專(zhuān)利名稱(chēng):一種新型鎖模激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種高穩(wěn)定性的超短脈沖鎖模激光器。
背景技術(shù):
激光加工是激光技術(shù)最重要的應(yīng)用。而皮秒、亞皮秒以及飛秒量級(jí)超短脈沖激光脈沖持續(xù)時(shí)間短、峰值功率高,其應(yīng)用于激光加工領(lǐng)域的作用機(jī)理區(qū)別于傳統(tǒng)的連續(xù)和納秒脈沖激光加工,是ー個(gè)多光子吸收過(guò)程,非線性作用過(guò)程占主導(dǎo)地位,具有以下不可比擬的優(yōu)點(diǎn)可加工材料范圍廣,對(duì)材料是非選擇性的;大大降低了材料的燒蝕閾值;實(shí)現(xiàn)了真正意義上的光學(xué)冷加工,無(wú)熱影響區(qū),加工精度高;無(wú)等離子體屏蔽效應(yīng),提高了能量利用率;無(wú)材料損傷,無(wú)飛濺物存在;加工速度快等。超短脈沖激光器已成為材料精密加工的理想工具,開(kāi)創(chuàng)了超精細(xì)、無(wú)熱損傷和3D空間材料加工的新領(lǐng)域,在半導(dǎo)體微加工、聚合物切割、微電子學(xué)、光子晶體器件、微機(jī)械加工以及光伏產(chǎn)業(yè)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。而獲得皮秒-亞皮秒甚至飛秒量級(jí)超短激光脈沖的主要方法是激光鎖模技木,當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、效果最好的鎖模技術(shù)主要有兩種利用材料本身克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的自鎖模技術(shù)以及使用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)鎖模技術(shù)??藸栨i模技術(shù)不需要附加調(diào)制器,但是有ー個(gè)重大的缺點(diǎn)就是難以自啟動(dòng),啟動(dòng)自鎖模需要外界的影響,例如敲擊腔鏡或外売。它的鎖模條件非??量?,諧振腔工作在穩(wěn)定區(qū)邊緣,因此自鎖模具有很大的難度和不穩(wěn)定性,輕微的震動(dòng)甚至空氣流動(dòng)都會(huì)干擾鎖摸。而SESAM的設(shè)計(jì)具有較高的靈活性,可以精確控制損耗、飽和通量、調(diào)制深度等參數(shù),并且具有超快的可飽和吸收時(shí)間(皮秒到飛秒量級(jí)),可以實(shí)現(xiàn)鎖模的自啟動(dòng)并支持飛秒激光脈沖的產(chǎn)生?,F(xiàn)在國(guó)際上對(duì)固體超快激光研究主要集中被動(dòng)鎖模技木,市場(chǎng)上エ業(yè)用`超短脈沖鎖模激光器產(chǎn)品也基本上采用了 SESAM被動(dòng)鎖模技術(shù)方案。然而目前的超短脈沖鎖模激光器都是利用ー塊SESAM作為鎖模元件來(lái)啟動(dòng)和維持鎖模脈沖,在這種情況下,SESAM材料的性能在很大程度上決定了整個(gè)鎖模激光器性能。然而SESAM所使用的半導(dǎo)體化合物材料熱導(dǎo)率一般都不高,長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)積累大量的熱量,導(dǎo)致SESAM性能的退化;并且SESAM受振動(dòng)以及外界環(huán)境的變化等因素的影響會(huì)使得鎖模脈沖會(huì)變得不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象。因此提高超快激光長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性和可靠性是當(dāng)前ー個(gè)重要的研究課題。目前市場(chǎng)上的超快激光產(chǎn)品多采用反饋電路連接光學(xué)調(diào)制器或者微動(dòng)器件配合軟件進(jìn)行系統(tǒng)微調(diào),雖然具有較好的效果,但是成本高昂,整臺(tái)激光器售價(jià)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn),并且后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用高昂。目前市場(chǎng)上的超短脈沖鎖模激光器為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性多采用電子反饋系統(tǒng)以及微位移器件配合軟件進(jìn)行微調(diào),這樣使得鎖模激光設(shè)備成本高,技術(shù)條件要求十分苛刻。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足,本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的具有高穩(wěn)定性、高可靠性的超短脈沖鎖模的新型鎖模激光器。