本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器。
背景技术：
激光二级管泵浦全固化脉冲激光器不仅能够输出高脉冲能量、高峰值功率、高光束质量的激光脉冲，而且具有结构紧凑，效率高，稳定性好等优点，被广泛应用在军事、工业、医疗和科研等领域。因此，激光二级管泵浦全固化脉冲激光器成为了目前激光器研究的热点之一。
yb:cayalo4是一种掺yb3+离子的新型激光晶体，不仅具有掺yb3+离子材料的通常优点：能级结构简单、无激发态吸收、无浓度淬灭、无交叉弛豫、量子效率高、量子亏损低等。而且，yb:cayalo4还具有自身的一系列优点，例如：发射带宽平坦且宽，σ偏振方向的荧光光谱半高宽宽达77nm，支持产生傅立叶转换极限脉冲宽度为15fs激光脉冲的输出；热导率高，a轴和c轴方向的热导率分别为ka＝3.6wm-1k-1和kc＝3.2wm-1k-1；荧光寿命长长达426μs；等等[journaloftheopticalsocietyofamericab,2011,28(7):1650-1654]。这些优势都使得其在激光领域特别是脉冲激光领域得到了广泛的应用。例如，2011年，dongzhenli等人首次生长出了yb:cayalo4激光晶体并且实现了被动锁模，获取了156fs脉冲激光[opticsletters,2011,36(2):259-261]；同年，w.d.tan等人在yb:cayalo4中实现了孤子锁模，获取了7.4ps的脉冲激光，经腔外压缩将脉宽度压缩至340fs[opticsexpress,2011,19(19),18495-18500]；2015年，federicopirzio等人使用单模激光二极管泵浦在yb:cayalo4中也实现了被动锁模，并获取了43fs的脉冲激光[opticsexpress,2015,23(8):9790-9795]；2015年，我们课题组在yb:cayalo4晶体上实现了克尔透镜锁模，获取了33fs的脉冲激光[photonicsresearch,2015,3(6):335-338]；2016年，唐定远课题组从yb:cayalo4晶体获取了30fs的激光脉冲[opticsletters,2016,41(5):890-893]。
以上的实验结果都证明yb:cayalo4晶体是一种可以实现锁模并且产生脉冲激光材料，然后，目前在yb:cayalo4激光晶体尚无调q脉冲激光的输出。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种激光二极管泵浦半导体可饱和吸收镜调q的yb:cayalo4全固态脉冲激光器，旨在解决目前基于yb:cayalo4激光晶体尚无调q脉冲激光的输出。
一种被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，包括：激光二极管、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、平面双色镜、yb:cayalo4激光晶体、第一平凹镜、平面输出镜、第二平凹镜、半导体可饱和吸收镜；
所述激光二极管，用于输出泵浦激光，为谐振腔提供激励；
所述第一双胶合透镜，用于接收激光二极管发射的泵浦激光，并将透过的泵浦激光准直；
所述第二双胶合透镜，用于接收透过第一双胶合透镜的泵浦激光，将透过的泵浦激光聚焦到yb:cayalo4激光晶体中；
所述平面双色镜，用于接收透过第二双胶合透镜的泵浦激光、用于接收yb:cayalo4激光晶体产生的增益激光，并将增益激光原路返回，同第一平凹镜形成平凹腔结构；
所述yb:cayalo4激光晶体，用于接收透过平面双色镜的泵浦激光，形成激光增益；
所述第一平凹镜，用于接收yb:cayalo4激光晶体产生的增益激光，同平面双色镜构成平凹腔结构，并将增益激光反射到平面输出镜上；
平面输出镜，用于接收第一平凹镜反射的增益激光、增益激光起振后通过平面输出镜输出调q激光脉冲；用于将增益激光反射到第二平凹镜上；
第二平凹镜，用于接收平面输出镜反射的增益激光、聚焦增益激光，并将聚焦的增益激光反射到半导体可饱和吸收镜；
