一种能自启动的超快激光器

本发明属于激光，尤其涉及一种能自启动的超快激光器。

背景技术：

1、超快激光器能输出飞秒量级的激光脉冲，具有超高的时间分辨率和超高的脉冲峰值功率，在超快物理及化学过程研究、超快光谱学、激光精细加工、极端物理环境模拟、生命科学、医疗健康等众多领域存在广泛应用。

2、目前，飞秒量级的超快激光器，普遍依靠激光晶体中的非线性克尔效应来产生锁模，再结合能提供负色散的元件，对谐振腔内其它光学元件产生的正色散进行补偿，最后能够获得时间宽度在飞秒量级的激光脉冲输出。

3、现有的飞秒量级的锁模激光器采用了两种方案，一是在谐振腔中设置一块可饱和吸收体，利用可饱和吸收体产生的吸收，形成噪声脉冲，启动非线性克尔效应，然后利用谐振腔内的脉冲窄化机制对脉冲进行压缩窄化，最后获得飞秒量级脉冲输出。二是在谐振腔内附加一套机械振动装置，其目的也是产生噪声脉冲来启动激光晶体中的非线性克尔效应。

4、显然，无论是设置可饱和吸收体，还是附加机械振动装置，激光晶体中的非线性克尔效应难以自启动，都会使激光器的结构变得更为复杂，也在一定程度上降低了激光器的稳定性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种能自启动的超快激光器，以解决现有超快激光器难以自启导致结构复杂，在一定程度上降低了激光器的稳定性和可靠性的问题。本技术方案中泵浦系统能利用半导体激光芯片的自锁模产生皮秒量级激光脉冲。该皮秒量级激光脉冲在泵浦超快激光系统的同时，能启动超快激光系统内激光晶体中的非线性克尔效应，从而启动超快激光系统的锁模过程。在超快激光系统内负色散元件所提供负色散的平衡下，超快激光系统最后可获得飞秒量级激光脉冲。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种能自启动的超快激光器，包括超快激光系统和泵浦系统，所述泵浦系统包括半导体激光芯片、初级泵浦源、折叠镜和平凹输出镜；所述超快激光系统包括第一平凹反射镜、第二平凹反射镜、激光晶体、负色散元件、全反射镜和耦合输出镜；

3、所述初级泵浦源用于将泵浦光发射至所述半导体激光芯片上；

4、所述半导体激光芯片用于吸收所述泵浦光的能量并对泵浦光的波长产生第一受激辐射；所述半导体激光芯片用于将第一受激辐射发射给折叠镜；所述半导体激光芯片能够产生克尔作用；

5、所述折叠镜用于将所述半导体激光芯片发射来的第一受激辐射发射给所述平凹输出镜；

6、所述半导体激光芯片、折叠镜和平凹输出镜构成第一谐振腔；所述第一受激辐射在第一谐振腔的作用下形成激光振荡，在所述半导体激光芯片的克尔作用下，产生泵浦系统的自锁模过程，所述平凹输出镜输出皮秒量级激光脉冲；

7、所述第一平凹反射镜、第二平凹反射镜和全反射镜构成第二谐振腔，所述激光晶体位于所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜之间，所述负色散元件位于第二平凹反射镜和全反射镜之间；

8、所述第一平凹反射镜用于接受所述皮秒量级激光脉冲并发射给所述激光晶体；

9、所述激光晶体吸收所述皮秒量级激光脉冲的能量并对皮秒量级激光脉冲的波长产生第二受激辐射，第二受激辐射在第二谐振腔的作用下形成激光振荡；所述皮秒量级激光脉冲能够启动所述激光晶体中的非线性克尔效应，启动超快激光系统的锁模过程；

10、所述第二平凹反射镜能够将激光晶体发射的脉冲反射至负色散元件；

11、所述负色散元件将反射来的脉冲进行负色散平衡，脉冲的时间宽度被窄化至飞秒量级，形成飞秒量级激光脉冲，并发射至所述全反射镜，所述全反射镜对飞秒量级激光脉冲进行反射，飞秒量级激光脉冲依次经过负色散元件、第二平凹反射镜、激光晶体和第一平凹反射镜后，通过所述耦合输出镜输出。

12、进一步，所述半导体激光芯片包括依次设置的高反射层、有源层和保护层，所述泵浦光依次经过保护层、有源层和高反射层后发生反射，反射的泵浦光再经过所述有源层和保护层后发射至折叠镜；所述保护层用于保护所述半导体激光芯片不被氧化；所述有源层能够对泵浦光的波长产生第一受激辐射，并且在高峰值功率的脉冲作用下具有克尔效应。

13、进一步，所述半导体激光芯片上的连续激光光斑大于初级泵浦源的泵浦光光斑，所述泵浦光光斑大于半导体激光芯片上的脉冲光光斑。

14、进一步，所述耦合输出镜上镀有对超快激光系统波长具有透过率的第一膜层。

15、进一步，所述全反射镜上镀有对超快激光系统波长具有高反射率的第二膜层。

16、进一步，所述第一平凹反射镜和第二平凹反射镜上均镀有对超快激光系统波长具有高反射率的第三膜层，所述第一平凹反射镜上还镀有对泵浦系统激光波长具有高反射率的第四膜层。

