一种半导体激光器泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器的制作方法

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种半导体激光器泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器。

背景技术：

1991年spence等人首次实现了掺钛蓝宝石飞秒振荡器的克尔透镜锁模，其锁模脉冲宽度为60fs。时至今日，克尔透镜锁模掺钛蓝宝石激光器在经过了长期的发展和改进后，已经成为最重要且应用最广泛的超短脉冲光源之一。

对基于掺钛蓝宝石的振荡器和放大器来说，泵浦光最合适的波长在蓝绿光波段。最初的泵浦光源为氩离子激光器。氩离子激光器是惰性气体离子激光器，其典型谱线为514.5nm和488nm，具有泵浦功率大的优势。然而，过低的转化效率限制了其应用范围，自2000年后已经很少再有氩离子激光器泵浦钛宝石振荡器或放大器的相关报道了。

目前应用最广泛的泵浦源是全固态绿光激光器。其中使用最多的全固态绿光激光器是腔内倍频的半导体激光器直接泵浦nd:yvo4固体激光器，其工作原理为：先由半导体激光器发出808nm的光泵浦nd:yvo4晶体，产生1064nm的激光，再将1064nm的光经倍频晶体倍频后得到符合掺钛蓝宝石激光器和放大器泵浦要求的532nm的绿光。这种泵浦—发光—倍频—输出的过程使得泵浦源需要配有复杂的伺服系统，且光-光转化效率很低，泵浦成本很高。一般情况下,在采用该方法泵浦的钛宝石振荡或放大系统中，泵浦源的成本可以占到系统总成本的三分之一左右。

除了上面两种泵浦源之外，还有一些其他的泵浦源，如倍频垂直腔面发射激光器、倍频分布式布拉格反射器锥形半导体激光器、光泵浦半导体激光器、倍频掺镱光纤激光器等等。这些泵浦源都有共同的缺点，即都无法直接发出蓝绿范围内的光，都需要有倍频转化过程，都需要有配套的冷却设备，因此它们都没有从根本上解决泵浦源成本高、难以小型化的问题。

总的来说，泵浦源是导致掺钛蓝宝石激光器价格高、能耗高、难以小型化的主要因素。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种半导体激光器泵浦克尔透镜锁模掺钛蓝宝石激光器，由此解决现有技术无法用较低的成本和更简化的系统实现载波包络偏移频率稳定的飞秒激光输出的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种半导体激光器泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，包括：

第一半导体激光器，用于发射蓝绿波段的连续激光；

谐振腔，包括第一掺钛蓝宝石晶体，其输入端与第一半导体激光器的输出端连接，用于使蓝绿波段的连续激光泵浦下的第一掺钛蓝宝石晶体发出的红外光发生振荡和锁模，输出飞秒脉冲激光；

干涉仪，其输入端与谐振腔的输出端连接，用于对飞秒脉冲激光进行倍频处理获得第一倍频脉冲激光，对飞秒脉冲激光进行频谱展宽处理获得第二倍频脉冲激光，使第一倍频脉冲激光和第二倍频脉冲激光发生拍频干涉产生拍频信号；以及

反馈调节单元，其第一输入端与干涉仪的输出端连接，用于根据拍频信号输出控制信号，该控制信号用于调节第一半导体激光器输出连续激光的功率，保持载波包络偏移频率的稳定。

优选地，激光器还包括：

第一分束器，其输入端与谐振腔的输出端连接，将飞秒脉冲激光分为两路；

第二分束器，其输入端与第一分束器的输出端连接，将飞秒脉冲激光分为两路；

重复频率获取单元，其输入端与第二分束器的输出端连接，用于获得飞秒脉冲激光的重复频率，第二分束器的输出激光可以为谐振腔内的棱镜或第一掺钛蓝宝石晶体的反射光，或者是谐振腔内光学反射镜的透射光；以及

时域展宽器，其输入端与第一分束器的第二输出端连接，用于对飞秒脉冲激光进行时域展宽处理，输出时域展宽脉冲激光；

反馈调节单元的第二输入端与重复频率获取单元的输出端连接，用于根据重复频率调整第一半导体激光器输出功率和谐振腔几何尺寸，实现保持重复频率的稳定性。

优选地，激光器还包括：

放大器，其输入端与时域展宽器的输出端连接，用于对时域展宽脉冲激光进行放大处理，输出放大后激光脉冲；以及

压缩器，其输入端与放大器的输出端连接，用于对放大后激光脉冲进行时域压缩处理，获得压缩后和脉冲宽度可调的飞秒脉冲激光。

优选地，压缩器为基于反射式光栅组的压缩器或基于透射式光栅组的压缩器。

优选地，谐振腔还包括：第一曲面镜、第二曲面镜、第一棱镜、第一反射镜、第二棱镜、调谐元件、第一端镜以及输出耦合镜；

蓝绿波段的连续激光射入第一曲面镜的平面，经由第一曲面镜的曲面射出后射入第一掺钛蓝宝石晶体，第一掺钛蓝宝石晶体在蓝绿波段的连续激光的泵浦下发出红外光，经由第一掺钛蓝宝石晶体射出后射入第二曲面镜的曲面，经由第二曲面镜的曲面反射后依次经过第一棱镜、第一反射镜、调谐元件、第二棱镜以及第一端镜，经由第一端镜反射后沿原光路返回后射入第一曲面镜的曲面，经由第一曲面镜的曲面反射后进入输出耦合镜，部分激光经由输出耦合镜输出，剩余激光经由输出耦合镜沿原光路返回；

红外光在谐振腔内往返产生振荡，并通过克尔透镜锁模效应，形成飞秒脉冲激光；第一掺钛蓝宝石晶体作为谐振腔的增益介质和锁模元件，第一棱镜和第二棱镜用于补偿由第一掺钛蓝宝石晶体对腔内激光引入的色散，调谐元件用于调整飞秒脉冲激光的波长。色散补偿除可用上文所述棱镜对外，还可以通过啁啾镜或g-t干涉仪来实现。

