專利名稱：一種全固體自鎖模飛秒激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于固體激光器結構的改進。
激光器的自鎖模技術給固體激光器的超短脈沖的產(chǎn)生帶來了深刻的變革。目前從鈦寶石自鎖模激光中直接產(chǎn)生了6.5fs的最短光脈沖，采用腔外壓縮技術得到小于5fs的光脈沖。而利用啁啾脈沖放大技術使固體激光系統(tǒng)可獲得極高的峰值功率密度和大的輸出能量，由此固體激光器的超快強激光物理成為研究熱點。由于全固體激光器是由激光二極管(LD)泵浦固體激光器，具有效率高、體積小、壽命長、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，所以全固體自鎖模激光器已成為激光領域研究的發(fā)展方向。
實現(xiàn)固體激光器的自鎖模則要求激光增益介質具有大的非線性系數(shù)(n2)，以提供足夠強的自聚焦效應，并降低自鎖模的啟動功率。如Ti:Sapphire、Cr:LiSAF、Nd；YAG、Nd:YLF等激光增益介質都有大的非線性系數(shù)，能滿足自鎖模的要求。但是Cr:LiSAF介質不能輸出1054nm的激光脈沖，而Nd；YAG、Nd:YLF、Ti；Sapphire等增益介質雖可輸出1054nm左右的激光脈沖，但Nd:YAG和Nd:YLF因光譜半寬窄而不能產(chǎn)生飛秒脈沖，其中Ti:Sapphire在1054nm波長上增益較低，且不能用激光二極管直接泵浦；Nd:LMA(La1-xMgNdxAl11O19)激光介質的中心波長雖在1054nm上，由于其本身的非線性系數(shù)較小，不能直接進行克爾透鏡鎖模。所以迄今未見有能產(chǎn)生1054nm激光脈沖的全固體自鎖模飛秒激光器。
本發(fā)明的目的就是克服上述存在問題，設計出一種能產(chǎn)生1054nm激光脈沖的全固體自鎖模飛秒激光器。
本發(fā)明所設計的能輸出1054nm波長的全固體自鎖模飛秒激光器是由泵浦光學系統(tǒng)與激光諧振腔耦合構成，采用高摻雜濃度的Nd:LMA為增益介質，用SF57做克爾介質，以激光二極管泵浦實現(xiàn)；其具體技術方案為，以激光二極管為泵浦源，泵浦光通過泵浦光學系統(tǒng)進入激光諧振腔，在光學系統(tǒng)中設置有光學透鏡組和半波片；激光諧振腔的結構依次為，Nd:LMA增益介質，其輸入面為平面端，鍍有雙色膜，即對泵浦光高透射，對1054nm的激光波長高反射，另一端為布氏角切割，增益介質輸出光束經(jīng)過狹縫到高反射前凹面鏡，與前凹面鏡相對位置設有高反射后凹面鏡，在兩凹面鏡之間設置二端均為布氏角切割的SF57克爾介質，后凹面鏡的出射光束經(jīng)過一對補償棱鏡和狹縫到達輸出平面鏡，輸出平面鏡固定在微位移振動器上。本發(fā)明的特征還在于，整個激光諧振腔的光程長度在1154mm附近調整，從增益介質的平面端到前凹面鏡的光程長度為400mm，從前凹面鏡到后凹面鏡的光程長度為74mm，其中前凹鏡至克爾介質前端為24.7mm，從后凹面鏡到輸出平面鏡的光程長度為680mm，其中棱鏡對之間距為620mm。
本發(fā)明所設計的全固體自鎖模飛秒激光器，由于采用了具有較大非線性系數(shù)和較快響應時間的SF57做為克爾介質，增強了自聚焦效應，降低了自鎖模自啟動閾值功率，使Nd:LMA激光器實現(xiàn)了穩(wěn)定的克爾透鏡鎖模，解決了Nd:LMA增益介質因非線性系數(shù)小不能直接自鎖模的問題，其激光脈沖寬度可達610fs，波長1054nm；以激光二極管泵浦方式使Nd:LMA激光器實現(xiàn)了全固體化，成為體積小，輸出穩(wěn)定的飛秒激光光源，其在大規(guī)模和超大規(guī)模激光系統(tǒng)、場強物理、激光核聚變、X光激光及超快過程研究等領域具有重要的應用價值。
附
圖1為本發(fā)明所設計以Nd:LMA為增益介質、SF57為克爾介質的全固體自鎖模飛秒激光器的結構示意圖，圖中1為激光二極管，2為泵浦光學系統(tǒng)，3為半波片，4為增益介質，5為狹縫，6為前凹面鏡，7為克爾介質，8為后凹面鏡，9為補償棱鏡，10為補償棱鏡，11為狹縫，12為輸出平面鏡。
以下結合附圖詳細說明本發(fā)明技術方案的實施和工作原理。
