低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于皮秒脉冲输出被动调Q微片激光器领域，具体涉及一种外腔式半导体 脉冲激光器栗浦的低时间抖动皮秒脉冲输出的被动调Q微片激光器系统。
【背景技术】
[0002] 通过被动调Q微片激光器可获得皮秒脉冲，相比于采用锁模技术获得皮秒脉冲的 办法，被动调Q微片激光器具有体积小、价格低、机械稳定性高的优点。激光腔的腔长越短， 被动调Q脉冲的脉宽越短。为了获得约100皮秒的被动调Q脉冲输出，一般来说整个微片激光 器的等效腔长小于两百微米，并使用半导体可饱和吸收体(SESAM)作为被动调Q器件以进一 步减少由于可饱和吸收体其厚度带来的对激光腔腔长的影响。
[0003] 增益介质对栗浦光的吸收qa = l-exp(-al)，其中α为该增益介质的吸收系数，1为 增益介质的长度。对于长度一定的增益介质，为了提高其对栗浦光的吸收效率只有增大增 益介质的吸收系数。吸收系数a = 〇a,rffAN，其中△ N为反转粒子数密度，它与栗浦光功率密 度以及激光增益介质参数有关，
％增益介质的有效吸收截面，其与栗浦光 波长以及激光增益介质的参数有关，若栗浦光波长越靠近激光增益介质峰值吸收波长，那 么栗浦光的谱宽越窄，有效吸收截面积越大。对于被动调Q皮秒脉冲输出的微片激光器，其 激光增益介质对栗浦光的吸收大小会对其激光性能产生三个方面的影响：（1)增益介质对 栗浦光的吸收越小，激光的阈值越高，且转换效率越低，所需的栗浦光功率越高；（2)没有被 增益介质吸收的栗浦光将通过增益介质后入射到可饱和吸收体上，可饱和吸收体将吸收这 部分栗浦光并将其转化为热，产生的热应力将引起可饱和吸收体的热致损伤，导致微片激 光器不能工作；（3)增益介质对栗浦光的吸收越大，获得的激光增益越高，则时间抖动特性 越小。时间抖动特性会影响被动调Q皮秒脉冲输出的稳定性，并进一步影响其在工业加工或 者科研上的使用，因而时间抖动特性越小越好。
[0004] 对于普通半导体激光器，当输出功率增高时激光器的温度升高，激光波长红移;此 时用普通半导体激光器栗浦的微片激光器中的增益介质对栗浦光的吸收能力减弱，激光的 阈值增高，且转换效率越低，半导体可饱和吸收体吸收的栗浦光增多，产生的热量增大，温 度差增高，热应力增大，造半导体可饱和吸收体成损伤，同样导致微片激光器不能工作。此 外，普通半导体激光器的谱宽一般都有2-3nm，且波长随温度及输出功率变化较大，这会使 被动调Q微片激光器输出的脉冲串的时间抖动较大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的正是在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种外腔式半导体脉冲 激光器栗浦的低时间抖动皮秒脉冲输出的被动调Q微片激光器系统，以提高激光增益介质 对栗浦光的吸收，从而提高微片激光器的转换效率，降低微片激光器的工作阈值，以及增高 其损伤阈值，并降低皮秒脉冲激光输出的时间抖动性。
[0006] 本发明所述低时间抖动皮秒脉冲输出的被动调Q微片激光器系统，包括由第一透 镜和第二透镜组成的栗浦耦合装置、分光镜、微片激光器;所述微片激光器由耦合输出镜、 增益介质、半导体可饱和吸收体和热沉组成，耦合输出镜、增益介质、半导体可饱和吸收体 依次胶合在一起，所述半导体可饱和吸收体焊接在热沉上;按照本发明还包括外腔式半导 体脉冲激光器；
[0007] 所述栗浦耦合装置位于外腔式半导体脉冲激光器的输出光路上，外腔式半导体脉 冲激光器输出的栗浦光经栗浦耦合装置中的第一透镜准直后入射到第二透镜上，经第二透 镜汇聚形成汇聚光束;所述微片激光器的增益介质位于该汇聚光束的束腰处，增益介质接 收栗浦光并产生皮秒脉冲激光经耦合输出镜输出，所述分光镜位于经耦合输出镜输出的皮 秒脉冲激光的光路上。
[0008] 上述低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统，所述外腔式半导体脉冲激光器 的输出波长为微片激光器的增益介质的峰值吸收波长，其输出谱宽小于lnm。
[0009] 上述低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统，所述外腔式半导体脉冲激光器 由半导体激光器、用于保持半导体激光器工作温度稳定的制冷模块、用于控制制冷模块的 制冷温度的温控装置、为半导体脉冲激光器和温控装置提供电源的驱动电源、用于准直栗 浦光的准直装置、利特罗闪耀光栅和聚焦透镜装置构成;所述制冷模块安装在半导体激光 器上并与温控装置连接，所述半导体激光器、温控装置分别与驱动电源连接;所述半导体激 光器输出栗浦光经准直装置准直后入射到利特罗闪耀光栅上，栗浦激光经利特罗闪耀光栅 分光后部分入射到位于其光路上的聚焦透镜装置中，经聚焦透镜装置准直、汇聚后出射。