半导体可饱和吸收镜，用于接收第二平凹镜反射的增益激光、对激光脉冲提供不同的腔内损耗，并将增益激光原路返回。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，激光二极管为光纤耦合输出多模激光二极管，其额定输出功率为27w，激光工作波长为976±0.5nm，耦合输出光纤直径为105μm，数值孔径为0.22。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，第一双胶合透镜的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，焦距为80mm。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，第二双胶合透镜的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，焦距为80mm。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，yb:cayalo4激光晶体的yb3+离子的掺杂浓度为1.5at.％；通光截面尺寸为3mm×3mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为2mm；垂直放置并靠近平面双色镜位置，并被置于通冷却水的紫铜上，水的温度控制为17℃。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，平面双色镜的一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜以及1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜；与第一平凹镜构成平凹腔系统。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，第一平凹镜的凹面的曲率半径为200mm，镀有对940nm-1100nm波段激光的高反介质膜；平面未镀膜；凹面朝向激光腔内，并与泵浦镜构成平凹腔系统。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，平面输出镜朝向激光腔内的一面镀有对930nm-1140nm波段激光具有输出耦合率的介质膜，另一面镀有对930nm-1140nm波段激光的高透介质膜。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，第二平凹镜的凹面的曲率半径为300mm，镀有对900nm-1100nm波段激光的高反介质膜；平面未镀膜；凹面朝向激光腔内。
进一步地，如上所述的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，半导体可饱和吸收镜面向谐振腔的一面镀有对1030nm-1100nm波段激光的高反介质膜；中心波长为1064nm。
本发明提供的被动调qyb:cayalo4全固态脉冲激光器，设置激光二极管、第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、平面双色镜、yb:cayalo4激光晶体、第一平凹镜、平面输出镜、第二平凹镜、半导体可饱和吸收镜；激光二极管通过耦合光纤(光纤芯径为105μm，数值孔径为0.22)输出泵浦激光，泵浦激光的中心波长为976±0.5nm，从激光二极管耦合光纤输出的泵浦激光经过第一双胶合透镜、第二双胶合透镜、平面双色镜先准直后聚焦到yb:cayalo4激光晶体上，增益激光起振后入射到平面双色镜，并由平面双色镜将其原路返回，到达第一平凹镜并被反射到平面输出镜上，一部分增益激光透过平面输出镜，一部分增益激光再由平面输出镜反射到第二平凹镜上，再由第二平凹镜反射到半导体可饱和吸收镜，增益激光由半导体可饱和吸收镜将其原路返回，即增益激光由半导体可饱和吸收镜反射到第二平凹镜，再反射到平面输出镜，一部分增益激光透过平面输出镜，一部分增益激光再由平面输出镜再反射到第一平凹镜，再反射到平面双色镜，构成闭合光路形成激光振荡，经过对谐振腔内的合理设计以及调试，在合理的泵浦激光功率以及半导体可饱和吸收镜作用下，形成稳定的调q脉冲激光，并通过输出镜输出两束调q激光脉冲，从而可以用于作为双端泵浦源，泵浦光学参量振荡器、或者用于一束用来检测样品，一束又来检测激光器，或者用于与返回的激光做对比等。
本发明输出的调q激光脉冲具有阈值低、重复频率可调范围宽、单脉冲能量高、稳定性好以及光束质量优异等优点，可广泛应用于非线性光学，光谱学，生物医学诊断，材料加工等领域，具有很好的应用前景和商业价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的激光二极管泵浦半导体可饱和吸收镜调q的yb:cayalo4全固态脉冲激光器的光路示意图；
图2为本发明实施例在不同泵浦功率、不同时间尺度下采用示波器测得的脉冲序列信号示意图；
