专利名称：克尔透镜锁模钛宝石激光器泵浦聚焦系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种克尔透镜锁模钛宝石激光器泵浦聚焦系统。
背景技术：
超短脉冲激光技术的发展为人们探索自然、发现新的现象和规律提供了高时间分辨和高场强的有力工具。克尔透镜锁模(简称KLM)钛宝石激光器是目前近红外区性能最好、用途最广的一种可调谐激光器，以其波长调谐范围宽(650～1100nm)、结构简单、性能稳定、能产生短的飞秒脉冲而备受人们关注。KLM钛宝石激光器一般采用“X”型四镜折叠腔结构，其光学图如图1所示。钛宝石激光晶体置于两个球面反射镜M1、M2组成的亚腔之中间，采用倍频的Nd:YLF固体激光器或氩离子激光泵浦，泵浦光由透镜F和球面反射镜M2会聚后入射到激光晶体中。M3和M4是平面端镜，其中M4为全反镜，M3为输出耦合镜；P1、P2为石英棱镜对，用来补偿腔内群速度色散。实现泵浦光与腔内激光的最佳耦合是提高激光器稳定性，降低泵浦阈值和实现自锁模的关键。传统的聚焦方案为泵浦光在凸透镜中心正入射，经球面反射镜M2进入激光器的亚腔，入射到激光晶体上。这种方法对泵浦光引入的离轴像差较小，能获得较小的聚焦光斑，但是它并没有将泵浦聚焦系统的像差和激光器折叠腔和布儒斯特角钛宝石棒引入之像差联系起来进行综合的考虑。泵浦光与腔模的耦合，除了要保证两者空间重合外，同时还要考虑泵浦光与腔模的光斑模式的匹配。像差使聚焦光斑的形状发生畸变，横截面上的能量分布不均匀，这将会降低泵浦光与激光腔模的模式匹配，泵浦阈值升高，严重时会导致激光器无法正常运转。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的KLM钛宝石激光器泵浦聚焦系统，该系统能较好地实现泵浦光与“X”型四镜折叠腔结构的模式匹配和像差补偿，提高了激光器的性能。
为了达到上述目的，本发明克尔透镜锁模钛宝石激光器泵浦聚焦系统所用的克尔透镜锁模钛宝石激光器采用“X”型四镜折叠腔结构，其特征是1)泵浦光束主光线偏离聚焦透镜F轴线入射，在透镜入射面上入射光束主光线偏离透镜轴线的垂直距离y＝1±0.5mm；入射角β＝4±0.5°；2)聚焦透镜F相对于激光器折叠镜M2有一错位，折叠镜M2前表面中心到聚焦透镜F轴线的垂直距离d2＝-1.7±0.1mm，M2轴线相对于F轴线的倾角＝1.1±0.5°。
比较理想的状态是1)泵浦光束主光线偏离聚焦透镜F轴线入射，在透镜入射面上入射光束主光线偏离透镜轴线的垂直距离y＝lmm；入射角β＝-4°；2)聚焦透镜F相对于激光器折叠镜M2有错位，折叠镜M2前表面中心到聚焦透镜F轴线的垂直距离d2＝-1.7mm，M2轴线相对于F轴线的倾角＝1.1°。
本发明的光路图如图2所示。下面说明这一发明的具体内容KLM钛宝石激光器泵浦聚焦系统要求泵浦光与腔内激光在钛宝石棒中有好的耦合，这首先要求他们在钛宝石棒中的折射角相同。腔模激光束以布氏角入射钛宝石棒，钛宝石对腔内激光(中心波长800nm)和泵浦光(514.5nm)的折射率分别为n1＝1.76，np＝1.77，腔模激光对钛宝石的布氏角θ1＝60.4°，折射角θ2＝39.6°，则泵浦光的入射角θ3＝61.0°。根据其几何关系，只有泵浦光主光线在通过折叠镜M2折射后与凹面交点处的法线的夹角θr＝8.7°时，才能保证泵浦光与腔模在钛宝石内空间重合。
模式匹配还要求泵浦光与腔模激光具有相近的像差。因为钛宝石棒对于腔内激光和泵浦光所产生的像差差别不大。为讨论问题方便，我们忽略两者在钛宝石棒中的像差的差别，只考虑光学元件的像差匹配。同时，激光器折叠腔的设计己使腔模激光因折叠镜反射所产生的像差在布角入射的钛宝石棒中得到补偿，因此，对泵浦激光而言，只要使其因聚焦透镜F和折叠镜M2组成的泵浦聚焦系统引入的像差与腔模激光因折叠镜反射所产生的像差相同，则可以同样在布角入射的钛宝石棒中得到补偿而达到模式的匹配。这是本发明的设计依据。己知折叠镜M2产生的像散值可以用下式表示Asti=R2cosθ-Rcosθ2,---(2)]]>其中R为折叠镜M2的曲率半径，R＝102mm，θ为折叠角，θ＝8.4°。由(2)式得折叠镜M2产生的像散值Asti＝1.1mm。单个折叠镜M2产生的慧差值可以用下式表示Coma＝6R(sinθ)δ2，(3)
其中δ是腔模激光束主光线和上光线与镜面交点处镜面法线夹角的二分之一。代入数据R＝102mm，θ＝8.4°，δ＝0.0026(弧度)，得M2产生的慧差Coma＝0.604μm。与像散相比，慧差要小的多，我们着重考虑像散的匹配。