优选地，干涉仪为基于超连续谱的干涉仪或基于色散波的干涉仪；

当干涉仪为基于超连续谱的干涉仪，基于超连续谱的干涉仪包括：

频域展宽器，其输入端作为干涉仪的输入端，用于对飞秒脉冲激光进行频谱展宽处理，输出频域展宽后脉冲激光；

分离器，其输入端与频域展宽器的输出端连接，用于分离频域展宽后脉冲激光的基频脉冲激光和第二倍频脉冲激光；

倍频器，其输入端与分离器的第一输出端连接，用于对基频脉冲激光进行倍频处理，获得第一倍频脉冲激光；

延时器，其输入端与分离器的第二输出连接，用于第二倍频脉冲激光进行延时处理输出延时后第二倍频脉冲激光；以及

合束器，其第一输入端与倍频器的输出端连接，其第二输入端与延时器的输出端连接，用于对第一倍频脉冲激光和延时后第二倍频脉冲激光进行拍频干涉获得拍频信号。

当干涉仪为基于色散波的干涉仪，基于色散波的干涉仪包括：

倍频器，其输入端作为干涉仪的输入端，用于对飞秒脉冲激光进行倍频处理获得倍频后脉冲激光；

分离器，其输入端与倍频器的输出端连接，用于分离倍频后脉冲激光获得第一倍频脉冲激光和基频脉冲激光；

延时器，其输入端与分离器的第一输出端连接，用于对第一倍频脉冲激光进行延时处理，输出延时后第一倍频脉冲激光；

频域展宽器，其输入端与分离器的第二输出端连接，用于产生位于倍频谱段的共振色散波，获得第二倍频脉冲激光；

合束器，其第一输入端与延时器的输出端连接，其第二输入端与频域展宽器的输出端连接，用于对延时后第一倍频脉冲激光和第二倍频脉冲激光进行拍频干涉获得拍频信号。

优选地，放大器包括：

第二半导体激光器，用于发射蓝绿波段的连续或脉冲激光；

选脉冲模块，其第一端与时域展宽器的输出端连接，其第二端与压缩器的输入端连接，用于对第一展宽后脉冲激光进行脉冲筛选，经由第三端输出筛选后脉冲激光；以及

放大腔，包括第二掺钛蓝宝石晶体，其第一端与第二半导体激光器的输出端连接，其第二端与选脉冲模块的第三端连接，用于使筛选后脉冲激光在其内振荡，并使经过由蓝绿波段的连续或脉冲激光激发的第二掺钛蓝宝石晶体的脉冲激光幅值放大；

放大后脉冲激光经由放大腔的第二端输出后进入选脉冲模块，经由选脉冲模块的第二端输出并进入压缩器。

优选地，放大腔还包括：第三双色镜、第十四反射镜、第三端镜、第十五反射镜、第十六反射镜第三曲面镜以及第四曲面镜，

第二半导体激光器输出蓝绿波段的连续或脉冲激光射入到第二掺钛蓝宝石晶体上，产生粒子数反转；选脉冲模块输出筛选后脉冲激光依次经过第十六反射镜、第四曲面镜、第三双色镜，通过第二掺钛蓝宝石晶体放大后，又依次入射到右侧的第十四反射镜、第三曲面镜、第十五反射镜、第三端镜，第三端镜让光沿原路返回至选脉冲模块，选脉冲模块根据控制信号确定是否将由第二端输入的激光沿原路返回至放大腔，控制筛选后脉冲激光在放大腔内通过第二掺钛蓝宝石晶体的次数。

优选地，激光器还包括：

第一光束整形模块，其输入端与第一半导体激光器的输出端连接，用于对蓝绿波段的连续激光进行整形，输出整形后连续激光；

第一偏振调节模块，其输入端与第一光束整形模块的输出端连接，其输出端与谐振腔的输入端连接，用于调节整形后连续激光的偏振态；

第二光束整形模块，其输入端与第二半导体激光器的输出端连接，用于对蓝绿波段的连续或脉冲激光进行整形，输出整形后的连续或脉冲激光；以及

第二偏振调节模块，其输入端与第二光束整形模块的输出端连接，其输出端与放大腔的输入端连接，用于调节整形后连续或脉冲激光的偏振态。

优选地，时域展宽器为基于反射式光栅组的时域展宽器、基于透射式光栅组的时域展宽器、基于四棱镜组的时域展宽器、基于啁啾布拉格体光栅的时域展宽器或基于光纤展宽器的时域展宽器。

优选地，第一半导体激光器的数量和第二半导体激光器的数量均可以为一个或多个，当为多个时，第一合束单元对多个第一半导体激光器发射的蓝绿波段的连续激光进行合束处理后输出蓝绿波段的复合连续激光，复合连续激光用于泵浦谐振腔器内第一掺钛蓝宝石晶体；第二合束单元对多个第二半导体激光器发射的蓝绿波段的连续或脉冲激光进行合束处理后输出蓝绿波段的复合激光，复合连续或脉冲激光用于泵浦放大器内第二掺钛蓝宝石晶体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、首先，振荡器和再生放大器均由半导体激光器直接泵浦，可以省去传统泵浦方法中一系列复杂的波长转化装置以及配套的冷却装置，泵浦效率大幅提高，成本大幅降低，系统更加简便可行；其次，通过干涉仪对飞秒脉冲激光进行频谱扩展后，分解出其中的第一倍频脉冲激光以及基频脉冲激光，并对基频脉冲激光进行倍频处理获得第二倍频脉冲激光，使第一倍频脉冲激光和第二倍频脉冲激光发生拍频干涉产生拍频信号；根据拍频信号输出控制信号，该控制信号用于调节第一半导体激光器输出连续激光的功率，保持载波包络偏移频率的稳定。

