被动锁模谐振腔及激光器的制作方法

本实用新型属于激光器技术领域，尤其涉及一种被动锁模谐振腔及具有该被动锁模谐振腔的激光器。

背景技术：

谐振腔是固体激光器的重要组成部分，直接影响输出激光的参数，如输出功率、光束质量和稳定性等。

固体被动锁模激光器中谐振腔大多采用折叠腔，折叠腔不仅可以实现较小的聚焦光斑，还可以把较长的腔长折叠在较小的空间之内，使激光器的结构更加紧凑。然而，在折叠腔中，曲面反射镜倾斜放置势必会产生像散，导致激光器光束质量下降。固体激光器中，泵浦光能量只有一部分被用来转化为激发光，大部分转化为热量，这些热量就分散在激光晶体中，晶体内部和表面温度不同导致激光棒内温度梯度分布，从而形成热透镜效应。低功率泵浦时，热透镜效应不明显，可以忽略影响。要得到高功率输出，泵浦功率必须也提高，此时热透镜效应非常显著，谐振腔内热透镜热扰的变化会对输出激光的稳定性以及腔内光斑大小变化产生影响。通常是采用单一的像散补偿或热透镜不敏感的谐振腔设计方法，如ABCD矩阵法，q参数等，但为了得到持续稳定的锁模脉冲输出已成为业内亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种被动锁模谐振腔，同时考虑像散补偿和热透镜不敏感的因素，旨在解决现有技术中谐振腔如何获得持续稳定的锁模脉冲输出的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种被动锁模谐振腔，所述谐振腔为双臂像散补偿腔，并包括泵浦源、设置于所述双臂像散补偿腔的两端壁上的锁模器件和输出平面镜、至少一个设置于所述锁模器件与所述输出平面镜之间的光路上的像散补偿单元以及设置于所述锁模器件与所述输出平面镜之间且其π圆与所述输出平面镜相切的热透镜；各所述像散补偿单元包括至少两个曲面镜，靠近所述输出平面镜的所述曲面镜上的子午面和弧矢面的光斑大小相同；所述泵浦源输出的泵浦光入射至所述锁模器件中并在所述锁模器件中产生半径为ω0的光斑，根据所述光斑半径大小、各所述曲面镜的焦距以及至少一所述曲面镜的倾斜角通过传播圆作图法确定各所述曲面镜的位置。

进一步地，所述曲面镜包括与所述锁模器件之间距离为L1的第一曲面反射镜，所述锁模器件处的光束束腰参数：

其中，ω0为所述光斑的半径，λ为所述光斑的波长；

利用公式(1)计算出侧焦点的束腰参数b0；

过所述侧焦点并与光轴相切于所述第一曲面反射镜画圆π1，该圆的半径为所述第一曲面反射镜处的光斑大小；

过所述侧焦点且与所述第一曲面反射镜的前表面相切画圆，该圆的半径为所述第一曲面反射镜处波前曲率半径。

进一步地，所述第一曲面反射镜的焦距为f1以及倾斜角为θ1，由以下公式计算所述第一曲面反射镜在其子午面和弧矢面的焦距ft和fs：

ft＝f*cosθ (2)

其中，f为所述曲面镜的焦距，θ为所述曲面镜的倾斜角；

并根据波前波后曲率半径的关系：

其中，R为波前曲率半径，R’为波后曲率半径；由公式(2)、(3)和 (4)计算出所述第一曲面反射镜的波后曲率半径及其子午面和弧矢面的半径 Rt’和Rs’，分别以所述子午面和所述弧矢面的半径Rt’和Rs’为直径及圆心在光轴上画圆，且该圆与所述第一曲面反射镜的后表面相切，该圆与所述圆π1的交点即为所述子午面和弧矢面的侧焦点F1t和F1s；

根据侧焦点F1t和F1s的束腰参数b1t和b1s，重复上述操作，得到第n-1曲面反射镜的束腰参数b(n-1)t和b(n-1)s；由此确定第二曲面反射镜至所述第n-1 曲面反射镜的位置，其中，n为大于2的正整数。

进一步地，过所述第n-1曲面反射镜的侧焦点F(n-1)t和F(n-1)s并与所述光轴相切画圆πn，在该圆πn与所述光轴的切点处放置第n曲面反射镜，所述第n 曲面反射镜处的子午面和弧矢面的光束的光斑大小相同，且所述第n曲面反射镜像方的子午面和弧矢面的束腰重合，其中，n为大于2的正整数。

