一种激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器的制作方法

本发明涉及超快激光技术领域，特别涉及一种激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器。

背景技术：

自从激光诞生以来，人们一直追求并希望获得更短的脉冲宽度。快速时间分辨成为可能得益于超短的脉冲宽度，类似于高速摄像机捕捉高速的动作一样，超短脉冲激光可以将像分子或电子这样的超快运动“定格”在某一瞬间，因此可以探测化学反应动力学和高速运动电子，以及其他飞秒动力学过程的电光采样。利用超短脉冲激光可以间接的探测分子分解动力学和更多复杂的化学反应动力学过程。利用超强激光可提供一个全新的极端物理条件，在自然界中只有在恒星内部或黑洞边缘才能找到。通过在极端物理条件下物质结构运动和相互作用的研究，有助于人类更加深入和系统化地了解客观世界规律。自1990年掺钛蓝宝石晶体取代染料被应用于超短激光脉冲的产生以来，采用克尔透镜锁模(klm)技术的飞秒钛宝石激光振荡器以其结构简单、性能可靠、输出功率高等诸多优点，吸引了人们广泛的兴趣。克尔透镜锁模技术在腔内不需要添加任何调制元件，仅凭借掺钛蓝宝石增益介质本身的克尔效应作为可饱和吸收体，在适当的腔型结构下即可实现稳定的自锁模运转。利用克尔透镜锁模，掺钛蓝宝石飞秒振荡器目前已经实现了周期量级脉冲宽度的飞秒脉冲输出，在近20年的时间里，其不断刷新超短脉冲的世界记录，并开拓了更广阔的前沿应用领域，成为持续挑战高精度极限、引领基础科学发展的亮点学科之一。虽然克尔透镜锁模掺钛蓝宝石飞秒振荡器取得了辉煌的成就，但是它也存在着一些固有的缺点，由于普遍采用全固态倍频激光器作为泵浦源，导致钛宝石激光器体积大，价格昂贵，操作复杂，因此在某种意义上就限制了掺钛蓝宝石飞秒激光器的应用，使得掺钛蓝宝石飞秒激光器只局限应用在一些大型的实验室中，不能获得广泛的应用。基于这种状况，激光二极管(ld)泵浦的全固态飞秒激光器应运而生，采用ld泵浦具有成本低廉，结构简单、紧凑等优点，有利于飞秒激光器的广泛应用，在国防、工业、医疗以及科研等领域有着十分重要的应用。钛宝石的吸收谱刚好覆盖蓝绿光波段，因此蓝、绿光激光二极管泵浦的飞秒钛宝石激光器又迎来了一个新的发展机遇，蓝、绿光激光二极管有望代替全固态倍频激光器成为钛宝石激光器的理想泵浦源。到目前为止，人们已经利用单个激光二极管产生了13fs，145mw的锁模输出，但是综合输出指标如脉冲宽度和平均功率等均未达到全固态倍频激光器泵浦的钛宝石激光器的输出指标，因此ld泵浦钛宝石还有很大的发展空间，尤其是ld泵浦钛宝石的亚10fs输出仍未见到报道。综上所述，现存的技术问题是：激光二极管泵浦光的波长与钛宝石吸收峰的峰值(488nm)较远，其吸收效率比较低，而且使用短波长ld泵浦的时候存在明显的泵浦损耗，使得系统效率偏低；其次激光二极管的光束质量比较差，必须进行必要的光束整形；要获得亚10fs的激光脉冲输出，还需要精细的色散管理。

因此，如何提供一种成本低、稳定性好、光束质量好的激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器，涉及ld光束整形和色散补偿的方案，旨在使用一个ld泵浦钛宝石实现克尔透镜锁模输出，并且对输出的激光在共振腔外进行精细的色三调节。

本发明提供的一种激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器，包括按照激光传播方向依次设置的激光二极管、非球面透镜、平凹柱透镜、平凸柱透镜、第一凹面镜、钛宝石晶体、第二凹面镜、第一熔石英三棱镜、第一激光高反镜、第二熔石英三棱镜、第二激光高反镜；所述第二激光高反镜将激光原路反射至所述第一凹面镜，所述第一凹面镜将激光反射至耦合输出镜，按照所述耦合输出镜输出激光的传播方向依次设置有第一啁啾镜、第二啁啾镜、第一尖劈、第二尖劈；所述第一凹面镜、钛宝石晶体、第二凹面镜、第一熔石英三棱镜、第一激光高反镜、第二熔石英三棱镜、第二激光高反镜、耦合输出镜均位于激光腔内；其中，

