专利名称：一种高重复频率超短脉冲激光方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，涉及一种端面泵浦全固态锁模激光系统，尤其是一种 高重复频率(Multi-GHz)超短脉冲激光方法。
背景技术：
主动锁模、主被动锁模和同步泵浦锁模等传统的锁模技术由于受到光学元件尺寸 和调制器件响应时间的限制，很难实现重复频率达到GHz的锁模激光振荡。目前市场上销 售的高重复频率激光多指调Q激光，重复频率可达到几百千赫兹；自1995年出现的半导体 可饱和吸收镜(SESAM)，可以实现重复频率几十吉赫兹的连续锁模激光，但是SESAM有损伤 阈值太低，制备工艺复杂，工作波长范围小的局限性；利用克尔效应实现锁模激光的激光晶 体，主要集中在Ti:Sapphire，Cr:LiSAF, CriForsterite这三种宽带固体激光材料，由于利 用χ-折叠型的谐振腔，腔长通常超过1米，脉冲的重复频率通常在百兆赫兹，而且激光器的 结构复杂；掺Nd3+激光晶体，如Nd:YV04、Nd:GdV04等具有较大的非线性折射率，但是受增益 频带限制，其脉宽被限制在皮秒区，在振荡器的谐振腔内得不到高峰值强度，因此，之前人 们普遍认为难以用这类激光晶体获得自锁模的激光振荡，因而主要采用附加脉冲锁模的方 法。因为到目前国内尚未看到利用激光晶体的自锁模来实现重复频率大于IGHz的锁模激 光器的文献报导。所以，探寻一种高重复频率超短脉冲激光设备和技术方法是业界科研人 员正在为之努力的方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用端面泵浦方式，通过调整腔模和泵 浦模在激光晶体中的尺寸关系，调整晶体中的克尔效应和空间烧孔效应的空间分布，当两 者相匹配时产生增强的非线性调制作用，对光束进行锁模调制，在谐振腔长度不大于150 毫米的情况下，实现重复频率达到Multi-GHz的超短脉冲激光振荡。为了实现上述目的，本发明首先选择安装好激光器系统，包括泵浦源、耦合系统、 激光增益晶体、输入镜、腔镜、输出镜、光阑、调Q开关和光具座；由泵浦源产生的泵浦光经 过耦合系统对激光增益晶体进行抽运，激光增益晶体的受激辐射在由输入镜到输出镜之间 形成的激光谐振腔间建立激光振荡，经由输出镜输出形成超短脉冲激光；泵浦光通过耦合 系统对激光增益晶体进行端面抽运而产生克尔效应引起激光增益晶体中的折射率分布不 均勻的同时，这种驻波光束的不均勻分布导致激光增益晶体中出现空间烧孔现象，通过调 整泵浦光和激光谐振腔腔模在激光增益晶体中的尺寸，来调整激光增益晶体中的空间烧孔 和克尔效应在激光增益晶体中的分布，当空间烧孔和克尔效应符合一定的匹配关系时会对 光束产生增强的非线性调制作用，从而在输入镜到输出镜之间形成的激光谐振腔内产生锁 模激光振荡，再经由输出镜输出超短脉冲激光；激光谐振腔内不需要设置另外的锁模元件， 激光增益晶体既是增益晶体也是锁模器件，完全自启动自锁模，激光的波长不受其他光学 元件的限制，只要是激光增益晶体的辐射波长即可实现。
