本发明属于，涉及一种基于yb:cya的高功率短脉宽ghz飞秒激光的产生装置和应用。
背景技术：
1、飞秒锁模激光器的重复频率是激光器的一个重要参数，对比mhz的飞秒脉冲，高重复频率的飞秒脉冲纵模间距大，单纵模能量高，与光信号拍频可以获得更高的信噪比，且使用商用的光谱仪或者波长计可直接访问每个纵模。这些特性使得其在诸如光学频率梳、非线性生物医学成像、高速光学采样、高速光通信、激光微纳加工、激光光谱学等领域都有着重要的应用价值。锁模激光器输出脉冲的重复频率与激光器的谐振腔长度成正比，传统的mhz腔长较长，激光器光路设计有更多的冗余，而大于1ghz的重复频率对于线性谐振腔而言其腔长要小于15cm，如何在短腔中使激光模式与多模激光二极管的泵浦半径相匹配，满足克尔透镜锁模要求，这需要仔细地腔型设计。ghz脉冲的部分应用依赖于非线性效应，目前ghz振荡器输出的平均功率普遍较低难以直接应用，如何提升ghz飞秒激光器的平均功率具有很大的研究价值。
2、对于腔长为l线性腔而言，其输出的锁模脉冲重复频率frep＝c/2l,其中c为真空中的光速。重复频率大于1ghz即要求对应的线性腔腔长l<15cm。使用成本低廉的多模半导体激光器泵浦掺镱激光晶体是获得高平均功率输出的理想方案,结合克尔透镜锁模技术可以获得高平均功率ghz飞秒脉冲。
3、对比传统的mhz飞秒脉冲的优势如下：(1)ghz飞秒脉冲的脉冲间隔小于1ns，相同的平均功率下ghz飞秒脉冲的单纵模能量更高，其用作与其它光信号拍频会获得更高的信噪比，这在一些光谱测量应用中很有优势；(2)ghz飞秒脉冲具有更宽的纵模间距，使用商用的光谱仪或者波长计就可以实现对于单个纵模的分辨，在高分辨光谱探测技术上具有很大的吸引力；(3)对于高平均功率1ghz的重复频率飞秒脉冲而言，提升平均功率可以有效提升单脉冲能量，结合较短的脉宽可以获得更高的峰值功率，在非线性生物医学成像以及众多需要非线性效应的应用中至关重要；(4)ghz飞秒激光器由于其腔长很短，yb晶体可使用集成的泵浦模块，因此ghz激光器结构紧凑，体积小巧，鲁棒性更强。如上所述，实现高重复频率的锁模飞秒激光器就是要缩短谐振腔的腔长，而短于15cm的腔长给实验布置带来了很多的困难。且通常需要使用曲率半径小的凹面镜，让晶体位置的光斑与多模激光二极管泵浦的泵浦光斑相匹配也具有相当的困难性。因此，如何实现1ghz以上的飞秒脉冲输出，以及如何提升激光器输出的平均功率一直是本领域科研人员待解决的一大技术问题。
4、如前所述，实现高功率ghz重复频率飞秒激光输出面临的问题是：大于1ghz的重复频率对要求线性腔腔长小于15cm，如此短的腔长下激光元件使用十分受限，因此一般使用4镜或者更少的腔型，给激光器设计带来了很大的困难；短腔的激光模式一般较小，难以与光束质量差的高功率多模激光二极管发出的泵浦光形成满足克尔透镜锁模要求的模式匹配，激光功率难以提升，使用多模激光二极管泵浦需要针对晶体位置的激光模式进行独特的腔型设计；ghz脉冲的峰值功率比mhz脉冲低很多，在腔内的非线性自聚焦效应弱，实现克尔透镜锁模较为困难。