本發(fā)明所設計全固體自鎖模飛秒激光器的具體實施舉例如下。泵浦源采用激光二極管，輸出波長798nm，泵浦光學系統(tǒng)的結構順序可以是復合準直透鏡、柱面透鏡、半波片(λ/2)、球面聚焦透鏡組成，通過對泵浦光學系統(tǒng)的優(yōu)化和最大耦合系數(shù)的計算，使泵浦光模式與激光腔模達到最佳匹配，其中采用半波片旋轉泵浦光的偏振方向，以實現(xiàn)Nd:LMA晶體的最大偏振吸收，提高泵浦效率，Nd:LMA增益介質Nd摻雜濃度在9-15at％，晶體尺寸φ5×9mm，用銦皮包裹晶體并置于紫銅架內(nèi)的方式散熱，晶體的輸入面為平面端，鍍有雙色膜，即對泵浦光高透射，對1054nm的激光波長高反射，晶體的另一端為布氏角切割；狹縫5的作用是與克爾介質的自聚焦效應結合形成類飽和吸收壓縮光脈沖實現(xiàn)自鎖模，狹縫11的作用是調諧激光振蕩中心波長固定在1054nm，實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出；增益介質輸出光經(jīng)狹縫5到前凹面鏡，從增益介質的平面端到前凹面鏡的光程為400mm，前凹面鏡至后凹面鏡的光程長度為74mm，其中距克爾介質前端為24.7mm，在兩凹面鏡上都有高反射鍍膜，且兩凹面鏡之間設置的SF57克爾介質長為15mm，其二端均為布氏角切割，SF57為光學玻璃材料的代號，同行技術人員都知道，為了實現(xiàn)象散補償，前凹鏡面曲率半徑及其光束入射角的選取應考慮到增益介質布氏面和克爾介質前端布氏面的象散補償，而后凹鏡面曲率半徑及其光束入射角的選取亦應考慮到克爾介質后端布氏面的象散補償；后凹面鏡的出射光經(jīng)過色散補償棱鏡對9和10及狹縫11到達輸出平面鏡，其光程長度為680mm，其中棱鏡對之間距為620mm，通過棱鏡對9和10的垂直調整可使腔內(nèi)色散得到補償，實現(xiàn)超短光脈沖的輸出；固定在微位移振動器上的輸出平面鏡，選取低透過率(＜0.2％)的輸出耦合鏡，以提高腔內(nèi)增益功率，增強腔內(nèi)非線性。
按上述舉例要求制作的Nd:LMA的全固體自鎖模飛秒激光器，得到的輸出波長為1054nm，光脈沖寬度610fs，光譜半寬2.1nm的飛秒激光脈沖；其鎖模平均輸出功率為15mW，重復頻率為130MHz；其用3W激光二極管泵浦連續(xù)運轉，在1054nm波長連續(xù)輸出功率為620mW，斜效率50％，光-光轉換效率20％。所設計的激光器并不是自啟動，是通過振動輸出腔鏡12來實現(xiàn)自啟動，但其鎖模是自維持的，即關掉振動器后，鎖模仍能夠自維持。
權利要求
1．一種全固體自鎖模飛秒激光器，其輸出激光波長為1054nm，是由泵浦光學系統(tǒng)與激光諧振腔耦合構成，采用高摻雜濃度的Nd:LMA增益介質、用SF57做克爾介質，以激光二極管泵浦實現(xiàn)；其特征在于，在光學系統(tǒng)中設置有半波片；其激光諧振腔的結構依次為，泵浦光入射Nd:LMA增益介質，其輸入面為平面端，鍍有雙色膜，即對泵浦光高透射、對1054nm的激光波長高反射，另一端為布氏角切割，增益介質輸出光束經(jīng)過狹縫(5)到高反射前凹面鏡，與前凹面鏡相對位置設有高反射后凹面鏡，在兩凹面鏡之間設置二端均為布氏角切割的SF57克爾介質，后凹面鏡的出射光束經(jīng)過一對補償棱鏡(9和10)和狹縫到達輸出平面鏡，輸出平面鏡固定在微位移振動器上。
2．根據(jù)權利要求1所述的激光器，其特征在于，整個激光諧振腔的光程長度在1154mm附近調整，從增益介質的平面端到前凹面鏡的光程長度為400mm，從前凹面鏡到后凹面鏡的光程長度為74mm，其中前凹鏡至克爾介質前端為24.7mm，從后凹面鏡到輸出平面鏡的光程長度為680mm，其中棱鏡對之間距為620mm。
3．根據(jù)權利要求2所述的激光器，其特征在于，所述的Nd:LMA增益介質Nd摻雜濃度在9-15at％，用銦皮包裹介質晶體并置于紫銅架內(nèi)的方式散熱。
全文摘要
一種能產(chǎn)生1054nm激光波長的Nd:LMA全固體自鎖模飛秒激光器,本發(fā)明采用SF57為克爾介質,增強了自聚焦效應、降低了自鎖模自啟動閾值功率,解決了Nd:LMA增益介質因非線性系數(shù)小不能直接自鎖模的問題,其激光脈沖寬度可達610fs,實現(xiàn)了全固體化,成為體積小、輸出穩(wěn)定的飛秒激光光源,其在大規(guī)模和超大規(guī)模激光系統(tǒng)、場強物理、激光核聚變、X光激光及超快過程研究等領域有應用價值。
文檔編號H01S3/16GK1211095SQ9811298
公開日1999年3月17日 申請日期1998年10月6日 優(yōu)先權日1998年10月6日
發(fā)明者楊鴻儒, 趙衛(wèi), 王水才, 劉進元 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所