高可靠锁模激光器的制造方法

文档序号:7261325阅读:168来源:国知局
高可靠锁模激光器的制造方法
【专利摘要】锁模激光器谐振腔中包含有激光增益介质,激光谐振腔镜,锁模器件,在锁模器件或谐振腔镜固定调整架上加附一个可产生微弱机械震动的器件,在每次锁模激光器开机后短暂启动该机械震动的器件,在锁模激光器的谐振腔中引入一个微弱机械扰动,从而使该锁模激光器可靠工作于锁模状态。
【专利说明】
高可靠锁模激光器

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光器,特别是一种能高可靠工作于锁模状态的锁模激光器。

【背景技术】
[0002]激光是由处于粒子数反转状态的激光增益介质产生受激辐射而反射出的能量高度集中,方向性极强,单色性好的光束,在各种工业加工,医疗,军事和科研等中得到广泛的应用。
[0003]在激光增益介质的增益谱线范围内,根据谐振腔镜所确立的激光光波在谐振腔内来回反射而要服从的边界条件即激光电磁光波的电场分量在谐振腔镜表面为零,在激光器的谐振腔中可以存在许多频率略有不同的纵模,其频率的差别是它们在两个谐振腔镜中传播时的电磁正弦波个数相互差别为1。
[0004]在一般的激光器中,纵模间并无固定的相位关系。而在锁模激光器中,通过在紧邻谐振腔镜处安置入适当的锁模器件,此锁模器件可以在某特定时间从高损耗状态突然转入低损耗状态,从而允许所有的纵模同时由谐振腔镜处起振,使得所有的纵模间的相位得以锁定。“锁模”激光器之名也由此而来。这许多频率间隔相同的纵模同相位起振电磁正弦波迭加的结果是脉冲宽度极窄的激光脉冲。如有越多的纵模被严格锁定,锁模激光器的激光脉冲宽度就越窄。故激光增益介质的增益谱线越宽,锁模器件从高损耗状态转入低损耗状态的速度越快,锁模激光脉冲宽度就越窄。典型的激光增益介质为如:?04的锁模激光器的激光脉冲宽度在5至25皮秒(即)间。
[0005]脉冲宽度窄至皮秒甚至飞秒量级的锁模激光器的出现,迅速推动了许多超快领域的突飞猛进。同时由于其激光脉冲宽度极窄,一定能量的激光脉冲可以实现极高的峰值功率,所以锁模激光器在众多要求超快或超高激光功率的场合基本成了不二之选。在激光加工领域,皮秒甚至飞秒量级的锁模激光脉宽加上超大的激光峰值功率,可以实现极为精细,几乎无热效应的高质量加工。
[0006]锁模激光器的锁模器件有主动和被动两种。
[0007]主动锁模器件,如声光锁模器件,是靠其控制驱动系统控制其是处在高损耗状态还是在低损耗状态,通过对激光腔内的损耗进行周期性调制锁定各个纵模之间的相位而实现锁模。其特点是实现锁模工作可靠,但开关速度较低故锁模激光器的激光脉冲宽度较宽,装置较复杂,用得较少。
[0008]被动锁模器件,如半导体可饱和吸收镜(英文简称,器件是处在高损耗状态还是在低损耗状态是被动的由激光本身的强度决定的。当激光强度达到一定水平,323八1中的吸收体对激光脉冲的吸收呈现饱和,32^1进入低损耗状态。脉冲强度越强,损耗越小,强度越弱,损耗越大。32^1的布拉格反射镜结构在吸收体呈现吸收饱和后,对激光为高反。在具体使用时,它既作为被动锁模器件,也同时直接被用为锁模激光器的谐振腔镜,不但结构简单,且锁模性能提高。
[0009]被动锁模的特点是简单,恢复时间快故锁模激光器的激光脉冲宽度较窄,但其在高损耗状态和低损耗状态间的转换开关是被动的取决于自发辐射的光信号强度,而在开机后激光是否出现具有足够强度的脉冲仅取决于量子噪声等偶然事件。其结果是一旦激光器件进入锁模状态,它可以稳定保持于锁模工作状态,但是如果激光器开机后自发辐射的光信号强度较弱,锁模不能从中建立,那么激光器将保持运行在此连续工作状态,而无法自动进入到锁模工作。尤其是在低重复频率(11取?201?)锁模激光器中该现象较为明显,锁模往往不能自启动。
[0010]半导体可饱和吸收镜或323舰在目前被广泛采用,德国⑶腿狀公司的品系列是目前世界上采用32^1被动锁模器件的锁模激光器的典型。但32^1被动锁模器件有一个弱点就是它本质上是一个基于半导体可饱和吸收材料的多层膜系结构,长期应用会在工作点上产生破坏或性能衰减,原本能自启动的锁模变得不能自启动或者根本就不能启动锁模,影响了锁模激光器的长期工作稳定可靠性。一个解决的方法是定期更改32^1的工作点,但挪动32^1又不破坏谐振腔的准直,是一个不小的技术挑战,增加了锁模激光器的复杂程度和成本。
[0011〕 一个避免了上述323舰易被破坏的弱点的被动锁模器件是非线性锁模器件。它由0?,180或880等非线性倍频晶体,配合对二次谐波高反,基波部分透射的反射镜组成。非线性倍频晶体只在激光强度达到一定值时才呈现相当的倍频效率,二次谐波被对谐波高反的反射镜反射回非线性晶体,当被反射回来的基波和二次谐波相位满足一定条件时,二次谐波反转换回基波能量故整个被动锁模器件呈现低的损耗状态。正确设计合适的非线性锁模器件对于激光工程人员是一个严格的挑战,故它没有如32^1那么普及。和32^1类似,在具体使用时,非线性锁模器件同时作为锁模激光器的输出腔镜使用。北京科涵龙顺激光设备有限公司的百1012皮秒锁模激光器是采用非线性锁模的代表产品。
[0012]随着对锁模激光器的需求越来越大,对锁模激光器的性能要求也越来越高,尽快及时的完美解决采用被动锁模器件的锁模激光器能100%可靠进入预定的锁模工作状态的问题,成了一个急迫的挑战。