图3是本发明实施例提供的最短脉冲宽度时采用示波器测得的脉冲宽度信号和光谱仪测得的光谱信号示意图；
图4是本发明实施例提供的调q脉冲激光的重复频率和脉冲宽度随泵浦功率的变化关系；
图5是本发明实施例提供的调q脉冲激光的单脉冲能量和脉冲峰值功率随泵浦功率变化关系；
图中：1、激光二极管；2、第一双胶合透镜；3、第二双胶合透镜；4、泵浦镜；5、yb:cayalo4激光晶体；6、第一平凹镜；7、平面输出镜；8、第二平凹镜；9、半导体可饱和吸收镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
如图1所示，本发明实施例的激光二极管泵浦半导体可饱和吸收镜调q的yb:cayalo4全固态脉冲激光器主要由：激光二极管1、第一双胶合透镜2、第二双胶合透镜3、平面双色镜4、yb:cayalo4激光晶体5、第一平凹镜6、平面输出镜7、第二平凹镜8、半导体可饱和吸收镜9组成；
在本发明的实施例中，激光二极管1，为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出泵浦激光为激光器提供激励，温度控制为25℃，输出激光波长为976±0.5nm，光线芯径为105μm，数值孔径为0.22，最高输出功率为27w；光纤输出端放置在距离第一双胶合透镜80mm的位置；
第一双胶合透镜2，接收激光二极管发射的泵浦激光，用于将透过的泵浦激光准直，焦距为80mm，直径为2英寸；
第二双胶合透镜3，接收透过第一双胶合透镜的泵浦激光，用于将透过的泵浦激光聚焦到yb:cayalo4激光晶体中，焦距为80mm，直径为2英寸；
平面双色镜4，用于接收并透过第二双胶合透镜的泵浦激光；用于接收yb:cayalo4激光晶体产生的增益激光，并将增益激光原路返回，用于同第一平凹镜形成平凹腔结构；
yb:cayalo4激光晶体5，接收透过平面双色镜的泵浦激光，用于形成激光增益；
第一平凹镜6，接收yb:cayalo4激光晶体产生的增益激光，用于同平面双色镜构成平凹腔结构，并将增益激光反射到平面输出镜上；
平面输出镜7，接收第一平凹镜反射的增益激光，用于增益激光起振后通过平面输出镜输出调q激光脉冲，并将增益激光反射到第二平凹镜上；
第二平凹镜8，接收平面输出镜反射的增益激光，用于聚焦增益激光，并将聚焦的增益激光反射到半导体可饱和吸收镜；
半导体可饱和吸收镜9，接收第二平凹镜反射的增益激光，用于对激光脉冲提供不同的腔内损耗，并将增益激光原路返回。
优选地，所述激光二极管温度控制在25℃，输出激光的发射波长为976±0.5nm，耦合输出光纤芯径为105μm，数值孔径为0.22，最高输出功率为27w；
具体地，泵浦源输出激光功率为27w，提供足够高的泵浦功率，为后续提高输出调q激光的功率做准备；泵浦源发射激光的波长(976±0.5nm)与yb:cayalo4晶体的吸收波长相匹配(979nm附近)，从而提高输出激光的效率；由于光纤直径太小会限制输出激光的模式，因此本发明光纤直径105μm，用于输出多模激光；光纤数值孔径为0.22，限制输出激光的发散角，使得输出激光全部入射到第一双胶合透镜。
优选地，第一双胶合透镜的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，焦距为80mm，直径为2英寸；
第一双胶合透镜的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，与泵浦源发射激光的波长相匹配，从而可以提高泵浦源激光的有效利用率；焦距为80mm，与耦合输出光纤的数值孔径，使泵浦激光全部入射到第一双胶合透镜上，从而提高泵浦源激光的有效利用率。
优选地，第二双胶合透镜的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，焦距为80mm，直径为2英寸。
具体地，第二双胶合透镜的两面都镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，与泵浦源发射激光的波长相匹配，从而提高泵浦源激光的有效利用率；焦距为80mm，可以使得其与晶体中间有足够的空间放置平面双色镜。
优选地，yb:cayalo4激光晶体的yb3+离子的掺杂浓度为1.5at.％；通光截面尺寸为3mm×3mm，通光截面为光学量级抛光，通光长度为2mm；垂直放置并靠近平面双色镜位置；并被置于通冷却水的紫铜上，水的温度控制为17℃；