[0010] 上述低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统，所述聚焦透镜装置由柱面镜和 一个球透镜组成，所述栗浦激光经利特罗闪耀光栅分光后部分入射到位于其光路上的聚焦 透镜装置中的柱面镜上，被准直后经球透镜汇聚耦合至单模光纤中出射。
[0011]上述低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统，所述分光镜位于经耦合输出镜 输出的脉冲激光的光路上，并与该光路呈45°角放置，用于将脉冲激光反射输出。
[0012]上述低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统，其特征在于所述微片激光器的 激光增益介质的厚度小于200μπι，为输出皮秒级的脉冲激光。
[0013]所述外腔式半导体激光器是指具有外腔反馈技术的半导体激光器。相比于普通半 导体激光器，外腔式半导体激光器具有谱线窄、波长稳定性高、效率高、寿命长等优点，被广 泛应用于光波器件测量、计量检测、高分辨率光谱分析、大气环境及水质检测等领域。本发 明采用外腔式半导体脉冲激光器来栗浦微片激光器，通过调节半导体激光器的输出波长在 激光增益介质的吸收峰处，并且使谱宽小于lnm，大大提高激光增益介质对栗浦光的吸收 量，增高微片激光器的光转换效率;同时减少半导体可饱和吸收体对栗浦光的吸收，降低可 饱和吸收体上的热沉积量，降低热致损伤的风险，增高微片激光器的损伤阈值;增益介质对 栗浦光的吸收增大，微片激光器获得的激光增益增高，可降低微片激光器输出的时间抖动 性。此外，在获得较低脉冲重复频率的激光时，一般需要减小栗浦激光的功率密度，此时如 果采用连续激光栗浦，小的栗浦功率密度将增大微片激光器输出的时间抖动性。为了在较 小重复频率工作情况下，依然能够保持微片激光器输出较低的时间抖动性，本发明采用了 脉冲栗浦方式的外腔式半导体脉冲激光器来栗浦微片激光器。其原理为：当栗浦激光脉冲 宽度和周期远小于激光增益介质的上能级寿命的时候，可以通过调整栗浦脉冲光的功率密 度来控制用于微片激光器产生一个脉冲输出的栗浦脉冲数。而在微片激光器脉冲输出前， 增益介质中的反转粒子数在几个栗浦脉冲间会基本保持一个相对不变的值，即反转粒子数 在多脉冲栗浦的过程中处于增加-保持-增加-保持的重复过程，因此最后一个栗浦脉冲到 来时，反转粒子数已经较大，最后一个栗浦脉冲将进一步使得反转粒子数增大超过阈值，获 得激光脉冲输出。在这样的栗浦方式下，微片激光器的脉冲输出将建立在一个较大的反转 粒子数的基础上，因此激光脉冲建立时间快且稳定，激光输出时间抖动小，而激光稳定性 尚。
[0014] 本发明所述低时间抖动皮秒脉冲输出的微片激光器系统与现有技术相比，具有以 下有益技术效果：
[0015] 1、本发明所述微片激光器系统，采用外腔式半导体脉冲激光器作为栗浦源，有效 地增加激光增益介质对栗浦光的吸收量，从而提高微片激光器的转换效率。
[0016] 2、本发明所述微片激光器系统，采用外腔式半导体脉冲激光器作为栗浦源，有效 地增加激光增益介质对栗浦光的吸收量，减少半导体可饱和吸收体对栗浦光的吸收，降低 可饱和吸收体上的热沉积量，降低热致损伤的风险，增高微片激光器的损伤阈值。
[0017] 3、本发明所述微片激光器系统，采用外腔式半导体脉冲激光器作为栗浦源，可以 通过调整栗浦脉冲光的功率密度来控制用于微片激光器产生一个脉冲输出的栗浦脉冲数， 并使得微片激光器的输出建立在一个相对较大的反转粒子数的基础上，从而可降低微片激 光器输出的时间抖动性。
[0018] 4、本发明所述微片激光器系统，采用外腔式半导体脉冲激光器作为栗浦源，可以 在较小重复频率工作的情况下，依然保持微片激光器输出较低的时间抖动特性。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明所述微片激光器系统的整体结构示意图。
[0020] 图2是采用普通半导体激光器对微片激光器持续栗浦半小时后微片激光器的半导 体饱和吸收体的损伤图。
[0021] 图3是采用本发明所述微片激光器系统的输出功率和时间抖动随输出激光脉冲频 率变化的曲线。
[0022] 图4是采用本发明所述微片激光器系统获得的皮秒脉冲激光光斑图。
[0023] 图5是采用本发明所述微片激光器系统控制两个栗浦脉冲获得一个输出激光脉冲 的示波器记录图。
[0024] 图中，1一外腔式半导体脉冲激光器，1-1 一半导体激光器，1-2-制冷模块，1-3- 温度控制装置，1-4 一驱动电源，1-5-准直装置，1-6-利特罗闪耀光栅，1-7-聚焦透镜装 置，1-7-1-球透镜，1-7-2-柱面镜，2-单模光纤，3-栗浦耦合装置，3-1-第一透镜，3-2-第二透镜，4 一微片激光器，4-1 一微片激光器的耦合输出镜，4-2-微片激光器的增益介 质，4-3-微片激光器的半导体可饱和吸收体，4-4 一微片激光器的热沉，5-分光镜。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图并通过【具体实施方式】对本发明所述低时间抖动皮秒脉冲输出的微 片激光器系统作进一步详细说明，但并不意味着是对本发明保护内