本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種新型鎖模激光器,包括ニ極管泵浦源、耦合系統(tǒng)、激光増益介質(zhì)和激光諧振腔,ニ極管泵浦源、耦合系統(tǒng)和激光諧振腔順序排列成光路,激光增益介質(zhì)位于激光諧振腔內(nèi),其特征在于激光諧振腔包括輸入腔鏡、兩個(gè)反射鏡A、B、兩個(gè)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A、B,輸入腔鏡后面分為兩路光路,其中一路光路中順序?yàn)榧す庠鲆娼橘|(zhì)、反射鏡A和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A,另一路光路中順序?yàn)榉瓷溏RB和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光部分反射部分透射的薄膜;所述的輸入腔鏡為平面鏡;輸入腔鏡兩個(gè)端面均鍍有對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜,其后端面鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜;所述的激光増益介質(zhì)兩個(gè)端面均鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光和對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜;所述的兩個(gè)反射鏡A、B是平凹鏡。所述的激光增益介質(zhì)·是摻雜為Nd、Yb、Tm、Ho、Er、Pr稀土離子、Fe、Cr、Ti過(guò)渡金屬離子的晶體材料以及激光陶瓷增益介質(zhì)中的ー種。本發(fā)明的激光諧振腔包括激光腔鏡、兩塊半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)激光腔鏡包括平面鏡和平凹鏡;兩塊半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM),其中一塊半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A對(duì)腔內(nèi)振蕩光高反,作為諧振腔的一個(gè)腔鏡;另一塊半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B對(duì)腔內(nèi)振蕩光部分反射,具有一定的透過(guò)率,作為諧振腔的耦合輸出鏡;所述的反射式和透射式SESAM各自都可以在諧振腔中獨(dú)立地產(chǎn)生鎖模脈沖,它們作為諧振腔的一部分,在本方案的激光器中同時(shí)起到了啟動(dòng)與維持鎖模脈沖的作用;所述的激光諧振腔采用W型腔或其它可以使兩個(gè)SESAM同時(shí)正常工作的腔型;所述腔鏡除兩個(gè)SESAM外還包括ー個(gè)平面鏡和兩個(gè)平凹鏡;ニ極管泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)后聚焦在激光增益介質(zhì)上對(duì)其進(jìn)行泵浦,腔內(nèi)振蕩光束將其中ー塊SESAM飽和,瞬時(shí)可飽和吸收過(guò)程產(chǎn)生巨脈沖,巨脈沖又瞬時(shí)啟動(dòng)第二塊SESAM并使之飽和,此后兩個(gè)SESAM相互協(xié)作,完全鎖定腔內(nèi)縱模,并最終經(jīng)透射式半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B耦合輸出腔外產(chǎn)生激光。本發(fā)明的腔鏡包括平面鏡和平凹鏡,根據(jù)光束傳播AB⑶矩陣?yán)碚?,可以選擇不同的曲率半徑,使得激光增益介質(zhì)處的振蕩光斑與泵浦光斑實(shí)現(xiàn)良好的模式匹配,并且對(duì)SESAM處的振蕩光束進(jìn)行壓縮,使SESAM上的光斑足夠小以滿(mǎn)足連續(xù)鎖模的條件。本發(fā)明中更進(jìn)ー步可在激光諧振腔內(nèi)加入相應(yīng)色散補(bǔ)償片等光學(xué)元件,用于消除相位失配和群速度色散對(duì)脈沖的展寬和變形,獲得亞皮秒甚至飛秒量級(jí)的超短脈沖鎖模激光輸出;所述的色散補(bǔ)償片等光學(xué)元件在諧振腔腔內(nèi)的具體位置可根據(jù)實(shí)際光路進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明所提供的高穩(wěn)定性的全固態(tài)超短脈沖鎖模激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,采用雙SESAM進(jìn)行調(diào)制,當(dāng)ー塊SESAM失效時(shí),另ー塊正常工作的SESAM仍可以繼續(xù)通過(guò)可飽和吸收作用產(chǎn)生巨脈沖,此巨脈沖在極短的時(shí)間內(nèi)(ns量級(jí))就可傳播到失效的SESAM處,激發(fā)SESAM重新回到正常的工作狀態(tài)。所以當(dāng)任何ー塊SESAM失去作用時(shí),均可瞬時(shí)被另ー塊SESAM產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖重新啟動(dòng),因此有效避免激光器失鎖的發(fā)生。并沒(méi)有采用過(guò)多的輔助技術(shù)設(shè)備;成本低廉,與國(guó)外動(dòng)輒幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)人民幣的鎖模激光器相比,本方案沒(méi)有相應(yīng)的電子反饋系統(tǒng)與軟件開(kāi)發(fā)費(fèi)用,整套系統(tǒng)的元件也非常少,制造成本大大降低;性能可靠穩(wěn)定,所述的穩(wěn)定性包括兩方面功率穩(wěn)定性,采用本方案的鎖模激光器可以連續(xù)工作50小時(shí)而不出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象;鎖模脈沖的穩(wěn)定性,不論是從脈沖形狀還是脈寬等參數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都不會(huì)大的變化(見(jiàn)附圖2、3)。