5、针对以上问题，西安电子科技大学提出了两种方案来实现高功率短脉宽ghz飞秒激光器：(1)专利号zl202010019538.2：使用光束质量好功率高的单模光纤激光器作为泵浦，经过准直聚焦系统可以聚焦光斑小，可与激光模式形成良好的匹配，满足软孔克尔透镜锁模要求，使用非线性较高的yb:kgw激光晶体，配合小透过率输出耦合镜可实现软孔克尔透镜锁模，达到瓦量级的平均功率输出；(2)专利号zl202110101405.4：提出新型的双共焦环形腔结构，重新设计腔型使得激光晶体处的模式增大，可与多模激光二极管的聚焦光斑形成良好的模式匹配，并满足软孔克尔透镜所模要求，使用非线性较高的yb:kgw晶体以及透过率较小的输出耦合镜保证腔内有足够自聚焦效应实现软孔克尔透镜锁模，可输出数瓦的平均功率输出。
6、以上技术存在的问题及缺陷为：(1)使用单模高功率光纤激光器泵浦，虽然光束质量好聚焦光斑小，容易实现软孔克尔透镜锁模，较高的泵浦功率也可以将锁模输出提升到瓦量级，但是单模光纤激光器泵浦体积大且价格昂贵，增加了成本且与ghz激光器体积小的特点背道而驰。使用透过率较小的输出耦合镜虽然能保证腔内峰值功率密度足够大，但是这限制了输出功率。使用的激光晶体为yb:kgw晶体，虽然非线性高，但是其发射光谱较窄输出脉冲的脉宽较宽，这会限制峰值功率的提升，不利于诸多非线性应用。(2)采用新型双共焦环形腔结构可增大激光模式，允许使用多模激光二极管泵浦实现软孔克尔透镜锁模，但是其采用环形腔结构这会导致输出激光分为两束，使得平均功率降低，而调节为单路输出往往会引起激光器稳定性降低，不利于实际应用。同样使用yb:kgw晶体的发射光谱较窄，输出脉冲的脉宽较宽，限制了峰值功率的提升，不利于非线性应用；
技术实现思路
1、要解决的技术问题
2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于yb:cya的高功率短脉宽ghz飞秒激光的产生装置和应用。采用线性腔结构，选择合适的凹面镜曲率设计谐振腔结构，改变激光晶体的位置使其靠近激光模式较大的束腰位置，满足与多模激光二极管泵浦的模式匹配；在克尔灵敏度为负的位置插入硬孔光阑以实现硬孔克尔透镜锁模；使用gti镜为谐振腔提供合适的负色散，补偿晶体以及自相位调制的正色散；在端镜位置采用透过率较大的输出耦合镜并使用高功率泵浦功率，提升输出激光的平均功率；采用yb:cya晶体作为激光介质，其发射光谱宽达77nm，可以输出更短的飞秒脉冲，有效提升输出激光的峰值功率，而采用大功率泵浦确保腔内有足够的峰值功率密度以实现克尔透镜锁模。
3、解决以上问题及缺陷的意义为：所设计的高功率短脉宽ghz重复频率谐振腔结构，可直接利用成本低廉体积小巧的的高功率多模光纤耦合激光二极管进行泵浦；使用gti镜提供合适的负色散并插入硬孔可实现硬孔克尔透镜锁模；采用大透过率的输出耦合镜与高功率泵浦可以有效提升输出平均功率；采用发射光谱宽的yb:cya晶体作为激光介质，有潜力输出超短的飞秒脉冲。综上，利用所设计的谐振腔结构可实现高功率短脉宽ghz重复频率飞秒激光输出，本发明设计的激光器结构简单体积小巧易集成，可以实现稳定锁模，其输出可直接应用于各种应用，避免了后续放大，节省了成本，为相关应用提供了一种性能优异的光源。
4、技术方案
5、一种基于yb:cya的高功率短脉宽ghz飞秒激光的产生装置，其特征在于：包括依光路设置的激光二极管1、准直聚焦系统2、平面反射镜3、yb:cya晶体8、第一凹面反射镜4、第二凹面反射镜5、小孔光阑6和输出耦合镜7；所述输出耦合镜7为部分反射镜，与平面反射镜3之间的光路形成激光谐振腔；所述激光二极管1发射的光经过准直聚焦系统2和平面反射镜3聚焦于yb:cya晶体8上，激发yb:cya产生荧光，依次经过第一凹面反射镜4、第二凹面反射镜5和小孔光阑，部分荧光经过输出耦合镜7输出，剩余的荧光按照原路返回，继续向前经第一反射镜反射返回yb:cya晶体形成自在现，从而实现激光振荡，输出重复频率1ghz，平均功率高达11w的飞秒脉冲激光。