2、稳频系统中采用基于共振色散波的f-to-2f技术测量载波包络偏移频率，使得f-to-2f测量对输出激光的消耗更小，且提高了整个系统的灵活度。

3、可以通过直接调制第一半导体激光器的泵浦电流来实现对载波包络偏移频率的反馈调节，调制带宽更大，从而能够提升反馈调节的速度。

4、通过透射式光栅组实现脉冲展宽和脉冲压缩，不仅具有大带宽、低损耗、高衍射效率、高损伤阈值，而且具有光路无遮挡、便于光路排布等优势。

5、通过调节谐振腔中第一棱镜、第二棱镜可以补偿色散，同时实现对脉宽的调谐，通过调谐元件实现对波长调谐，从而实现输出的飞秒激光脉冲的波长和脉宽的可控。

6、本发明可以用多个第一半导体激光器输出蓝绿波段的连续激光或第二半导体激光器输出蓝绿波段的连续(或脉冲)激光经由合束单元进行合束后获得的激光泵浦钛宝石晶体，以提高泵浦效率、降低对单个半导体激光器的功率要求。这些半导体激光器的波长可以相同，也可以不同。

7、本发明可以广泛用于各类需要超短激光脉冲的领域，如精密微加工、非线性光学成像、超快光谱实验、光频率梳应用、分子反应动力学研究、阿秒科学研究等。

附图说明

图1为本发明提供的激光器结构示意图；

图2为本发明提供的第一光束整形模块10、第二光束整形模块85的结构示意图，其中，图2(a)为基于透镜组的光束整形器的结构示意图，图2(b)为基于光纤的光束整形器的结构示意图；

图3为本发明提供的谐振腔的另一种实施方式；

图4为谐振腔其他泵浦方式示意图，其中，图4(a)为谐振腔后向泵浦的示意图，图4(b)为谐振腔双向泵浦的示意图；

图5为本发明提供的啁啾镜的工作原理图；

图6为本发明提供的g-t干涉仪的结构示意图；

图7为本发明提供的调谐元件的结构示意图，其中，图7(a)为基于可变光阑的调谐元件的结构示意图，图7(b)为本发明提供的基于偏振干涉滤光片的调谐元件的结构示意图；图7(c)为本发明提供的基于双折射滤光片的调谐元件的结构示意图，图7(d)为本发明提供的基于光栅的调谐元件，图7(e)为本发明提供的基于法布里-珀罗标准具的调谐元件的结构示意图；

图8为本发明提供的基于超连续谱的干涉仪的结构示意图；

图9为本发明提供的基于共振色散波的干涉仪的结构示意图；

图10为本发明提供的延时器的结构示意图，其中，图10(a)为基于可移动直角棱镜的延迟器结构示意图；图10(b)为基于可移动反射镜组的延迟器的结构示意图；

图11为本发明提供的时域展宽器的结构示意图；其中，图11(a)为基于反射式光栅组的时域展宽器的结构示意图，图11(b)为基于透射式光栅组的时域展宽器的结构示意图，图11(c)为基于四棱镜组的时域展宽器的结构示意图，图11(d)为基于啁啾布拉格体光栅的时域展宽器的结构示意图，图11(e)为光纤时域展宽器的结构示意图；

图12为选脉冲模块的结构示意图，其中，图12(a)为基于电光调制器的选脉冲模块的结构示意图，图12(b)为基于声光调制器的选脉冲模块的结构示意图；

图13为压缩器的结构示意图，其中，图13(a)为本发明提供的基于反射式光栅组的压缩器的结构示意图，图13(b)为本发明提供的基于透射式光栅组的压缩器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明提供的激光器结构示意图，该激光器包括第一半导体激光器9、谐振腔7、干涉仪49以及反馈调节单元50。第一半导体激光器9发射蓝绿波段的连续激光；谐振腔7输入端与第一半导体激光器9的输出端连接，使在蓝绿波段的连续激光泵浦下的掺钛蓝宝石8发出的近红外光发生振荡和锁模，输出飞秒脉冲激光；干涉仪49的输入端与谐振腔7的输出端连接，用于对飞秒脉冲激光进行倍频处理获得第一倍频脉冲激光，对飞秒脉冲激光进行频谱展宽处理获得第二倍频脉冲激光，使第一倍频脉冲激光和第二倍频脉冲激光发生拍频干涉产生拍频信号；反馈调节单元50的输入端与干涉仪49的输出端连接，用于根据拍频信号输出控制信号，该控制信号用于调节第一半导体激光器9的泵浦电流及输出连续激光的功率，保持载波包络偏移频率的稳定。

本发明提供的激光器由半导体激光器直接泵浦，可以省去传统泵浦方法中一系列复杂的波长转化装置以及配套的冷却装置，泵浦效率大幅提高，成本大幅降低，系统简便可行。由干涉仪获得由谐振腔输出飞秒脉冲激光的载波包络偏移频率，根据载波包络偏移频率输出控制信号，控制信号用于控制半导体激光器的输出连续激光功率，实现保持载波包络偏移频率的稳定。

本发明提供的克尔透镜锁模掺钛蓝宝石激光器实施例中，谐振腔7也可以接收蓝绿波段的复合连续激光，蓝绿波段的复合连续激光用于泵浦第一掺钛蓝宝石8，蓝绿波段的复合连续激光可以通过将多个第一半导体激光器9输出的蓝绿波段的连续激光经由合束单元合束后获得，多个第一半导体激光器的输出的位于蓝绿波段的连续激光的波长可以相同，也可以不同，第一合束单元可以为偏振合束器、二向色镜、透镜或者声光调制器，采用复合激光泵浦能够提高泵浦效率，降低对单个半导体激光器的功率要求。