17、进一步，所述平凹输出镜上镀有对泵浦系统激光波长具有透过率的第五膜层。

18、进一步，所述折叠镜上镀有对泵浦系统激光波长具有高反射率的第六膜层。

19、进一步，所述初级泵浦源为波长小于泵浦系统激光波长的半导体激光二极管。

20、本技术方案的工作原理在于：半导体激光芯片中的有源层吸收初级泵浦源的泵浦光的能量，对泵浦系统激光波长产生第一受激辐射。第一受激辐射在半导体激光芯片、折叠镜和平凹输出镜所构成的第一谐振腔的作用下，形成激光振荡，并在半导体激光芯片中有源层所产生的克尔作用下，产生自锁模过程，输出皮秒量级激光脉冲。

21、激光晶体吸收来自泵浦系统的皮秒量级激光脉冲的能量，对超快激光系统波长产生第二受激辐射。第二受激辐射在超快激光系统的第二谐振腔的作用下形成激光振荡。同时，来自泵浦系统的皮秒量级激光脉冲也能启动激光晶体中的非线性克尔效应，从而启动超快激光系统中的锁模过程。超快激光系统中的皮秒量级激光脉冲在负色散元件所提供的负色散的平衡下，时间宽度逐渐被窄化至飞秒量级，最后形成稳定的飞秒量级激光脉冲，从耦合输出镜输出。

22、本技术方案的有益效果在于：泵浦系统利用半导体激光芯片中的克尔效应，通过自锁模产生皮秒量级激光脉冲。上述皮秒量级激光脉冲不仅能泵浦超快激光系统，同时还能启动超快激光系统的第二谐振腔内激光晶体中的非线性克尔效应，即启动超快激光系统的锁模过程。再结合超快激光系统第二谐振腔内负色散元件所提供的负色散，最终可以获得稳定的飞秒量级激光脉冲的输出。本发明可以节省掉现有飞秒超快激光器中用于启动锁模的可饱和吸收体或者机械振动装置，使超快激光器更加简单紧凑，稳定可靠。

技术特征：

1.一种能自启动的超快激光器，其特征在于：包括超快激光系统和泵浦系统，所述泵浦系统包括半导体激光芯片(1)、初级泵浦源(2)、折叠镜(3)和平凹输出镜(4)；所述超快激光系统包括第一平凹反射镜(6)、第二平凹反射镜(7)、激光晶体(8)、负色散元件(9)、全反射镜(10)和耦合输出镜(11)；

2.根据权利要求1所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述半导体激光芯片(1)包括依次设置的高反射层(13)、有源层(14)和保护层(15)，所述泵浦光依次经过保护层(15)、有源层(14)和高反射层(13)后发生反射，反射的泵浦光再经过所述有源层(14)和保护层(15)后发射至折叠镜(3)；所述保护层(15)用于保护所述半导体激光芯片(1)不被氧化；所述有源层(14)能够对泵浦光的波长产生第一受激辐射，并且在高峰值功率的脉冲作用下具有克尔效应。

3.根据权利要求2所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述半导体激光芯片(1)上的连续激光光斑(18)大于初级泵浦源(2)的泵浦光光斑(17)，所述泵浦光光斑(17)大于半导体激光芯片(1)上的脉冲光光斑(16)。

4.根据权利要求1所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述耦合输出镜(11)上镀有对超快激光系统波长具有透过率的第一膜层。

5.根据权利要求1所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述全反射镜(10)上镀有对超快激光系统波长具有高反射率的第二膜层。

6.根据权利要求1所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述第一平凹反射镜(6)和第二平凹反射镜(7)上均镀有对超快激光系统波长具有高反射率的第三膜层，所述第一平凹反射镜(6)上还镀有对泵浦系统激光波长具有高反射率的第四膜层。

7.根据权利要求1所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述平凹输出镜(4)上镀有对泵浦系统激光波长具有透过率的第五膜层。

8.根据权利要求1所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述折叠镜(3)上镀有对泵浦系统激光波长具有高反射率的第六膜层。

9.根据权利要求1所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述初级泵浦源(2)为波长小于泵浦系统激光波长的半导体激光二极管。

10.根据权利要求2所述的一种能自启动的超快激光器，其特征在于：所述有源层(14)为半导体材料。

技术总结
本发明属于激光技术领域，具体公开了一种能自启动的超快激光器，包括超快激光系统和泵浦系统，所述泵浦系统包括半导体激光芯片、初级泵浦源、折叠镜和平凹输出镜；所述超快激光系统包括第一平凹反射镜、第二平凹反射镜、激光晶体、负色散元件、全反射镜和耦合输出镜。泵浦系统能利用半导体激光芯片的自锁模产生皮秒量级激光脉冲。该皮秒量级激光脉冲在泵浦超快激光系统的同时，能启动超快激光系统内激光晶体中的非线性克尔效应，从而启动超快激光系统的锁模过程。在超快激光系统内负色散元件所提供负色散的平衡下，超快激光系统最后可获得飞秒量级激光脉冲。

技术研发人员：张鹏,朱仁江,王涛,蒋丽丹
受保护的技术使用者：重庆师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11