进一步地，在所述第n曲面反射镜处的子午面和弧矢面的波后曲率半径Rt和Rs相同，根据公式(2)(3)(4)综合可得：

其中，fn为第n曲面反射透镜的焦距，θn为第n曲面反射透镜的倾斜角， n为大于2的正整数。

进一步地，所述平面输出镜的σ圆与所述热透镜处的π圆相切且相切点位于所述第n曲面反射镜的像方侧焦点处。

进一步地，所述热透镜作薄透镜处理。

本实用新型还提供了一种激光器，包括上述被动锁模谐振腔。

本实用新型相对于现有技术的技术效果是：该被动锁模谐振腔通过在所述锁模器件和所述输出平面镜之间的光路上设置所述像散补偿单元，以使该双臂像散补偿腔内的像散得到补偿，具体地，利用传播圆作图法确定所述像散补偿单元中各所述曲面镜的位置，以使像散补偿效果最佳，根据泵浦源输出的泵浦光在所述锁模器件中的光斑半径、各所述曲面镜的焦距以及所述曲面镜的倾斜角度以及采用传播圆作图法将各所述曲面镜的位置确定下来，得到最佳的像散补偿效果；另外，通过在所述被动锁模谐振腔内设置热透镜，且所述热透镜的π圆与所述输出平面镜相切，以使所述输出平面镜前的光束的光斑变化最小，光束的传播特性稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供被动锁模谐振腔的结构原理图；

图2是本实用新型实施例提供被动锁模谐振腔利用传播圆作图法确定各曲面镜位置的结构示意图；

图3是本实用新型一具体实施例提供的被动锁模谐振腔的结构原理图；

图4是本实用新型实施例提供的被动锁模器件中热透镜焦距变化动态分析图；

图5是对本实用新型实施例提供的被动锁模谐振腔进行锁模实验中水温 20℃输出脉冲序列图；

图6是对本实用新型实施例提供的被动锁模谐振腔进行锁模实验中左边水温15℃输出脉冲序列和右边水温25℃输出脉冲序列；

图7是对本实用新型实施例提供的被动锁模谐振腔进行锁模实验中在室温 (20℃)下不同泵浦电流近场远场输出光斑图；

图8是对本实用新型实施例提供的被动锁模谐振腔进行锁模实验中不同水温对两种腔型输出功率的影响比对图；

图9是对本实用新型实施例提供的被动锁模谐振腔进行锁模实验中三种水温下两种腔型输出功率的稳定性比对图；

图10是对本实用新型实施例提供的被动锁模谐振腔进行锁模实验中泵浦电流10A下水温对输出功率的影响比对图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

请参照图1至图4，本实用新型实施例提供了一种被动锁模谐振腔，所述谐振腔为双臂像散补偿腔，并包括泵浦源、设置于所述双臂像散补偿腔的两端壁上的锁模器件M0和输出平面镜Mout、至少一个设置于所述锁模器件M0与所述输出平面镜Mout之间的光路上的像散补偿单元以及设置于所述锁模器件M0与所述输出平面镜Mout之间且其π圆与所述输出平面镜Mout相切的热透镜Ft；各所述像散补偿单元包括至少两个曲面镜，靠近所述输出平面镜Mout的所述曲面镜上的子午面和弧矢面的光斑大小相同；所述泵浦源输出的泵浦光入射至所述锁模器件M0中并在所述锁模器件M0中产生半径为ω0的光斑，根据所述光斑半径大小、各所述曲面镜的焦距以及至少一所述曲面镜的倾斜角通过传播圆作图法确定各所述曲面镜的位置。

本实用新型实施例提供的被动锁模谐振腔通过在所述锁模器件M0和所述输出平面镜Mout之间的光路上设置所述像散补偿单元，以使该双臂像散补偿腔内的像散得到补偿，具体地，利用传播圆作图法确定所述像散补偿单元中各所述曲面镜的位置，以使像散补偿效果最佳，根据泵浦源输出的泵浦光在所述锁模器件M0中的光斑半径、各所述曲面镜的焦距以及所述曲面镜的倾斜角度以及采用传播圆作图法将各所述曲面镜的位置确定下来，得到最佳的像散补偿效果；另外，通过在所述被动锁模谐振腔内设置热透镜Ft，且所述热透镜Ft的π圆与所述输出平面镜Mout相切，以使所述输出平面镜Mout前的光束的光斑变化最小，光束的传播特性稳定。