本发明提供的激光器实施例中，还包括第一分束器23、第二分束器47、重复频率获取单元48、反馈调节单元50、时域展宽器3、放大器4以及压缩器5，第一分束器输入端与谐振腔7的输出端连接，第一分束器第一输出端与第二分束器的输入端连接，第一分束器第二输出端与时域展宽器3的输入端连接；第二分束器第一输出端与干涉仪49的输入端连接，第二分束器第二输出端与重复频率获取单元48的输入端连接；第二分束器47的输出激光可以为谐振腔7内的棱镜或第一掺钛蓝宝石晶体8的反射光，或者是谐振腔7内光学反射镜的透射光；重复频率获取单元48获得飞秒脉冲激光的重复频率；反馈调节单元的输入端与重复频率获取单元的输出端连接，用于根据重复频率调整第一半导体激光器输出功率和谐振腔长，实现保持重复频率的稳定性；时域展宽器3用于对飞秒脉冲激光进行时域展宽处理，输出时域展宽脉冲激光。放大器4的输入端与时域展宽器3的输出端连接，用于对时域展宽脉冲激光进行放大处理，输出放大后激光脉冲；压缩器5的输入端与放大器4的输出端连接，用于对放大后激光脉冲进行时域压缩处理，获得压缩后飞秒脉冲激光，同时可实现脉冲宽度的调谐。

本发明提供的激光器经由重复频率获取单元48和反馈调节单元50对飞秒脉冲激光重复频率的调整，保证飞秒脉冲激光冲重复频率的稳定，经由干涉仪49和反馈调节单元50对载波包络偏移频率进行调整，保证载波包络偏移频率的稳定；飞秒脉冲激光进入时域展宽器3，通过色散将不同频率成分的光在时域上分开，对脉冲进行展宽。展宽后的脉冲经过放大器4，各个频率分量都得到放大。放大后的脉冲再经过压缩器5，通过色散补偿将脉冲压缩，从而使得峰值功率得到极大提高，最后输出重复频率和载波包络频率稳定的超短激光脉冲。

本发明提供的激光器实施例中，还包括第一光束整形模块10、第一偏振调节模块11、第二光束整形模块85以及第二偏振调节模块86。其中，第一光束整形模块10输入端与第一半导体激光器9的输出端连接，用于对蓝绿波段的连续激光进行整形，输出整形后连续激光；第一偏振调节模块11输入端与第一光束整形模块10的输出端连接，第一偏振调节模块11输出端与谐振腔7的输入端连接，用于调节整形后连续激光的偏振态。第二光束整形模块85输入端与第二半导体激光器84的输出端连接，用于对蓝绿波段的连续或脉冲激光进行整形，输出整形后的连续或脉冲激光。第二偏振调节模块86输入端与第二光束整形模块85的输出端连接，第二偏振调节模块86输出端与放大腔83的输入端连接，用于调节整形后连续或脉冲激光的偏振态。通过调整激光在横截面上光强的分布，同时对其偏振态的调整，可以使进入谐振腔、放大腔的激光为近似为线性偏振的激光，提高锁模状态的稳定性。

如图1所示，第一偏振调节模块11、第二偏振调节模块86包括一1/4波片24和一1/2波片25，沿着光轴与垂直于光轴的偏振光在通过后1/4波片相位差比原来增加90°，从而将任意偏振态的光调为线偏振；同时1/2波片可以使沿着光轴与垂直于光轴的偏振光在通过后，相位差比原来增加180°，因此可以将线偏振光偏振方向旋转任意角度。

图2为本发明提供的第一光束整形模块10、第二光束整形模块85的结构示意图，其中，图2(a)为基于透镜组的光束整形模块的结构示意图，基于透镜组的光束整形模块10a包括透镜26和透镜27，通过设计透镜26和透镜27弧面，使透镜26和透镜27对射入光束进行发散角压缩、聚焦以及准直处理，抑制高阶模式，从而改善其光束质量。图2(b)为基于光纤的光束整形模块的结构示意图，基于光纤的光束整形模块10b包括透镜28、透镜30以及多模光纤29，透镜28用于对第一半导体激光器9输出蓝绿波段的连续激光进行聚焦，并将聚焦后的光耦合到多模光纤29中，在此过程中高阶模消失，光束质量得到优化，在输出端采用透镜30对光束进行聚焦处理，得到理想的光斑，从而改善其光束质量。

如图1所示，本发明提供的激光器实施例中，谐振腔7包括第一曲面镜15、第一掺钛蓝宝石晶体8、第二曲面镜16、第一棱镜17、第一反射镜18、第二棱镜20、调谐元件19、第一端镜21以及输出耦合镜22。

由第一偏振调节模块11输出偏振态调节后的连续激光，经由第二反射镜12和第三反射镜13改变光路后，经由第一聚焦镜14聚焦后，射入第一曲面镜15的平面，经由第一曲面镜15的曲面射出后射入第一掺钛蓝宝石晶体8，经由第一掺钛蓝宝石晶体8射出后射入第二曲面镜16的曲面，经由第二曲面镜16的曲面反射后依次经过第一棱镜17、第一反射镜18、调谐元件19、第二棱镜20以及第一端镜21，经由第一端镜21反射后沿原光路返回后射入第一曲面镜15的曲面，经由第一曲面镜15的曲面反射后进入输出耦合镜22，部分激光经由输出耦合镜22输出，剩余激光经由输出耦合镜22沿原光路返回，由输出耦合镜22输出的飞秒脉冲激光经由第一分束器23分束后，一部分进入第二分束器47，另一部分进入时域展宽器3。