具体地，yb:cayalo4激光晶体的yb3+离子的掺杂浓度如果太小，泵浦功率吸收效率太小，如果浓度太大，激光晶体的热导率会下降，所以合适的参杂浓度1.5at.％有利于提高泵浦功率吸收效率并且使晶体保持高的热导率；通光截面尺寸为3mm×3mm，具有一定的截面尺寸有利于实验操作并且散除晶体内部的热量；通光截面为光学量级抛光，可以提高泵浦功率的吸收效率；通光长度太短，泵浦功率吸收效率太小，通光长度太长，由于重吸收效应，会降低输出功率，所以合适的通光长度2mm有利于提高泵浦功率吸收效率；垂直放置并靠近平面双色镜位置，并被置于通冷却水的紫铜上，水的温度控制为17℃，紫铜带热系数高，所以用通有冷却水的紫铜散热，另外冷却水既要保持散热又要不能再紫铜上有冷凝水，所以水温设定为水温17℃。
优选地，平面双色镜的一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜以及1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜。
具体地，平面双色镜的一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，与泵浦源发射激光的波长相匹配，从而可以提高泵浦源激光的有效利用率；一面镀有对976±10nm波段激光的高透介质膜，与泵浦源发射激光的波长相匹配，从而可以提高泵浦源激光的有效利用率；以及1000nm-1100nm波段激光的高反介质膜，与yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围匹配(yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围950nm-1100nm)，有利于输出1051nm的激光。
优选地，第一平凹镜的凹面镀有对940nm-1100nm波段激光的高反介质膜，平面未镀膜，凹面的曲率半径为200mm；
具体地，第一平凹镜的凹面的曲率半径为200mm，从而可以确保泵浦激光与增益激光在晶体中的尺寸匹配；镀有对940nm-1100nm波段激光的高反介质膜,与yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围匹配(yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围950nm-1100nm)，有利于输出1051nm激光。
优选地，输出镜为平面镜，其中朝向激光腔内的一面镀有对930nm-1140nm波段激光具有输出耦合率的介质膜(透过率为0.6％)，另一面镀有对930nm-1140nm波段激光的高透介质膜。
具体地，平面输出镜朝向激光腔内的一面镀有对930nm-1140nm波段激光具有输出耦合率的介质膜，另一面镀有对930nm-1140nm波段激光的高透介质膜，覆盖了yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围(yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围950nm-1100nm)，有利于输出1051nm激光。
优选地，第二平凹镜的凹面镀有对900nm-1100nm波段激光的高反介质膜，平面未镀膜，凹面的曲率半径为300mm；
具体地，第二平凹镜的凹面的曲率半径为300mm，将增益激光聚焦到半导体可饱和吸收镜上，确保半导体可饱和吸收镜上的增益激光功率密度足够启动可饱和吸收作用；镀有对900nm-1100nm波段激光的高反介质膜，覆盖了yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围(yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围950nm-1100nm)，有利于输出1051nm激光。
具体地，半导体可饱和吸收镜面向谐振腔的一面镀有对1030nm-1100nm波段激光的高反介质膜，中心波长为1064nm，非饱和损耗为0.3％，调制深度为0.4％，饱和能流密度为130μj/cm2，恢复时间1ps，损伤阈值为3mj/cm2，尺寸为4mm×4mm，厚度为450μm，焊接到一英寸的铜片上。
具体地，半导体可饱和吸收镜面向谐振腔的一面镀有对1030nm-1100nm波段激光的高反介质膜，与yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围匹配(yb:cayalo4激光晶体的荧光光谱范围950nm-1100nm)，有利于输出1051nm激光；中心波长为1064nm，对1064±20nm范围内的增益激光都有可饱和吸收作用，所以可以对1051nm的激光起可饱和吸收的作用，可以形成调q激光脉冲。