请参照图1至图2，进一步地，所述曲面镜包括与所述锁模器件M0之间距离为L1的第一曲面反射镜M1，所述锁模器件M0处的光束束腰参数：

其中，ω0为所述光斑的半径，λ为所述光斑的波长；

利用公式(1)计算出侧焦点的束腰参数b0；

过所述侧焦点并与光轴相切于所述第一曲面反射镜M1画圆π1，该圆的半径为所述第一曲面反射镜M1处的光斑大小；

过所述侧焦点且与所述第一曲面反射镜M1的前表面相切画圆，该圆的半径为所述第一曲面反射镜M1处波前曲率半径。

该被动锁模谐振腔利用入射至所述锁模器件M0中光束的光斑半径以及光斑波长计算出所述锁模器件M0的束腰参数，并根据所述第一曲面反射镜M1与所述锁模器件M0之间的距离，利用传播圆作图法可以准确地确定所述第一曲面反射镜M1的位置以及根据所作出的圆计算出所述第一曲面反射镜M1的波前曲率半径，实现方法简单。

在该实施例中，举一例子进行说明：当光束的光斑半径ω0＝40μm，其波长为1064nm，由公式(1)可以计算出束腰参数b0＝4.72mm，从而可以对所述锁模器件M0的位置作圆，并根据所述第一曲面反射镜M1与锁模器件M0之间的距离L1＝53mm，可以确定所述第一曲面反射镜M1的位置，并作出过侧焦点和所述第一曲面反射镜M1的前表面相切的圆，所作出圆的半径为所述第一曲面反射镜M1处的波前曲率半径。

请参照图1和图2，进一步地，所述第一曲面反射镜M1的焦距为f1以及倾斜角为θ1，由以下公式计算所述第一曲面反射镜M1在其子午面和弧矢面的焦距ft和fs：

ft＝f*cosθ (2)

其中，f为所述曲面镜的焦距，θ为所述曲面镜的倾斜角；

并根据波前波后曲率半径的关系：

其中，R为波前曲率半径，R’为波后曲率半径；由公式(2)、(3)和 (4)计算出所述第一曲面反射镜M1的波后曲率半径及其子午面和弧矢面的半径Rt’和Rs’，分别以所述子午面和所述弧矢面的半径Rt’和Rs’为直径及圆心在光轴上画圆，且该圆与所述第一曲面反射镜M1的后表面相切，该圆与所述圆π1的交点即为所述子午面和弧矢面的侧焦点F1t和F1s；

根据侧焦点F1t和F1s的束腰参数b1t和b1s，重复上述操作，得到第n-1曲面反射镜Mn-1的束腰参数b(n-1)t和b(n-1)s；由此确定第二曲面反射镜M2至所述第n-1曲面反射镜Mn-1的位置，其中，n为大于2的正整数。

该被动锁模谐振腔利用所述第一曲面反射镜M1的焦距f1和倾斜角θ1，计算出所述第一曲面反射镜M1的子午面和弧矢面焦距ft和fs：并利用所述第一曲面反射镜M1的波前和波后曲率半径的关系可以计算出所述第一曲面反射镜 M1的波后曲率半径及其子午面和弧矢面的半径Rt’和Rs’，分别以该所述子午面和所述弧矢面的半径Rt’和Rs’为直径及圆心在光轴上画圆，且该圆与所述第一曲面反射镜M1的后表面相切，该圆与所述圆π1的交点即为所述子午面和弧矢面的侧焦点F1t和F1s，根据侧焦点F1t和F1s的束腰参数b1t和b1s，由此重复，可以确定所述曲面镜的所述第二曲面反射镜M2、第三曲面反射镜 M3，……，所述第n-1曲面反射镜Mn-1的位置。

请参照图1和图2，进一步地，过所述第n-1曲面反射镜Mn-1的侧焦点F(n-1)t和F(n-1)s并与所述光轴相切画圆πn，在该圆πn与所述光轴的切点处放置第n 曲面反射镜Mn，所述第n曲面反射镜Mn处的子午面和弧矢面的光束的光斑大小相同，且所述第n曲面反射镜Mn像方的子午面和弧矢面的束腰重合，其中， n为大于2的正整数。所述第n曲面反射镜Mn处的子午面和所述弧矢面的光束的光斑大小相同，所述第n曲面反射镜Mn后的像散得到完全补偿，且所述第n 曲面反射镜Mn处子午面和弧矢面的束腰完全重合。该被动锁模谐振腔利用传播圆作图法进行作图，并根据所述第n-1曲面反射镜Mn-1的侧焦点F(n-1)t和F(n-1)s作出πn圆，在该圆πn与所述光轴的切点处放置第n曲面反射镜Mn，从而确定了该第n曲面反射镜Mn的位置。