激光在谐振腔内往返，多次经过第一掺钛蓝宝石晶体8，第一掺钛蓝宝石晶体8作为谐振腔7的增益介质和锁模元件，使得激光在谐振腔内振荡，且振荡模式锁定，形成飞秒脉冲激光，第一棱镜17和第二棱镜20用于补偿由第一掺钛蓝宝石晶体8对腔内激光引入的色散，从而调节飞秒脉冲激光的光谱和脉宽。调谐元件19用于调节飞秒脉冲激光的波长。可以通过改变第一端镜21的位置来改变腔长，实现改变谐振腔7输出飞秒脉冲激光的重复频率，设在第一偏振调节模块11与谐振腔7之间的第二反射镜12、第三反射镜13和第一聚焦镜14的位置和参数根据实际情况确定。

本实施例中采用前向泵浦方式，泵浦光从一端注入掺钛蓝宝石晶体，在输入端，泵浦光较强，信号光获得的增益大，因此噪声性能好。

作为谐振腔7的另一种实施方式，如图3所示，谐振腔7包括第一曲面镜15、第一掺钛蓝宝石晶体8、第二曲面镜16、第二端镜32、第四反射镜33、第一光楔34、第二光楔35以及第五反射镜36。

由第一半导体激光器9射出的蓝绿波段连续激光经由第一聚焦镜14聚焦后，射入第一曲面镜15的平面，经由第一曲面镜15的曲面射出后射入第一掺钛蓝宝石晶体8，经由第一掺钛蓝宝石晶体8射出后射入第二曲面镜16的曲面，经由第二曲面镜16的曲面反射后射入第二端镜32、一部分激光经由第二端镜32透射出进入第四反射镜33，经由第四反射镜33反射后进入干涉仪49，剩余激光经由第二端镜32反射后进入第一光楔34，一部分激光经由第一光楔34输出，剩余激光透射过第一光楔34后依次进入第二光楔35以及第五反射镜36，经由第五反射镜36反射后射入第一曲面镜15的曲面，经由第一曲面镜15的曲面反射后回到第一掺钛蓝宝石晶体8。调谐元件位于往返光路的任意的位置，但不能位于光楔34和光楔35之间，用于调节飞秒脉冲激光的波长。通过控制第一光楔34和第二光楔35的嵌入程度，其可变的厚度以一种受控的方式增加了正群延时色散，允许连续补偿。

本发明提供的实施例中，谐振腔7除了可以采用前向泵浦方式，还可以采用后向泵浦或双向泵浦，图4为谐振腔其他泵浦方式示意图，其中，图4(a)为谐振腔后向泵浦的示意图，由第一半导体激光器9、第一光束整形模块10以及第一偏振调节模块11组成的泵浦源6，经由泵浦源6输出偏振态调节后的连续激光，经由第二反射镜12和第三反射镜13改变光路后，经由第一聚焦镜14聚焦后，射入第二曲面镜16的平面，从而进入谐振腔7内产生谐振和锁模，形成飞秒脉冲激光。本发明实施例中采用后向泵浦中，泵浦光从另一端输入掺钛蓝宝石晶体。图4(b)为谐振腔双向泵浦的示意图，经由泵浦源6输出偏振态调节后的连续激光，经由第二反射镜12和第三反射镜13改变光路后，经由第一聚焦镜14聚焦后，射入第一曲面镜15的平面，经由另一泵浦源6’输出偏振态调节后的连续激光，经由反射镜12’和反射镜13’反射后，经由聚焦透镜14’射入曲面镜16的平面，两束泵浦光进入谐振腔7内产生谐振和锁模，形成飞秒脉冲激光。

本发明提供的实施例中，可以去掉图1谐振腔7中第一棱镜17和第二棱镜20，同时在图1第一曲面镜15、第二曲面镜16、第一反射镜18、第一端镜21和输出耦合镜22或图3中的第一曲面镜15、第二曲面镜16、第二端镜32、第五反射镜36的入射面上全部或部分镀有厚度渐增的多层介质膜，使之成为啁啾镜，用于补偿色散。图5为啁啾镜的工作原理图，特定中心波长的波包被相应膜系最有效地反射，如果将厚度渐增的多层介质膜沉积在基片上制作成反射镜，长波成分透入介质膜结构的深度会更深，再被相应的膜系反射，这样一来长波波包经历更多的群延时，由此产生负色散。

本发明提供的实施例中，可以去掉谐振腔7中第一棱镜17和第二棱镜20，将第一端镜21或者第五反射镜36替换成g-t干涉仪(gires-tournoisinterferometers)，图6为g-t干涉仪的结构示意图，g-t干涉仪包括前反射镜和后反射镜，前反射镜部分反射入射光，后反射镜具有高的反射率，由于共振效应，反射光的相位是频率依赖性的，即不同波长的激光发生干涉的时间不同，从而导致色散，通过微调g-t干涉仪的腔长和入射光角度，可以动态改变色散补偿量的大小，从而对谐振腔中产生的激光进行色散补偿，优化输出激光的色散特性。

本发明提供的实施例中，调谐元件可以为基于可变光阑的调谐元件、基于偏振干涉滤光片的调谐元件、基于双折射滤光片的调谐元件、基于光栅的调谐元件或基于法布里-珀罗标准具的调谐元件。如图7为本发明提供的调谐元件的结构示意图，图7(a)为基于可变光阑的调谐元件的结构示意图，可变光阑包括第一挡板37和第二挡板38，谐振腔7中激光射入由第一挡板37和第二挡板38构成的狭缝，通过调节由第一挡板37和第二挡板38构成的狭缝的位置来改变输出激光的中心波长，通过调节由第一挡板37和第二挡板38构成的狭缝的宽度来改变通过腔内振荡激光的空间范围，从而改变输出激光的光谱和脉宽。