本發(fā)明在激光諧振腔內(nèi)采用兩塊半導(dǎo)體可飽和吸收調(diào)制元件(SESAM),提高調(diào)制深度,進(jìn)ー步壓縮脈沖寬度。利用兩種SESAM相互配合,通過(guò)合理的諧振腔設(shè)計(jì),使得兩個(gè)SESAM在產(chǎn)生連續(xù)鎖模脈沖時(shí)都發(fā)揮作用,不需要復(fù)雜的外界電路反饋或人工控制,有效地提高了超短脈沖連續(xù)鎖模激光器的穩(wěn)定性和可靠性。到目前,尚未看到在一個(gè)諧振腔中用兩個(gè)SESAM實(shí)現(xiàn)連續(xù)鎖模激光輸出的報(bào)道。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊,系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行,造價(jià)低,穩(wěn)定性好,可靠性高等特點(diǎn);它克服了以往単一 SESAM鎖模激光器存在的缺點(diǎn)和不足,是ー種新型的超短脈沖激光器系統(tǒng),便于工程化推廣。
圖1是本發(fā)明新型鎖模激光器實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1 一二極管(LD)泵浦源;2—親合系統(tǒng);3—激光增益介質(zhì);4ー輸入腔鏡;5—反射鏡A ;6—反射鏡B ;7—半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A ;8—半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B。圖2是本發(fā)明實(shí)例I的輸出功率隨時(shí)間變化的記錄圖??梢钥闯?,在持續(xù)50小時(shí)內(nèi),輸出功率具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。圖3是本發(fā)明實(shí)例I輸出的連續(xù)鎖模激光的脈沖序列圖。圖中上半部表示毫秒尺度內(nèi)脈沖具有良好的持續(xù)性,下半部表示納秒尺度內(nèi)脈沖與脈沖之間差別非常小,是良好的連續(xù)鎖模脈沖。圖4是本發(fā)明激光器實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。其中9一色散補(bǔ)償元件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說(shuō)明,但不限于此。實(shí)施例1 :ー種新型鎖模激光器,如圖1所示,包括ニ極管泵浦源1、耦合系統(tǒng)2、激光增益介質(zhì)3和激光諧振腔,ニ極管泵浦源1、耦合系統(tǒng)2和激光諧振腔順序排列成光路,激光增益介質(zhì)3位于激光諧振腔內(nèi),其特征在于激光諧振腔包括輸入腔鏡4、兩個(gè)反射鏡A5、B6、兩個(gè)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7、B8,輸入腔鏡4后面分為兩路光路,其中一路光路中順序?yàn)榧す庠鲆娼橘|(zhì)3、反射鏡A5和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)A7,另一路光路中順序?yàn)榉瓷溏RB6和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B8,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B8上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光部分反射部分透射的薄膜。所述的輸入腔鏡4為平面鏡;輸入腔鏡4兩個(gè)端面均鍍有對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜,其后端面鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜(反射率大于99. 5%);所述的ニ極管泵浦源I發(fā)出808nm波長(zhǎng)的光;
所述的激光増益介質(zhì)3兩個(gè)端面均鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光和對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜;所述的兩個(gè)反射鏡A5、B6是平凹鏡。所述的激光增益介質(zhì)3是摻雜為0. 3at%的a切Nd = YVO4晶體。所述的諧振光即激光波長(zhǎng)為1064納米,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1064納米腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,其反射率大于99. 3% ;半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B上鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1064納米腔內(nèi)諧振光有部分反射部分透射的薄膜,其透過(guò)率為3. 2%。