冲序列 图中激光晶体l、含耦合镜的光束整形系统2、 LD泵浦光。
具体实施例方式
(1)用一个耦合系统对Nd:YLF倍频输出的527nm泵浦光束进行调制，使入射 到激光晶体上的光束为中心光强有凹陷的平顶高斯光束，如附图l(a)，采用附图l(b) 所示的折叠腔，激光晶体为Ti:Sapphire,腔镜镀膜M!， M3. M4: HR (高反射) @750-850nm， M2: HR@750-850nm&HT (高透射)@527nm， M5: T (透过率) =3.6%@750-850nm，可以实现宽带连续飞秒脉冲输出。
(2) 用一个透镜组实现对平顶高斯泵浦光束的调制，使入射到激光晶体上的泵浦光 束为中心光强有凹陷的光束，如附图2(a)，采用附图2(b)所示的端面泵浦的Z型折叠 腔，激光晶体为Nd:YV04，腔镜镀膜M1: HR@1342&HT@808nm， M2， M3: HR@1342nm， M4: T=10%@1342nm，可以实现1342nm连续皮秒脉冲输出。
(3) 按照实施实例(2)实现的自锁模激光器，激光晶体还可以是Nd:YAG， Nd:YLF, Nd:glass， Nd:GdV04， Yb:YAG， Yb:KVW， Yb:glass等多种掺杂的激光晶体，根据晶 体的吸收波长改变泵浦光的波长，根据振荡波长对腔镜镀膜，还可以实现l.Oum和 0.9 u m附近波长的连续锁模激光输出。
(4) 根据实施实例(2)、 (3)实现的自锁模激光器，还可以在腔内增加群速度色散 补偿器件，以获得转换极限的超短脉冲激光输出。
(5) 按照实施实例(1)实现的自锁模激光器，激光晶体还可以是Cr:forsterite， Cr:LiSAF， Cr:LiCAF等增益线宽较宽的激光晶体，只要根据晶体的吸收波长改变泵 浦光的波长，根据振荡波长对腔镜镀膜，就可以实现这些晶体增益线宽内的宽带调谐 连续超短脉冲激光输出。
(6) 按照实施实例(1) - (5)实现的自锁模激光器，为了增强腔内的非线性调制， 还可以在平面镜附近加入光阑，或者放置非线性饱和吸收体，包括C,+:YAG， GaAs， InGaAs量子阱半导体可饱和吸收片等。
(7) 按照实施实例(1) - (5)实现的自锁模激光器，为了扩展波长范围，还可以在 腔内或者腔外增加非线性晶体，获得高次谐波的超短脉冲激光。
单面泵浦的X型腔飞秒激光器，附图l(a):用一个光束整形系统对Nd:YLF倍频 输出的527nm光束进行整形，使入射到激光晶体上的泵浦光束为中心光强有凹陷的 平顶高斯光束，如附图l(b)所示，激光晶体为Ti:Sapphire,腔镜M,， M3,M4镀膜为 750 850nm宽带高反射，输入镜M2镀膜为750 850nm宽带高反射和527nm高透射， 输出镜M5宽带750 850nm透过率3.6。/。，棱镜对为群速度色散补偿器件，实现自启 动的连续锁模运转，输出波长可调谐的飞秒脉冲激光。单端面泵浦的Z型折叠腔皮秒激光器，附图2(a):激光晶体为Nd:YV04，平面输 入镜M,，镀膜为高反射1342rnn和高透射808nm;平凹镜M2， M3曲率半径分别为 500mm和300mm，镀膜均为高反射1342nm;平面输出镜M4对1342nrn透过率10%， 耦合镜为两个平凸聚焦透镜，由于透镜中心区域的厚度大于边缘，透镜焦距由轴心区 域沿半径逐渐增大，光束经过该耦合镜聚焦后的光斑中心区域的光强小于外围，即中 心光强有一个小的凹陷，如附图2(b)，实现完全自启动的1342nm连续锁模运转，输 出皮秒脉冲激光。
权利要求