请参照图1至图4，进一步地，在所述第n曲面反射镜Mn处的子午面和弧矢面的波后曲率半径Rt和Rs相同，根据公式(2)(3)(4)综合可得：

其中，fn为第n曲面反射透镜的焦距，θn为第n曲面反射透镜的倾斜角， n为大于2的正整数。

请参照图2和图3，当n＝3时，根据公式(1)、(2)、(3)和(4)，将数据带入相应公式中可得，Rt’＝676.8842mm，Rs’＝920.6766mm，则分别以 Rt’和Rs’为直径画圆，圆心在光轴上，且与第二曲面反射镜M2后表面相切，圆与第二曲面反射镜M2处π圆的交点即为子午面弧矢面的侧焦点。同时，过第二曲面反射镜M2的子午面和弧矢面侧的焦点，并与光轴相切可以画出一个圆，在切点处放置第三曲面反射镜M3，此圆即为第三曲面反射镜M3处的π圆，这样就能保证子午面弧矢面光束在第三曲面反射镜M3处光斑大小相同，经测量可得第二曲面反射镜M2和第三曲面反射镜M3距离L2＝780.1787mm，过侧焦点并与第三曲面反射镜M3前表面相切可画出一个圆(图中未画出)，此圆直径等于第三曲面反射镜M3波前曲率半径，经测量可知第三曲面反射镜M3处波前子午面曲率半径Rt＝716.5283mm,弧矢面曲率半径Rs＝856.2399mm。要想第三曲面反射镜M3后的像散得到补偿，必须使第三曲面反射镜M3处子午弧矢面波。

后曲率半径相同，根据公式(5)，给定f3＝300mm，可得θ3＝14.891°。再根据公式(4)可求得第三曲面反射镜M3波后曲率半径为486.9476mm，则以 486.9476为直径画第三曲面反射镜M3波后圆，与π3圆交点即为像方侧焦点，那么像方束腰位置也知道了，经测量可知第三曲面反射镜M3与输出平面镜Mout的距离为L3＝397.9326mm。在像方束腰位置处放置输出平面镜Mout，则上图就形成了一个双臂像散补偿空腔。

请参照图4，进一步地，所述平面输出镜的σ圆与所述热透镜Ft处的π圆相切且相切点位于所述第n曲面反射镜Mn的像方侧焦点处。

在该实施例中，热透镜Ft焦距变化时，σout圆经过热透镜Ft的像σ'out和σo"ut与π圆交点在Fn附近来回移动，在热扰动不大的情况下，Fn的移动是几乎可以忽略的，因此热透镜Ft左侧的光参数变化也是可以忽略的。

进一步地，所述热透镜Ft作薄透镜处理。

请参照图4，举例来说，该被动锁模谐振腔为包含单一热透镜Ft(代表激光晶体)的激光腔，将热透镜Ft作薄透镜处理。第一曲面反射镜M1处的波面可用σ1圆表示，作σ1圆的t1圆，它是与σ1圆相切。当热透镜Ft焦距为f0 时，σ1圆变换为σ1’圆，根据变换圆的变换定则，σ1’圆也与t1圆相切。当热透镜Ft焦距起伏变化时，σ1’圆也会发生变化，但是σ1’圆总是保持与 t1圆相切的关系，切点在Fl1’附近移动。在焦距变化不大的情况下，切点移动也是很小的，是几乎可以忽略的。因此，我们选择适当的第二曲面反射镜 M2，只要求它的σ2圆通过切点Fl1’，就可使第二曲面反射镜M2一边高斯光束变化最小。这意味着，在这种腔结构中，第二曲面反射镜M2一边的高斯光束的传播特性十分稳定。

以下用一例子进行说明：

请参照图3和图4，根据像散补偿单元内各曲面镜位置的确定方法，我们可以设计出虚线框内的双臂像散补偿腔，并且可以测量出第四曲面透镜M4处束腰参数b4的大小，b4＝188.2073mm，在M5处放置平面输出镜；根据所述平面输出镜的σ圆与所述热透镜Ft处的π圆相切，热透镜Ft焦距扰动时，只要 M5与热透镜Ft上的π圆相切，就能使b4变化最小，那么锁模器件M0上的束腰参数b1变化也最小。利用非对称平腔临界稳定条件法可以测量出在泵浦电流为9A时热透镜Ft焦距为ft＝800mm，热透镜Ft处波前曲率半径为：