本发明涉及的激光增益晶体包括基质材料的掺稀土离子、锕系离子和过渡金属离 子的晶体；激光谐振腔为输入镜与输出镜之间构成的空间区域，其总长度不大于150毫米， 激光谐振腔内设置硬光阑，以获得高斯基模光束，并消除可能出现的直流背景，或激光谐振 腔内设置调Q开关，以调谐调Q脉冲的重复频率，获得稳定的调Q锁模脉冲，调Q开关或光 阑在激光谐振腔中的具体位置依据实际光路进行调整；所获得的激光振荡包括连续锁模激 光振荡和调Q锁模激光振荡；激光谐振腔包括直腔、V型或Z型或X型折叠腔，也可以选择 其他种类的腔型；泵浦源对激光增益晶体的泵浦方式为端面泵浦方式；激光增益晶体切割 为任意形状；激光增益晶体的一个端面可以替代输入镜；输出的激光为调Q锁模超短脉冲 激光或连续锁模超短脉冲激光。本发明将激光增益晶体的克尔效应与空间烧孔效应相结合，获得增强的非线性锁 模调制，实现自启动自锁模，其激光器系统结构简单，激光振荡稳定，原理可靠，体积小、造 价低、效率高，易实现锁模激光。
图1为本发明涉及的激光系统主体结构原理示意图。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图作进一步说明。本实施例通过对泵浦光和腔模在激光增益晶体中的匹配关系，调整激光增益晶体 中克尔效应和空间烧孔效应的关系，对激光谐振腔里的基波光进行锁模调制，谐振腔内不 需要设置另外的锁模元件，振荡波长不受其他光学元件的限制，只要是增益晶体的辐射波 长都可以产生锁模调制；其高重复频率(Multi-GHz)超短脉冲激光器包括泵浦源1、耦合系 统2、激光增益晶体3、输入镜M1、腔镜M2、输出镜M3、光阑4、调Q开关5和光具座6和7，输 入镜M1与输出镜M3之间的激光谐振腔长度不大于150毫米；由泵浦源1产生的光源依次经 过耦合系统2对激光增益晶体3进行端面抽运，通过调整光具座6和7来调整激光增益晶 体3中的克尔效应和空间烧孔效应，对基波光产生锁模调制，获得自锁模的激光振荡，由输 出镜M3输出超短脉冲激光；激光增益晶体3选用掺稀土离子、锕系离子或过渡金属离子的 晶体；在激光谐振腔内可设置光阑4，以获得高斯基模光束，消除可能出现的直流背景；或 在激光谐振腔内设置调Q开关5，以调谐调Q脉冲的重复频率，获得稳定的调Q锁模脉冲； 光阑4或调Q开关5在激光腔中的具体位置依据实际光路进行调整；激光振荡包括连续锁 模激光振荡和调Q锁模激光振荡；激光谐振腔包括直腔、V型折叠腔、X型折叠腔、Z型折叠 腔或其他种类的腔型；其泵浦源对激光增益晶体3的泵浦方式为端面泵浦方式；其激光增 益晶体3切割为任意形状；其输出镜M3输出的激光为调Q锁模超短脉冲激光或者连续锁模 超短脉冲激光。实施例1 本实施例1实现一种波长1. 342微米，重复频率6GHz的连续锁模激光的方法；其 所用激光器系统主体结构包括二极管泵浦源1、耦合系统2、输入镜M1、腔镜M2、输出镜礼、激 光增益晶体3、光具座6和7，将耦合系统2和激光增益晶体3分别放置在三维可调节的光 具座6和7上，二极管泵浦源1的输出波长为808纳米，激光增益晶体3为布儒斯特角切割的Nd: YVO4，各腔镜的参数为输入镜M1的曲率半径10毫米，对808纳米和1. 06微米激光 高透射并对1. 342微米高反射；腔镜M2的曲率半径20毫米，对1. 06微米激光高透射并对 1. 342微米高反射，输出镜M3为平面镜，对1. 06微米高透射并对1. 342微米透过率5% ；输 入镜M1与输出镜M3之间总长度为25毫米，输出连续锁模的1. 342微米脉冲激光，脉冲重复 频率为6GHz。实施例2:本实施例2实现一种波长1. 064微米，锁模脉冲重复频率为2. IGHz的可调谐调Q 锁模激光方法，其所用激光器系统中的二极管泵浦源1的输出波长为808纳米，激光增益晶 体3为梯形切割的NchGdVO4，耦合系统2和激光增益晶体3分别固定在三维可调节光具座 6和7上，声光开关5对应的工作波长为1. 064微米，输入镜M1曲率半径为30毫米，对808 纳米高透射并对1. 