图7(b)为本发明提供的基于偏振干涉滤光片的调谐元件的结构示意图，偏振干涉滤光片由一系列的偏振片39与双折射晶体40构成的多层膜系结构，其透射率(反射率)是与偏振形式或者空间分布相关的，通过设计和改变膜系的结构和膜层的光学参数，可以获得各种光谱特性，用于控制、调整和改变输出激光的透射、反射、吸收、偏振或相位状态，从而改变出射光的偏振态和空间分布，利用双折射晶体对不同波长光波延迟的差异实现光波在某些波长干涉的加强和减弱，从而实现在某波长范围内得到一定形状透过率输出。

图7(c)为本发明提供的基于双折射滤光片的调谐元件的结构示意图，基于线偏振光透过滤光片及偏振片41产生干涉，而引起透射率随波长变化的基本原理实现对激光波长的调谐。基于双折射滤光片的调谐元件包括双折射滤光片和偏振片41，激光入射到双折射滤光片上，将会产生双折射现象，分解为o光和e光，当两束光通过偏振片41后会产生一定的相位延迟，通过围绕虚轴旋转板的角度不同，可以改变相位延迟量，从而对出射光的波长进行连续调谐。

图7(d)为本发明提供的基于光栅的调谐元件，基于光栅的调谐元件包括第六反射镜42、光栅43以及第七反射镜44，入射光经过第六反射镜42反射至光栅43，光栅43对不同波长的光的衍射角度不一样，就使激光腔中引入了与波长相关的反馈从而实现调谐，调谐后的光再经过第七反射镜44反射输出，调节第七反射镜44的位置即实现所选择的波长激光射入。

图7(e)为本发明提供的基于法布里-珀罗标准具的调谐元件的结构示意图，法布里-珀罗标准具包括第八反射镜45和第九反射镜46，通过调节法布里-珀罗标准具的第八反射镜45和第九反射镜46之间的间隔或改变法布里-珀罗标准具的倾斜角，可分别达到对波长的粗调与精调。单色光以角度i入射，在平行板内不断分解为反射光和透射光，这样每一透射光与前一透射光有一相位差，法布里-珀罗标准具对满足相位差为2mπ的光波能形成稳定的振荡并输出等间隔的梳状波形，当m的值取定后，满足相位条件且具有峰值透过率波长的参量有：入射角度i和第八反射镜45和第九反射镜46之间的厚度h，调节这两个参量就可以达到波长调谐的目的。

本发明提供的实施例中，干涉仪包括第一频域展宽器、第一分离器、第一倍频器、第一延时器以及第一合束器，第一频域展宽器输入端作为干涉仪的输入端，第一频域展宽器用于对飞秒脉冲激光进行频率展宽处理，输出展宽后脉冲激光；第一分离器输入端与第一频域展宽器的输出端连接，第一分离器用于分离展宽后脉冲激光的基频脉冲激光和第二倍频脉冲激光，其中第二倍频脉冲激光记为2nf+f0；第一倍频器输入端与第一分离器的第一输出端连接，第一倍频器用于对基频脉冲激光进行倍频处理，获得第一倍频脉冲激光，第一倍频脉冲激光记为2nf+2f0；第一延时器输入端与第一分离器的第二输出端连接，第一延时器用于第二倍频脉冲激光进行延时处理输出延时后第二倍频脉冲激光；第一合束器第一输入端与第一倍频器的输出端连接，第一合束器第二输入端与第一延时器的输出端连接，第一合束器用于对第一倍频脉冲激光和延时后第二倍频脉冲激光进行拍频干涉获得拍频信号，拍频信号的频率等于载波包络偏移频率。

如图8为本发明提供的基于超连续谱的干涉仪的结构示意图，干涉仪包括第二聚焦镜51、第一特殊光纤52、第三聚焦镜53、第一双色镜54、第四聚焦镜55、倍频晶体56、第五聚焦镜57、第二双色镜58、第十反射镜59、延时器60以及合束器61。

由第一分束镜47输出的飞秒脉冲激光经由第二透镜51聚焦后进入特殊光纤52，特殊光纤52对聚焦后的飞秒脉冲激光进行频率展宽处理，输出展宽后脉冲激光，由于色散作用(群速度色散和高阶色散)和各种非线性效应(自相位调制、脉冲内受激拉曼散射、四波混频等)会使光谱发生很大程度的展宽，同时又能很好地保持很好的相干性，所产生的超宽谱相干光即为超连续谱，产生的超连续谱的光涵盖基频光和倍频光，展宽后脉冲激光经过第三聚焦镜53聚焦后输出聚焦后脉冲激光，聚焦后脉冲激光进入第一双色镜54，第一双色镜54将聚焦后脉冲激光分离为基频脉冲激光和第二倍频脉冲激光这两路，其中基频脉冲激光进入第四聚焦镜55并经由第四聚焦镜55聚焦后进入倍频晶体56，经由倍频晶体56进行倍频处理后输出第一倍频脉冲激光，第一倍频脉冲激光经由第二双色镜58反射后进入合束器61，另一路由第一双色镜54输出的第二倍频脉冲激光经由第十反射镜59反射后进入延时器60，经过延时处理后，以使两路光在时间上重合；延时后的第二倍频脉冲激光和第一倍频脉冲激光合束发生拍频干涉，产生拍频信号，拍频信号传输到快速光电探头62上，经过光电转换产生电信号进入反馈调节单元50，实现载波包络偏移频率反馈控制。