由于平面输出镜M5相切于ft处π圆最右侧，因此，热透镜Ft波后曲率半径与热透镜Ftπ圆直径相等，即为：

由公式(4)得：

计算得，第四曲面反射镜M4的焦距ft＝-124.5416mm，则第三曲面反射镜 M3的焦距ft＝273.391mm，第三曲面反射镜M3与平面输出镜之间的距离 L3＝135.3098mm。

最后，我们得出谐振腔各参数为：第一曲面反射镜M1与第二曲面反射镜 M2之间的距离L1＝53mm，第二曲面反射镜M2与第三曲面反射镜M3之间的距离L2＝780.1787mm，第三曲面反射镜M3的焦距ft＝273.391mm，第三曲面反射镜M3与输出平面镜Mout之间的距离L3＝135.3098mm，第二曲面反射镜M2的倾斜角为8°，第三曲面反射镜M3的倾斜角为14.891°。

对上述实施例中的被动锁模谐振腔进行锁模实验。

实验中利用1HHz带宽的高速数字示波器(DPO4104B，Tektronix,Inc,USA) 和高速光电探测器(PIN2-11-12，Hi-Teck Optoclectronics Co.Ltd,China)对锁模脉冲进行观察以及利用功率计(30A-P-17，Optronics Solutions Ltd,Israel)对输出光功率进行测量。图5给出了普通腔优化腔在室温(水温20℃)下的锁模结果，图5为水温20℃输出脉冲序列，其中，图5(a)和图5(b)优化腔输出脉冲序列，图5(c)和图5(d)普通腔输出脉冲序列。从图5中可以看出两种腔型在室温下都能稳定的锁模。

为了分析两种腔型热稳定性，我们人为的调整水冷箱水温到15℃和25℃进行对比，如图6所示，该图给出了左边水温15℃输出脉冲序列和右边水温25℃输出脉冲序列，其中图6(a)和图6(b)优化腔输出；图6(c)和图6(d) 普通腔输出。从图6中看出15℃和25℃优化腔仍然能继续保持稳定的锁模，而普通腔的锁模波形发生紊乱，有时甚至失锁。

对不同泵浦电流近场远场输出光斑质量进行了测量，结果如同7所示。图 7表示室温(20℃)下不同泵浦电流对输出光斑的影响，从图7中可以看出泵浦电流的增加，普通腔的输出光斑质量变差(像散越来越大)，而优化腔输出光斑基本无变化(像散一直得到较好的补偿)，这就说明优化腔在热扰动下像散总是得到了补偿，而普通腔的光束质量会变差。实验结果与理论分析符合。

水温对两种腔型输出功率的影响如同8所示。图8表示不同水温对两种腔型输出功率的影响，其中，横坐标表示泵浦电流，各电流下水温15℃～25℃每隔一度测量一个输出功率，然后求得11个输出功率的标准差和平均值，纵坐标表示输出功率的相对变化即标准差除以平均值。从图8中可以看出水温的改变并不会对优化腔的输出功率造成很大影响，波动很小，而对于普通腔来说，水温的变化导致输出功率改变几十毫瓦甚至上百毫瓦，影响巨大。在电流10A时水温对优化腔的输出功率影响最小，与我们理论分析结果相符。

不同水温下两种腔型输出功率的稳定性情况如图9所示。图9表示三种水温下两种腔型输出功率的稳定性，其中，横坐标表示泵浦电流，每个电流下我们每隔一分钟读取一次输出功率，共50次，纵坐标表示这50次输出功率的标准差相对于平均值的变化。从图9中可以看出，在三种水温下优化腔的输出功率波动起伏较小，在20℃(红色虚线)时波动最小，这是由于我们热透镜Ft 测量是在20℃下完成的，理论上优化腔也是在20℃下输出最稳定，因此理论与实验相符合。

实验中优化腔的各参数我们是根据泵浦电流10A下热透镜Ft焦距设计的，因此，电流10A时水温对两种腔型输出功率的影响如图10所示。图10表示泵浦电流10A下水温对输出功率的影响，其中，横坐标表示水温，各水温下每隔一分钟读取一次输出功率，共50次，纵坐标表示50次输出功率的标准差相对于平均功率的变化。从图10中可以看出在10A下不同水温对优化腔输出功率的影响接近0，基本可以忽略不计，这与理论分析相符合。本实用新型还提供了一种激光器，包括上述被动锁模谐振腔。该实施例中的被动锁模谐振腔具有上述各实施例中被动锁模谐振腔相同的结构特点，其所起作用相同，此次不赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。