所述激光二极管作为泵浦源，用于钛宝石晶体实现克尔透镜自锁模运转；

所述非球面透镜、平凹柱透镜、平凸柱透镜，用于激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；

所述平凸聚焦镜将准直和扩束后的光束聚焦至钛宝石晶体之上；

所述第一凹面镜、第二凹面镜，用于保证钛宝石晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配；

所述钛宝石晶体，以布儒斯特角切割用于吸收泵浦源激光能量，给激光腔内的受激辐射提供增益；

所述第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜，用于激光腔内的色散调节和波长调谐，进而实现超短脉冲输出；

所述第一激光高反镜、第二激光高反镜，在720-1000nm的波段范围提供的二阶色散为：-70fs2±20fs2；

所述耦合输出镜，为一个平面镜，用于激光输出；

所述第一啁啾镜、第二啁啾镜，用于对输出激光在激光腔外进行脉冲压缩。

所述第一尖劈、第二尖劈，用于对脉冲压缩后的输出激光在激光腔外的色散补偿。

优选的，所述激光二极管输出激光波长为蓝绿光波段，激光二极管为多模输出且功率稳定性小于1％rms。

优选的，所述第一凹面镜和第二凹面镜曲率半径为r＝50mm，背向钛宝石晶体的一面镀有440-540nm的增透膜，朝向钛宝石晶体的一面镀有650-1100nm的高反膜，且尺寸均为半英寸。

优选的，所述的钛宝石晶体通光长度为4mm，掺杂浓度为0.25wt％，采用铟箔包裹固定在一个紫铜的夹持上，夹持和一个紫铜的热沉紧贴，热沉通有循环水冷却，温度控制在17℃。

优选的，所述第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜，材质均为熔石英，且为布儒斯特角切割，每个边长为30mm，所述第一熔石英三棱镜、第二熔石英三棱镜的尖端间距为400mm。

优选的，所述第一激光高反镜和第二激光高反镜，均为一英寸的平面镜，反射带宽为650-1100nm，且反射率大于99.8％。

优选的，所述耦合输出镜为一个1mm厚、半英寸的平面镜，朝向钛宝石晶体的一面镀有在650-950nm激光处输出耦合率为1％的介质膜，所述耦合输出镜的另一面镀有对振荡激光的增透介质膜。

优选的，所述第一啁啾镜和第二啁啾镜，均对640-1100nm波段的激光反射率为r>99.7％，在640-1000nm的波段范围提供的二阶色散为：-40fs2±15fs2。

优选的，所述第一尖劈和第二尖劈的尖端倾角均为2°48′，厚度为1.5mm-50μm，用于腔外精细的色散调节。

本发明旨在实现ld泵浦的克尔透镜自锁模钛宝石激光器，获得脉冲宽度小于10fs、平均功率大于50mw的超短激光脉冲输出；相比以往的ld泵浦钛宝石激光器实现了亚10fs的超短脉冲输出。产生如此短的脉冲宽度往往需要利用克尔透镜锁模技术来实现，而克尔透镜锁模要求高亮度单横模的泵浦源来引入软边光阑。因此我们设计了使用非球面透镜、平凹柱面透镜、平凸柱面透镜对ld的出射光束进行了重新整形，使得泵浦光的尺寸和腔内的模式更好的匹配。使用了啁啾镜和棱镜对组合的色散补偿方案，啁啾镜提供固定的负群延迟色散来补偿激光晶体引入的正的群延迟色散，三棱镜对用于调节腔内净的二阶色散和三阶色散。

本发明相较现有技术具有以下有益效果：

本发明采用激光二极管(ld)泵浦的振荡器，不仅结构简单紧凑，而且成本低、具有很好的实用性，适合批量生产，能够实现平均功率大于50mw、输出半高全宽为146nm的m型光谱，8.1fs的超短激光脉冲，该飞秒激光光源在超快光谱学、双光子成像、超快光通信等领域具有重要的潜在应用。本发明稳定性高、光束质量好、易于维护等优点，可广泛应用在军事、工业、医疗、科研等领域，具有广阔的应用前景和商业价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器结构示意图。

图2是本发明实施例提供的用光谱仪测得的稳定锁模光谱示意图。

图3是本发明实施例提供的用干涉自相关仪测得的自相关曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器主要由：1-激光二极管，2-非球面透镜，3-平凹柱透镜，4-平凸柱透镜，5-平凸聚焦镜，6-第一凹面镜，7-钛宝石晶体，8-第二凹面镜，9-第一熔石英三菱镜，10-第一激光高反镜，11-第二熔石英三菱镜，12-第一激光高反镜，13-耦合输出镜，14-第一啁啾镜，15-第二啁啾镜，16-第一尖劈，17-第一尖劈。