【发明内容】

[0013]本发明的目的是提供一种采用被动锁模器件的高可靠锁模激光器,它可以在每次开机时,都能100%可靠进入预定的锁模工作状态。
[0014]为实现上述目的,关键在于认识到被动锁模激光器的被动特性,在其每次开机时,用其他方法,可以是电的方法,也可以是机械的方法,对激光器的工作制造一定的扰动,使激光器起振具有较多的随机大脉冲,从而使被动锁模器件进入工作状态。
[0015]用电的方法,如在激光器泵浦电流上迭加一个扰动。其缺点是对于激光二极管泵浦,它本身对电流扰动的响应不一定够快,同时泵浦电流上迭加一个扰动可能影响二极管的工作寿命。
[0016]本发明采取的具体方案是对激光器的谐振腔引入一定的机械震动。在谐振腔中比如腔镜上固定一个机械震动的器件,在每次锁模激光器开机后短暂启动该机械震动的器件,使该锁模激光器可靠工作于锁模状态。
[0017]该高可靠的锁模激光器,其谐振腔中包含有激光增益介质,激光谐振腔镜,及被动锁模器件。
[0018]激光增益介质包括但不限于恥:^^,^:^6, ^:^8,制:”04,^:6^04?恥:孔?,%: 1(61, %:^或激光光纤,激光增益介质的泵浦可以用常规的灯泵浦,或激光二极管泵浦,或激光束泵浦。
[0019]被动锁模器件可以是32^1可饱和吸收镜片或含XI?,180, 880,8180等非线性晶体的非线性锁模器件。
[0020]在被动锁模器件或谐振腔镜固定调整架上加附一个可产生微弱机械震动的器件,它可以是压电晶体,微型电声器件,偏心电机等。
[0021]在每次锁模激光器开机后短暂启动该机械震动的器件,短暂启动该机械震动的时间为 11X18-58。
[0022]本发明的优点是:
[0023]1.能100%保证采用被动锁模器件的锁模激光器可靠进入预定的锁模工作状态。
[0024]2.简单。
[0025]3.不影响激光器的谐振腔光路,可以方便对其他未采用此技术的被动锁模激光器进行改造,提高它们的锁模可靠性。