本发明提供的实施例中，基于共振色散波的干涉仪包括第二倍频器、第二分离器、第二频域展宽器、第二延时器以及第二合束器，第二倍频器的输入端作为干涉仪的输入端，第二倍频器用于对飞秒脉冲激光进行倍频处理获得倍频后脉冲激光；第二分离器的输入端与第二倍频器的输出端连接，第二分离器用于分离倍频后脉冲激光获得第一倍频脉冲激光和基频脉冲激光；第二延时器的输入端与第二分离器的输出端连接，第二延时器用于对第一倍频脉冲激光进行延时处理，输出延时后第一倍频脉冲激光；第二频域展宽器的输入端与第二分离器的输出端连接，第二频域展宽器用于对基频脉冲激光进行频率展宽处理，获得第二倍频脉冲激光；第二合束器的第一输入端与第二延时器的输出端连接，第二合束器的第二输入端与第二频域展宽器的输出端连接，第二合束器用于对延时后第一倍频脉冲激光和第二倍频脉冲激光进行拍频干涉获得拍频信号。

如图9为本发明提供的另一种干涉仪的结构示意图，干涉仪包括：第二聚焦镜51、第二特殊光纤63、第三聚焦镜53、第一双色镜54、第四聚焦镜55、倍频晶体56、第五聚焦镜57、第二双色镜58、第十反射镜59、延时器60以及合束器61。

由第一分束镜47输出的飞秒脉冲激光经第二透镜51聚焦到倍频晶体56后，产生倍频光后再经过第三聚焦镜53传输到第一双色镜54，然后分为两路：反射光为第一倍频脉冲激光，经第十反射镜59，传输到延迟器60上，延迟器60用于调节时延，以使两路光在时间上重合；透射光为剩余的基频脉冲激光，经过第四聚焦镜55耦合到第二特殊光纤63中，产生位于倍频谱段的共振色散波，再经过第五聚焦镜57传输到第二双色镜58后，反射的共振色散波继续传播到合束器61上，与另一路光合束产生拍频信号，拍频信号传输到快速光电探头62上，经过光电转换产生电信号进入反馈调节单元50，实现载波包络偏移频率反馈控制。

本发明提供的实施例中，延时器可以为声光调制器、电光调制器、可移动反射镜组或可移动直角棱镜。图10为延时器的结构示意图，其中，图10(a)为基于可移动直角棱镜的延迟器结构示意图。输入光首先经过第十一反射镜64，传输到第一直角棱镜66内一条直角边界上，被反射后继续传播，传输到另一条直角边界上，再次反射后经过第十二反射镜65输出激光。其中第一直角棱镜66位置可调，通过调节第一直角棱镜66和两块第十一反射镜64、第十二反射镜65的相对位置，从而改变经过光束所走过的光程，达到调节时延的目的。

图10(b)为基于可移动反射镜组的延迟器的结构示意图。输入光首先经过第十一反射镜64，传输到第十二反射镜67上，被反射后继续传播，传输到反射镜68上，再次反射后经过反射镜65输出激光。其中第十三反射镜67、第十四反射镜68位置可调，通过调节第十三反射镜67、第十四反射镜68和第十一反射镜64、第十二反射镜65的相对位置，从而改变经过光束所走过的光程，达到调节时延的目的。

本发明提供的实施例中，时域展宽器可以为基于反射式光栅组的时域展宽器3a、基于透射式光栅组的时域展宽器3b、基于四棱镜组的时域展宽器3c、基于啁啾布拉格体光栅的时域展宽器3d或光纤时域展宽器3e，图11为时域展宽器的结构示意图，图11(a)为基于反射式光栅组的时域展宽器的结构示意图，将两个参数完全相同的第一反射式光栅70、第二反射式光栅71平行并呈一定间距放置，输入光入射到第一反射式光栅70上，将不同频率成分的光在空间域上分开，第二反射式光栅71则使不同传播方向的光沿水平方向传播，使传播的光程与频率相关，引入时延展宽脉冲。第十三反射镜72将入射的光反射回相反方向，再次经过第一反射式光栅70、第二反射式光栅71，在空间上对展宽的光束进行合束，经过反射镜69输出。通过合理的选择光栅参数，设置光栅间的距离，可以引入不同程度的脉冲展宽。

图11(b)为基于透射式光栅组的时域展宽器的结构示意图，将两个参数完全相同的第一透射式光栅73、第二透射式光栅74平行并呈一定间距放置，输入光入射到第一透射式光栅73上，将不同频率成分的光在空间域上分开，第二透射式光栅74则使不同传播方向的光水平方向传播，使传播的光程与频率相关，引入时延展宽脉冲。第十三反射镜72将入射的光反射回相反方向，再次经过第一透射式光栅73、第二透射式光栅74，在空间上对展宽的光束进行合束，经过反射镜69输出。通过合理的选择光栅参数，设置光栅间的距离，可以引入不同程度的脉冲展宽。

图11(c)为基于四棱镜组的时域展宽器的结构示意图，将两个参数完全相同的第三棱镜75和第四棱镜76平行并呈一定间距放置，第三棱镜75利用折射角与频率相关的性质将不同频率成分的光分开，第四棱镜76使不同传播方向的光水平方向传播，基于不同频率成分在棱镜中的光程不同，引入时延差，展宽脉冲。第十三反射镜72将入射的光反射回相反方向，再次经过第三棱镜75、第四棱镜76，可以将空间展开的光进行合束。通过合理选择棱镜材料和插入深度设置棱镜间距，即可以达到脉冲展宽的目的。

图11(d)为基于啁啾布拉格体光栅的时域展宽器的结构示意图，入射脉冲通过光环形器77耦合到啁啾光纤光栅78中，在光传播方向上，光栅周期逐渐变化，不同频率成分的光在不同的光栅周期处反射，所对应传播深度不同从而引入时延展宽脉冲，通过光环形器77输出展宽的脉冲。其中光栅参数可以根据整体激光系统的色散和非线性特性设计达到优化系统的目的，同时可以通过但不限于热效应、机械拉伸等效应对啁啾光纤光栅的色散特性进行微调，从而实现对系统输出脉冲宽度的最优化。