6、所述yb:cya晶体垂直摆放，距离平面反射镜0.5-2mm。
7、所述yb:cya晶体两面镀有980-1100nm的增透膜，yb:cya晶体通光长度为3mm。
8、所述激光谐振腔中的平面反射镜3、第一凹面反射镜4和第二凹面反射镜5的组合为：所述平面反射镜3带有30′的楔角，对于1020-1200nm反射率大于99.9％，对于800-980nm反射率小于2％；所述第一凹面反射镜4采用曲率半径为30mm的gti凹面镜，对于970-1170nm反射率大于99.9％，在1045nm提供-1200fs2的色散，对谐振腔内的色散进行补偿；所述第二凹面反射镜5为曲率半径为75mm的二向色镜，在1020-1200nm反射率大于99.9％，800-980nm反射率小于2％。
9、所述小孔光阑为直径为0.5-1.5mm，在谐振腔中调谐谐振腔的克尔灵敏度至小于-0.1实现硬孔克尔透镜锁模。
10、所述的激光二极管为976nm多模光纤耦合输出激光二极管，最大输出功率为100w。
11、所述准直聚焦系统的成像比例为1:0.8，用于连接激光二极管的输出，将其准直聚焦，形成96*105μm的泵浦光斑。
12、所述输出耦合镜在1000-1100nm透过率为10％。
13、所述yb:cya晶体通光长度为3mm，掺杂浓度为2at.％；所述yb:cya晶体的替代晶体为：yb:cagdalo4、yb:y2o3、yb:lu2o3、yb:kyw、yb:ycob、yb:lyso、yb:lso、yb:yso或yb:yag。
14、一种基于yb:cya的高功率短脉宽ghz飞秒激光的产生装置的应用，其特征在于：所述装置的输出重复频率1ghz，平均功率高达11w的飞秒脉冲激光，用于光学频率梳、生物医学成像以及维纳激光加工领域。
15、有益效果
16、本发明提出的一种基于yb:cya的高功率短脉宽ghz飞秒激光的产生装置和应用，以激光二极管作为泵浦；准直聚焦系统将泵浦光准直聚焦到晶体中心；激光二极管发射的光经过准直聚焦系统和平面反射镜聚焦于yb:cya晶体上，激发yb:cya产生荧光，依次经过第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和实现硬孔克尔透镜锁模的小孔光阑，部分荧光经过输出耦合镜输出锁模脉冲，剩余的荧光按照原路返回，继续向前经第一反射镜反射返回yb:cya晶体形成自在现。通过合理的腔型设计以及色散管理，实现了硬孔光阑锁模，最终输出重复频率1ghz，平均功率高达11w的飞秒脉冲激光。
17、本发明所设计的高功率短脉宽ghz重复频率谐振腔结构，可直接利用成本低廉体积小巧的的高功率多模光纤耦合激光二极管进行泵浦；使用gti镜提供合适的负色散并插入硬孔可实现硬孔克尔透镜锁模；采用大透过率的输出耦合镜与高功率泵浦可以有效提升输出平均功率；采用发射光谱宽的yb:cya晶体作为激光介质，有潜力输出超短的飞秒脉冲。综上，利用所设计的谐振腔结构可实现高功率短脉宽ghz重复频率飞秒激光输出，本发明设计的激光器结构简单体积小巧易集成，可以实现稳定锁模，其输出可直接应用于各种应用，避免了后续放大，节省了成本，为相关应用提供了一种性能优异的光源。