【专利附图】

【附图说明】
[0026]下面结合附图和实施作进一步说明。
[0027]图1:为常规的使用32^1作为被动锁模器件的锁模激光器及其输出的锁模激光脉冲波形示意图。
[0028]图2:为常规的使用非线性晶体作为被动锁模器件的锁模激光器示意图。
[0029]图3:为本发明高可靠锁模激光器示意图。
[0030]图4:为本发明中激光谐振腔镜固定调整架上加附一个偏心电机的示意图。

【具体实施方式】
[0031]如图1所示为一常规的使用32^1作为被动锁模器件的锁模激光器及其输出的锁模激光脉冲波形示意图。其中锁模激光器(001),锁模激光器的谐振腔(010),它由激光谐振腔镜(030)和另一激光谐振腔镜(035)决定。另一激光谐振腔镜(035)也就是32^1被动锁模器件。谐振腔(010)中还包含有激光增益介质(020).腔镜(031)和(032)为谐振腔(010)的转折腔镜。锁模激光器的激光输出为(050)0
[0032]锁模激光器开机后,泵浦源(图中未标出)对激光增益介质(020)进行泵浦,当激光增益介质达到粒子数反转状态后,可以因为量子噪声等原因而产生尖峰式的受激辐射,并可以演变为锁模激光振荡,输出锁模激光脉冲系列(050),其中每个脉冲(051)的脉冲宽度可以窄到几百飞秒至几十皮秒,相邻两个锁模激光脉冲间的时间间隔(052)为光波在谐振腔中传输一个来回的时间。如光程为1.50长的锁模激光器谐振腔,其输出锁模激光脉冲相邻间隔为10%,或锁模激光脉冲的重复频率为1001取。
[0033]对激光增益介质(020)进行泵浦的泵浦源可以是放电灯或激光二极管,或其它激光光束。
[0034]如图2所示为一常规的使用非线性锁模器件作为被动锁模器件的锁模激光器示意图。其中锁模激光器(101),锁模激光器的谐振腔(110),它由激光谐振腔镜(130)和另一激光谐振腔镜(135)决定。激光谐振腔镜(135)也就是非线性被动锁模器(133)中对倍频激光的高反镜。对倍频激光的高反镜(135)和非线性晶体(136)组成非线性被动锁模器件(133)。谐振腔(110)中还包含有激光增益介质(120)。腔镜(131)和(132)为谐振腔(110)的转折腔镜,以便在较小的空间内实现所需的激光谐振腔参数。锁模激光器的激光输出为(150)。
[0035]一个具体的设计实例如:
[0036]激光增益介质(120)为尺寸为3 X 3 X 12臟3的制:”04晶体,用301808鹽波长的激光二极管通过光纤进行泵浦,激光谐振腔长度为7.5%非线性晶体(136)为3X3X15臟3的180晶体。180晶体安置于高精度的温控炉内(图中未示出),温控精度应不低于±0丨0500。180晶体温控炉及对倍频激光的高反镜(135)之间的距离可以精密调节。输出锁模激光脉冲的脉冲宽度为10%到20%,锁模激光脉冲的重复频率为20册12,平均功率为61左右。
[0037]当腔长较长,激光器脉冲重复频率较低时,使用被动锁模器件,包括非线性锁模器件的锁模激光器的弱点是它常可能在开机后不自动进入锁模状态,而是进入连续激光工作状态。不解决这种问题,那么这类激光器就不能走出实验室,成为广大用户可以方便使用的女口广叩0