图11(e)为光纤时域展宽器的结构示意图，脉冲经过透镜79耦合到光纤80中，在传播过程中受到色散和非线性效应的作用实现展宽，展宽后的脉冲经过透镜81耦合输出。

如图1所示，本发明提供放大腔83的实施例具有设置在第二掺钛蓝宝石晶体89两侧的第三双色镜88和第十四反射镜90；设置在往返光路的第一端部处的用于反射、振荡激光的第三端镜93；设置在往返光路的中间的用于反射放大激光的第十五反射镜92和第十六反射镜94；设置在反射镜斜下方的用于反射激光的第三曲面镜91和第四曲面镜95。

第二半导体激光器84输出的蓝绿波段的连续或脉冲激光经第五聚焦镜87聚焦到第二掺钛蓝宝石晶体89上，产生粒子数反转。时域展宽器3输出的展宽脉冲通过选脉冲模块96进入到放大腔中，依次经过第十六反射镜94、第四曲面镜95、第三双色镜88，通过第二掺钛蓝宝石晶体89放大后，又依次入射到右侧的第十四反射镜90、第三曲面镜91、第十五反射镜92、第三端镜93，第三端镜再将光反射到第十五反射镜92上，经由原光路返回至第十四反射镜90，并经由第十四反射镜90反射后进入第二掺钛蓝宝石晶体89放大，放大后飞秒脉冲激光进入第三双色镜88反射后，进入第四曲面镜95，经由第四曲面镜95反射进入第十六反射镜94，并进入选脉冲模块96，选脉冲模块96根据控制信号确定是否将由第二端输入的激光沿原路返回至放大腔，控制筛选后脉冲激光在放大腔内通过第二掺钛蓝宝石晶体89的次数。如此反复使输入的展宽脉冲在腔内往返通过第二掺钛蓝宝石晶体89得到放大并输出。上述的放大腔结构只是再生放大器中的一种，为本专利做解释说明。但本专利所提再生放大器中的放大腔结构不限于此，实际结构不限于图示平面镜和凹面镜的摆放位置和数量，只要待放大的脉冲可在腔内做往返振荡即可。本发明提供的实施例中，放大腔可以采用前向泵浦、后向泵浦以及双向泵浦。

本发明提供的克尔透镜锁模钛宝石激光器实施例中，放大腔83也可以接收蓝绿波段的复合激光，复合激光可以为连续或脉冲激光，蓝绿波段的复合激光用于泵浦第二掺钛蓝宝石89，蓝绿波段的复合激光通过将多个第二半导体激光器84输出的蓝绿波段的连续或脉冲激光经由合束单元合束后获得，多个第二半导体激光器的输出的位于蓝绿波段的激光的波长可以相同，也可以不同，第二半导体激光器可以输出连续激光也可以输出脉冲激光，第二合束单元可以为偏振合束器、二向色镜、透镜或者声光调制器，采用复合激光泵浦能够提高泵浦效率，降低对单个半导体激光器的功率要求。

本发明提供的实施例中，选脉冲模块可以为基于电光调制器的选脉冲模块和基于声光调制器的选脉冲模块，图12为选脉冲模块的结构示意图，其中，图12(a)为基于电光调制器的选脉冲模块96a的结构示意图，基于电光调制器的选脉冲模块包括电光调制模块101和光电隔离模块99，电光调制模块101可用于选取脉冲序列中的特定脉冲进行放大，并控制脉冲在放大腔内的往返次数以及放大器的重复频率。光隔离器99，用于防止腔内的光返回到时域展宽器3中。法拉第旋转器104与两个偏振分束器103、106构成一个光隔离器，使腔内的光不能回到时域展宽器3中，1/2波片105将入射光的偏振方向旋转90度。在普克尔盒108上施加电压，通过调节电压大小可使其作用相当于一个1/4波片，经过端镜102反射光两次通过普克尔盒108和1/4波片107，偏振方向没有改变，可以通过偏振分束器106，再由1/2波片100将偏振方向旋转90度进入到放大腔内往返振荡进行放大。在某一时刻撤去普克尔盒108上的电压，光通过普克尔盒108偏振态不会改变，经端镜102反射先后两次经过1/4波片107，偏振方向旋转90度，这部分光因为不能通过偏振分束器106而被反射出腔外。撤掉电压的时刻决定了光通过增益介质的次数，即光增益的大小，通过控制电压开关开启的频率，可以选择输出脉冲的重复频率。

图12(b)为基于声光调制器的选脉冲模块。驱动电源109产生振荡信号加载到电-声换能器110上，将电信号转换成超声波振动，使声光晶体111折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”。关闭驱动电源109，超声波消失，光在放大腔(83)内反复振荡放大。某一时刻打开驱动电源开关109，光通过声光晶体111发生衍射，使光偏离出腔外。开启开关的时刻决定了光通过增益介质的次数，即光增益的大小，通过控制电开关开启的时间和频率可对放大的脉冲和重复频率进行选择。

本发明提供的压缩器可以为基于反射式光栅组的压缩器5a或基于透射式光栅组的压缩器5b，图13为压缩器的结构示意图，图13(a)为本发明提供的基于反射式光栅组的压缩器5a的结构示意图，放大后的输出光入射到反射式光栅113上，将不同频率成分的光在空间域上分开，光栅114使光平行传播，引入色散，经平面镜115反射再次经过光栅对113、114，通过反射镜112输出。通过合理选择光栅常数，控制光栅间的距离提供与展宽装置相反符号的色散，达到压缩脉宽的目的。

图13(b)为本发明提供的基于透射式光栅组的压缩器5b，放大后的输出光入射到透射式光栅116上，将不同频率成分的光分开，通过光栅117使光平行传播，引入色散，经平面镜115反射再次经过光栅对116、117，对光进行空间合束，通过反射镜112输出。通过合理选择光栅常数，控制光栅间的距离提供与展宽装置相反符号的色散，达到压缩脉宽的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。