如图1所示，其中，从激光二极管1发射的976±0.5nm泵浦激光透过第一双胶合透镜2、第二双胶合透镜3、平面双色镜4先准直后聚焦到yb:cayalo4激光晶体5上，1048.6nm的增益激光起振后入射到平面双色镜4，并由平面双色镜4将其原路返回，到达第一平凹镜6并被反射到平面输出镜7上，一部分增益激光透过平面输出镜7，一部分增益激光再由平面输出镜7反射到第二平凹镜8上，再由第二平凹镜8反射到半导体可饱和吸收镜9，增益激光由半导体可饱和吸收镜9将其原路返回，即增益激光由半导体可饱和吸收镜9反射到第二平凹镜8，再反射到平面输出镜7，一部分增益激光透过平面输出镜7，一部分增益激光再由平面输出镜7再反射到第一平凹镜6，再反射到平面双色镜4，构成闭合光路形成激光振荡，通过平面输出镜7输出两束调q激光脉冲。
本发明实施例中，通过调节激光二极管输出泵浦激光的功率控制调q激光脉冲的重复频率。
本发明实施例中，通过调节第二凹面镜与半导体可饱和吸收镜之间的距离控制半导体可饱和吸收镜上激光的束腰半径为89.8μm，从而控制半导体可饱和吸收镜上激光的能流密度，从而确保半导体可饱和吸收镜起作用。
本发明激光二极管泵浦半导体可饱和吸收镜调q的yb:cayalo4全固态脉冲激光器采用较小透射率的输出镜有助降低输出调q激光的泵浦阈值功率，从而使得再较宽的泵浦功率范围内实现调q激光，这就有助于实现重频宽调谐的调q激光脉冲(调q激光脉冲的重复频宽会随着泵浦功率的提高而增加)；此外，采用较小透射率的输出镜有助提高腔内功率密度，在一定程度上有助提高调q激光脉冲的稳定性。因此，本发明激光器可以输出稳定性高、阈值低、重频宽调谐的调q激光脉冲。
如图2所示，其中，图2(a),(b),(c)分别是yb:cayalo4激光器在泵浦功率为4.04w时在时间范围分别为-500μs-500μs的脉冲序列图、在时间范围为-50μs-50μs的脉冲序列图、在时间范围为-5.0μs-5.0μs的单脉冲轮廓图；图2(d),(e),(f)分别是在泵浦功率为6.10w时在时间范围为-500μs-500μs的脉冲序列图、在时间范围为-50μs-50μs的脉冲序列图、在时间范围为-5.0μs-5.0μs的单脉冲轮廓图；图2(g),(h),(i)分别是在泵浦功率为7.76w时在时间范围为-500μs-500μs的脉冲序列、在时间范围为-50μs-50μs的脉冲序列图、在时间范围为-5.0μs-5.0μs的单脉冲轮廓图。由于不同泵浦功率对应的脉冲序列不同，从图2可以看出，不同时间尺度下的脉冲序列:-500-500μs尺度下的脉冲序列说明调q脉冲很稳定；-50-50μs尺度下的脉冲序列说明调q脉冲不存在多脉冲现象；-5-5μs尺度下的单个脉冲轮廓说明调q脉冲形状规则，从而进一步说明利用本发明激光器的调q脉冲稳定。
如图3所示，其中图(a)是在时间范围为-500μs-500μs的脉冲序列图、图(b)是在时间范围为-50μs-50μs的脉冲序列图、图3(c)是单脉冲轮廓、图(d)是对应的光谱曲线，根据测量发现，在5.27w的泵浦功率条件下，获得调q激光的脉冲宽度最短，脉冲的宽度为1.17μs。从图3也进一步说明调q脉冲稳定。
如图4所示，给出调q脉冲激光的重复频率和脉冲宽度随着泵浦功率的变化曲线，可以看出，调q脉冲激光的脉冲宽度会随着泵浦功率的增加而提高，脉冲宽度会随着泵浦功率的增加先变小后变大。
如图5所示，给出调q脉冲激光的单脉冲能量和脉冲峰值功率随泵浦功率变化关系，可以看出，单脉冲能量随着泵浦功率的增加先变大后趋于平稳，脉冲峰值功率泵浦功率的增加先变大后变小。
综上所述，本发明提供的yb:cayalo4激光晶体通过激光二极管泵浦半导体可饱和吸收镜调q在yb:cayalo4激光晶体输出了稳定的激光脉冲。当激光二极管有效输出功率从2.40w增加到7.76w时，均可以实现稳定地调q脉冲激光，其输出功率从75.6mw增加到464mw，重复频率从41.3khz增加到123.4khz，脉冲宽度在1.17μs-1.83μs范围内变化，单脉冲能量在1.83μj-3.97μj范围内变化，中心波长保持在1048.6nm附近；其中当激光二极管的有效输出功率为5.27w时，获得调q激光脉冲宽度最短为1.17μs，此时对应的脉冲重复频率为73.67khz，平均输出功率为286mw，单脉冲能量为3.88μj。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。