[0038]如图3所示,即为本发明的高可靠锁模激光器示意图。以使用非线性锁模器件作为被动锁模器件为例,其中锁模激光器(201),锁模激光器的谐振腔(210),它由激光谐振腔镜(230)和另一激光谐振腔镜(235)决定。激光谐振腔镜(235)也就是非线性被动锁模器件中对倍频激光的高反镜。对倍频激光的高反镜(235)和非线性晶体(236)组成非线性被动锁模器件(233)。谐振腔(210)中还包含有激光增益介质(220)。腔镜(231)和(232)为谐振腔(210)的转折腔镜。锁模激光器的激光输出为(250)0
[0039]具体的设计可以和上述的设计实例基本完全相同,除了以下一个差别,也就是本发明的发明点:
[0040]在安装有非线性被动锁模器件部件之一的谐振腔镜(235)的精密调整架(240)上,另固定上一个可产生微弱机械震动的器件,如偏心电机(241),其控制驱动电路为(242)。
[0041]在每次锁模激光器开机时,由控制驱动电路(242)短暂启动该机械震动器件(241),在锁模激光器的谐振腔(210)中引入一个微弱机械扰动,其结果是该锁模激光器可以100%可靠的进入并保持工作于锁模状态。
[0042]偏心电机(241)也可以安装在激光器谐振腔(210)内的其他部位,如非线性锁模器件(236)的固定调整架上(图中未标出)。
[0043]可以产生微弱机械震动的器件也可以用其他的如压电晶体$21),微型电声器件坐寸。
[0044]图4为本发明中激光谐振腔镜固定调整架上加附一个偏心电机的示意图。其中非线性被动锁模器件部件之一的谐振腔镜(235),安装在精密调整架(240)上,一个可产生微弱机械震动的器件,如偏心电机(241),固定在精密调整架(240)上,偏心电机(241)由其驱动电路(242)驱动。每次锁模激光器开机时,驱动电路(242)对偏心电机(241)驱动约11115 至 58。
[0045]本发明简单方便,不影响原激光谐振腔的设计和制造。也可以方便的对未釆用本发明技术的被动锁模激光器进行改造。效果是锁模激光器可以100%可靠的进入并保持工作于锁模状态。
[0046] 对于具体的可产生微弱机械震动的器件的选择和安装细节可以各有不同,此处不再一一冗述。
【权利要求】
1.锁模激光器的谐振腔中包含有激光增益介质,激光谐振腔镜,锁模器件,在锁模器件或谐振腔镜固定调整架上加附一个可产生微弱机械震动的器件,在每次锁模激光器开机后短暂启动该机械震动的器件,使该锁模激光器可靠工作于锁模状态。
2.权利要求1 中,激光增益介质包括 Nd:YAG,Yb:YAG, Yb:YAB, NdiYVO4, NdiGdVO4,Nd: YLF, Yb: KGff, Yb: KYff 或激光光纤。
3.权利要求1中,锁模器件包括SESAM可饱和吸收镜片。
4.权利要求1中,锁模器件包括KTP,BBO,LBO, BIBO非线性晶体锁模器件。
5.权利要求1中,可产生微弱机械震动的器件是压电晶体。
6.权利要求1中,可产生微弱机械震动的器件是微型电声器件。
7.权利要求1中,可产生微弱机械震动的器件是偏心电机。
8.权利要求1中,在每次锁模激光器开机后短暂启动该机械震动器件的时间为lms_5s0
【文档编号】H01S3/098GK104348075SQ201310320510
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月29日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】蔡志强, 陆富源, 殷帅 申请人:北京科涵龙顺激光设备有限公司, 殷帅
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