1-激光二极管，用于泵浦钛宝石飞秒振荡器，该激光二极管出射波长为蓝绿波段，多模输出且功率稳定性小于1％rms；

2-非球面透镜焦距为f＝4mm、3-平凹柱透镜焦距为f＝-30mm，4-平凸柱透镜焦距为f＝300mm，用于第一激光二极管快轴和慢轴的光束准直以及慢轴光束的扩束；非球面透镜距离激光二极管4.1mm，非球面透镜与平凹柱透镜的距离为26mm，平凹柱透镜和平凸柱透镜的距离为245mm。

5-平凸聚焦镜(焦距f＝60mm)是将准直后的光束聚焦耦合进钛宝石晶体内部。在空气中传输70mm至钛宝石晶体之上，且平凸聚焦镜距离上一个光学元件平凸柱透镜100mm。

6-第一凹面镜曲率半径为r＝50mm，440-540nm波段抗反射率<5％，650-1100nm具有高反射率>99.8％，且在720-1000nm波段可以提供-70fs²±20fs²的群延迟色散、8-第二凹面镜曲率半径为r＝50mm，用于保证激光晶体上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，440-540nm波段抗反射率<5％，在650-1100nm波段内可提供大于99.8％的高反射率，且在720-1000nm波段可以提供-70fs²±20fs²的群延迟色散；第一凹面镜与第二凹面镜间距为53mm，且折叠角均为12°。

7-钛宝石晶体，通光长度为4mm，掺杂浓度：0.25wt％，以布儒斯特角切割，用于吸收泵浦激光能量，给腔内的受激辐射提供增益，并将其固定在一个夹持之上，夹持紧贴在一个紫铜质地的热沉上，热沉通有循环水冷却，温度保持在17℃；钛宝石晶体的前端距离第一凹面镜25mm，钛宝石晶体的末端距离第二凹面镜24mm。

9-第一熔石英三棱镜、11-第二熔石英三棱镜，用于激光腔内的色散补偿，实现腔内净色散量的精细调节；且第一熔石英棱镜距离第二凹面镜300mm。

10-第一激光高反镜、12-第二激光高反镜，对650-1100nm波段的激光具有r>99.8％的高反射率，且在720-1000nm波段可以提供-70fs²±20fs²的群延迟色散；第一激光高反镜距离第一熔石英三棱镜80mm、距离第二熔石英三棱镜320mm，且第一高反镜的折叠角为8°。第二熔石英三棱镜距离第二激光高反镜100mm。

13-耦合输出镜，为一个1mm厚、半英寸大小的平面镜，用于激光输出，在650-950nm波段输出率为1％；耦合输出镜距离第一凹面镜400mm。

14-第一啁啾镜、15-第二啁啾镜，在640nm-1100nm波段可提供r>99.8％的高反射率，在650nm-1000nm波段的色散为-40fs²±15fs²，用于脉冲的腔外压缩；激光光束以10°的入射角入射至第一啁啾镜表面，第一、第二啁啾镜平行放置，且间距为35mm。

16-第一尖劈、第二尖劈，倾角为倾角为2°48′，厚度为1.5mm-50μm，实现激光腔外色散的精细调节。第一尖劈距离第二啁啾镜150mm，第一尖劈、第二尖劈均为布儒斯特角摆放，二者间隔2mm。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明的具体实施例：

在图1中，激光二极管1光束通过非球面透镜2使激光二极管1的输出激光快轴、慢轴得以准直；随后准直后的光束依次通过平凹柱透镜3、平凸柱透镜4使得光束的慢轴得以扩展、准直；准直后的光束水平出射通过平凸镜5；准直的泵浦光光束通过平凸镜的聚焦，使得泵浦光斑聚焦至钛宝石晶体7之上激发荧光；荧光依次到达第二凹面镜8，反射至第一熔石英三棱镜9，折射到达第一激光高反镜10，再被反射至第二熔石英三棱镜11，折射至第二激光高反镜12；随后原路返回至晶体并到达第一凹面镜6，荧光被反射至耦合输出镜13，荧光在该路径下，在激光腔内来回可自再现，即实现激光振荡。激光从耦合输出镜13透射后到达第一啁啾镜14，反射至第二啁啾镜15；在啁啾镜14-15间经过两次反射后依次通过第一尖劈16、第二尖劈17，从而实现了8.1fs的超短脉冲输出。

本发明通过优化ld泵浦光的准直、泵浦光与激光模式匹配、三棱镜对的间距，并在激光腔外引入一对啁啾镜和一对尖劈，得到了650nm-1000nm的激光光谱，如图2所示；并利用商用的干涉自相关仪测得激光脉冲宽度为8.1fs，如图3所示。

以上对本发明所提供的一种激光二极管直接泵浦的亚10飞秒钛宝石振荡器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。