我们设定泵浦光主光线在通过折叠镜M2折射后与凹面交点处的法线夹角θr＝8.7°，通过改变聚焦透镜F与折叠镜M2的距离d1、M2相对于F的位错d2、M2相对于F轴线的倾角以及泵浦光在凸透镜F入射位置y和入射角β，进行计算机光线追迹运算，使泵浦聚焦系统与折叠腔的像差相匹配，即令Astil=Astip...---(4)]]>其中Astil为腔模激光的像散值，Astip为泵浦光的像散值。最后确定聚焦系统的各项参数列于表1和表2。
表1凸透镜F和折叠镜M2的各项参数通光孔径 有效焦距中心厚度 表面曲率半径1 表面曲率半径2 材料F20mm 76mm3mm 80.4mm -80.4mmBK7M220mm 51mm(反射) 8mm ∞ 102mm QUARTZ表2泵浦聚焦系统各项结构参数y β d1d21±0.5mm -4±0.5°31.1±0.1mm-1.7±0.1mm 1.1±0.5°图3示出在M2后51mm处腔模的聚焦光斑、本发明泵浦光的聚焦光斑和传统聚焦系统的聚焦光斑的计算机光线追迹光斑图样，说明本发明聚焦系统具有与腔模相近的像散，能够实现泵浦光与腔模的模式匹配，具体见
。
本发明是在综合考虑了谐振腔与聚焦系统像差的基础上，设计了新型的泵浦聚焦系统，它能够实现泵浦光与腔模的最佳耦合，即空间重合和模式匹配。在KLM钛宝石激光器中按以上方案调节泵浦聚焦系统和谐振腔至最佳工作状态，可以实现输出功率350mW(氩离子激光全线5W泵浦)，中心波长800nm附近可调的TEM00模输出。并获得了脉冲半高全宽为8.5飞秒的最短激光脉冲，为国内同类激光器产生之飞秒脉冲的最好纪录。
图1KLM钛宝石激光器谐振腔结构图。
图2KLM钛宝石激光器泵浦聚焦系统示意图。
图3泵浦光与腔模激光聚焦光斑图样比较。
图1中，钛宝石激光晶体置于两个球面反射镜M1、M2组成的亚腔之中间，采用倍频的Nd:YLF固体激光器或氩离子激光全线泵浦，泵浦光由聚焦透镜F和球面反射镜M2会聚后入射到激光晶体中。M3和M4是平面端镜，其中M4为全反镜，M3为输出耦合镜；P1、P2为石英棱镜对用来补偿腔内色散。
图2中，钛宝石激光晶体Ti置于两个球面反射镜M1、M2组成的亚腔之中间，采用倍频的Nd:YLF固体激光器或氩离子激光全线泵浦，泵浦光由聚焦透镜F和球面反射镜M2会聚后入射到激光晶体中，y和β分别为泵浦光束主光线偏离聚焦透镜F轴线的垂直距离和入射角，d1为聚焦透镜F后表面与折叠镜M2前表面的距离，d2为球面反射镜M2前表面中心到聚焦透镜F轴线的垂直距离，为球面反射镜M2轴线相对于F轴线的倾角，符号规定是M2的中心在F轴线以上d2为正，反之为负；M2的轴线顺时针旋转与F的轴线重合(＜90°)时为正值，反之为负；泵浦光入射方向顺时针旋转与F的轴线重合(＜90°)时β为正，反之为负，在轴线以上入射y为正，反之为负)。M3和M4是平面端镜，其中M4为全反镜， M3为输出耦合镜；P1、P2为石英棱镜对用来补偿腔内色散。
图3中，A为腔模的聚焦光斑图样，B为泵浦光在焦点前后250μm和500μm处的计算机光线追迹光斑图样，我们发现两者都能按照要求在M2后51mm处聚焦，并且具有相近的像散和慧差值，能够实现泵浦光与腔模的模式匹配。如果我们按传统方式设定聚焦系统，F和M2共线放置，泵浦光正入射，虽然也能实现泵浦光与腔模的空间重合，却难以实现好的模式匹配(如图3C所示)。
权利要求
1.一种克尔透镜锁模钛宝石激光器泵浦聚焦系统，克尔透镜锁模钛宝石激光器采用“X”型四镜折叠腔结构，其特征是1)泵浦光束主光线偏离聚焦透镜F轴线入射，在透镜入射面上入射光束主光线偏离透镜轴线的垂直距离y＝1±0.5mm；入射角β＝4±0.5°；2)聚焦透镜F相对于激光器折叠镜M2有错位，折叠镜M2前表面中心到聚焦透镜F轴线的垂直距离d2＝-1.7±0.1mm，M2轴线相对于F轴线的倾角＝1.1±0.5°。
2.一种克尔透镜锁模钛宝石激光器泵浦聚焦系统，其特征是1)泵浦光束主光线偏离聚焦透镜F轴线入射，在透镜入射面上入射光束主光线偏离透镜轴线的垂直距离y＝1mm；入射角β＝4°；2)聚焦透镜F相对于激光器折叠镜M2有错位，折叠镜M2前表面中心到聚焦透镜F轴线的垂直距离d2＝-1.7mm，M2轴线相对于F轴线的倾角＝1.1°。
全文摘要
本发明涉及一种克尔透镜锁模(KLM)钛宝石激光器泵浦聚焦系统。它所用的克尔透镜锁模钛宝石激光器采用“X”型四镜折叠腔结构，其特征是泵浦光束主光线偏离聚焦透镜F轴线入射，在透镜入射面上入射光束主光线偏离透镜轴线；聚焦透镜F相对于激光器折叠镜M
文档编号H01S3/00GK1555113SQ200310117530
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月26日 优先权日2003年12月26日
发明者林位株, 刘鲁宁, 赖天树, 邓莉, 文锦辉 申请人:中山大学