1、一种自锁模激光器的设置方法，其特征是泵浦光由激光晶体的一个端面入射至激光谐振腔，采用光束整形系统使泵浦光斑的中心处的光强小于其周围的光强，即造成中心有凹陷的高斯光束，激光晶体作为激光增益晶体的同时又作为锁模器件，在激光晶体的中心形成一个类似于光阑的区域，通过调节泵浦光束，就可以控制光阑区域的大小，晶体的克尔效应和软光阑共同作用，完成锁模激光运转的启动和维持，实现连续锁模的超短脉冲输出或实现调Q的锁模脉冲输出。
2、 根据权利要求1所述的自锁模激光器的设置方法，其特征是激光谐振腔是端 面泵浦方式的线性腔、从激光晶体的一个端面泵浦的X型腔、或者双端面泵浦的折叠 腔，所有从激光晶体的端面进行泵浦的腔型，都可以用这种方式实现超短脉冲激光。
3、 根据权利要求1所述的自锁模激光器的设置方法，其特征是入射到激光晶体 上的泵浦光束的横模不再是传统的平顶高斯光束，包括采用任意的光束整形系统对泵 浦光束进行整形，整形后的光束可以是中心光强有凹陷的平顶高斯光束，也可以是中 心光强有凹陷的非平顶高斯光束，只要是以改变泵浦光束在激光增益介质中的光强分 布的方法来形成有效的锁模机制的锁模激光器。
4、 根据权利要求1所述的自锁模激光器的设置方法，其特征是泵浦源包括二极 管激光器、全固态激光器等各种泵浦光源。
5、 根据权利要求1所述的自锁模激光器的设置方法，其特征是包括在谐振腔内 增加非线性可饱和吸收材料等以增强锁模为目的的其他锁模器件。
6、 根据权利要求1所述的自锁模激光器的设置方法，其特征包括在谐振腔内或 者腔外增加非线性晶体，以获得高次谐波的超短脉冲激光。
7、 单面泵浦的X型腔飞秒激光器，设有一个使入射到激光晶体上的泵浦光束为 中心光强有凹陷的平顶高斯光束的光束整形系统，对Nd:YLF倍频输出的527nm光束 进行整形，X型腔内激光晶体为Ti:蓝宝石，其特征是X型腔的输入镜M2镀膜为750 850nm宽带高反射和527nm高透射，X型腔的其它三个腔镜M!， M3.M4镀膜为750 850nm宽带高反射，X型腔输出经过对为群速度色散补偿器件的棱镜后经输出镜M5 输出，M5宽带750 850nm透过率3.6n/。，，实现自启动的连续锁模运转，输出波长可 调谐的飞秒脉冲激光。
8、 单端面泵浦的Z型折叠腔皮秒激光器，设有一个使入射到激光晶体上的泵浦 光束为中心光强有凹陷的平顶高斯光束的含耦合镜的光束整形系统，其特征是Z型腔 内激光晶体为Nd:YV04， Z型折叠腔的平面输入镜M!，镀膜为高反射1342nrn和高 透射808nm;两平凹镜M2， M3曲率半径分别为500mm和300mm，镀膜均为高反射 1342nm;激光器的平面输出镜M4对1342nm透过率10%，所述耦合镜为两个平凸聚 焦透镜。
全文摘要
本发明自锁模激光器的设置方法，泵浦光由激光晶体的一个端面入射至激光谐振腔，采用光束整形系统使泵浦光斑的中心处的光强小于其周围的光强，即造成中心有凹陷的高斯光束，激光晶体作为激光增益晶体的同时又作为锁模器件，在激光晶体的中心形成一个类似于光阑的区域，通过调节泵浦光束，就可以控制光阑区域的大小，晶体的克尔效应和软光阑共同作用，完成锁模激光运转的启动和维持，实现连续锁模的超短脉冲输出或实现调Q的锁模脉冲输出。解决了当前超短脉冲激光器中存在的系统庞大、外围设备多，调试要求精度高、不能自启动的问题，提高了效率，降低了成本。本发明具有很高的应用价值。
文档编号H01S3/098GK101414729SQ20081023418
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月24日 优先权日2008年11月24日
发明者潘淑娣, 祝世宁 申请人:南京大学