064微米高反射，腔镜M2曲率半径为50毫米，对1. 064微米高反射，输 出镜M3对1. 064微米的透过率10%，Mp M2距离50毫米，M2、M3距离20毫米，M1与M3之间 总长度约70毫米，声光开关5的重复频率变化范围IkHz 50kHz，输出1. 064微米调Q锁 模激光，调Q包络的重复频率可调谐，调Q包络里脉冲的重复频率为2. IGHz0本实施例1和2中涉及的激光器系统，其激光增益晶体3选择Nd:YAG、 Ti = SapphireANchYli^Cr = ForsteriteANchGdxYhVO4 等多种激光晶体的效果相同；调 Q 开关 为电光开关或机械开关；其激光器的激光谐振腔腔型可以是直腔、Z型腔或X型腔，各腔镜 的曲率和激光谐振腔的总长度根据具体情况来确定。
权利要求
1.一种高重复频率超短脉冲激光方法，其特征在于选择安装好的激光器系统包括泵浦 源、耦合系统、激光增益晶体、输入镜、腔镜、输出镜、光阑、调Q开关和光具座；由泵浦源产 生泵浦光经过耦合系统对激光增益晶体进行抽运，激光增益晶体的受激辐射在由输入镜到 输出镜之间形成的激光谐振腔间建立激光振荡，经由输出镜输出形成超短脉冲激光；泵浦 光通过耦合系统对激光增益晶体进行端面抽运而产生克尔效应引起激光增益晶体中的折 射率分布不均勻的同时，驻波光束的不均勻分布导致激光增益晶体中出现空间烧孔现象， 通过调整泵浦光和激光谐振腔腔模在激光增益晶体中的尺寸，来调整激光增益晶体中的空 间烧孔和克尔效应在激光增益晶体中的分布，当空间烧孔和克尔效应符合匹配关系时对光 束产生增强的非线性调制作用，从而在激光谐振腔内产生锁模激光振荡，再经由输出镜输 出超短脉冲激光；激光谐振腔内不设置另外的锁模元件，激光增益晶体既是增益晶体也是 锁模器件，完全自启动自锁模，激光的波长不受其他光学元件的限制，只要是激光增益晶体 的辐射波长即可实现。
2.根据权利要求1所述的高重复频率超短脉冲激光方法，其特征在于涉及的激光增益 晶体包括基质材料的掺稀土离子、锕系离子和过渡金属离子的晶体；激光谐振腔为输入镜 与输出镜之间构成的空间区域，其总长度不大于150毫米，激光谐振腔内设置硬光阑，以获 得高斯基模光束并消除可能出现的直流背景，或激光谐振腔内设置调Q开关，以调谐调Q脉 冲的重复频率，获得稳定的调Q锁模脉冲，调Q开关或光阑在激光谐振腔中的具体位置依据 实际光路进行调整；所获得的激光振荡包括连续锁模激光振荡和调Q锁模激光振荡；激光 谐振腔包括直腔、V型或Z型或X型折叠腔；泵浦源对激光增益晶体的泵浦方式为端面泵浦 方式；激光增益晶体切割为任意形状；激光增益晶体的一个端面替代输入镜；输出的激光 为调Q锁模超短脉冲激光或连续锁模超短脉冲激光。
全文摘要
本发明属于激光技术领域，涉及一种高重复频率超短脉冲激光方法，选择安装好激光器系统，由泵浦源产生泵浦光经过耦合系统对激光增益晶体进行抽运，激光增益晶体的受激辐射在由输入镜到输出镜之间形成的激光谐振腔间建立激光振荡，经由输出镜输出形成超短脉冲激光；端面抽运产生克尔效应引起晶体中的折射率分布不均匀的同时，导致晶体中出现空间烧孔现象，当空间烧孔和克尔效应符合匹配关系时产生非线性调制作用，在激光谐振腔内产生锁模激光振荡，再经由输出镜输出超短脉冲激光；其激光器结构简单，激光振荡稳定，原理可靠，效率高，易实现锁模激光。
文档编号H01S3/16GK102097737SQ20101059468
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者潘淑娣 申请人:青岛大学