實(shí)施例2:ー種新型鎖模激光器,包括ニ極管泵浦源1、耦合系統(tǒng)2、激光增益介質(zhì)3和激光諧振腔,ニ極管泵浦源1、耦合系統(tǒng)2和激光諧振腔順序排列成光路,激光增益介質(zhì)3位于激光諧振腔內(nèi),其特征在于激光諧振腔包括輸入腔鏡4、兩個(gè)反射鏡A5、B6、兩個(gè)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7、B8,輸入腔鏡4后面分為兩路光路,其中一路光路中順序?yàn)榧す庠鲆娼橘|(zhì)3、反射鏡A5和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7,另一路光路中順序?yàn)榉瓷溏RB6和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B8,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B8上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光部分反射部分透射的薄膜。所述的輸入腔鏡4為平面鏡;輸入腔鏡4兩個(gè)端面均鍍有對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜,其后端面鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜(反射率大于99. 6%);所述的ニ極管泵浦源I發(fā)出808nm波長(zhǎng)的光;所述的激光増益介質(zhì)3兩個(gè)端面均鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光和對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜; 所述的兩個(gè)反射鏡A5、B6是平凹鏡。所述的激光增益介質(zhì)3是摻雜為0. 3at%的a切Nd = YVO4晶體。所述的諧振光波長(zhǎng)為1. 3微米,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)A鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1. 3微米腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,其反射率大于99% ;半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1. 3微米腔內(nèi)諧振光部分反射部分透射的薄膜,其透過(guò)率為3. 5%。實(shí)施例3 和實(shí)施例1相同,只是所述的激光增益介質(zhì)3是摻雜為10at%的Yb:GAGG晶體。所述的諧振光即激光波長(zhǎng)為1030納米;半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1030納米腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,其反射率大于99% ;半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)B鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1030納米腔內(nèi)諧振光部分反射部分透射的薄膜,其透過(guò)率為3. 6%。實(shí)施例4 本發(fā)明激光器實(shí)施例4如圖4所示,包括ニ極管泵浦源1、耦合系統(tǒng)2、激光增益介質(zhì)3和激光諧振腔,ニ極管泵浦源1、耦合系統(tǒng)2和激光諧振腔順序排列成光路,激光增益介質(zhì)3位于激光諧振腔內(nèi),其特征在于激光諧振腔包括輸入腔鏡4、兩個(gè)反射鏡A5、B6、兩個(gè)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7、B8,輸入腔鏡4后面分為兩路光路,其中一路光路中順序?yàn)榧す庠鲆娼橘|(zhì)3、反射鏡A5、色散補(bǔ)償元件9和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7,另一路光路中順序?yàn)榉瓷溏RB6和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B8,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A7上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B8上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光部分反射部分透射的薄膜。所述的輸入腔鏡4為平面鏡;輸入腔鏡4兩個(gè)端面均鍍有對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜,其后端面鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜(反射率大于99. 5%);所述的ニ極管泵浦源I發(fā)出808nm波長(zhǎng)的光;所述的激光増益介質(zhì)3兩個(gè)端面均鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光和對(duì)ニ極管泵浦光増透的增透膜;所述的兩個(gè)反射鏡A5、B6是平凹鏡。所述的色散補(bǔ)償元件9是棱鏡對(duì)。所述的激光增益介質(zhì)3是摻雜為0. 3at%的a切Nd = YVO4晶體。
所述的諧振光即激光波長(zhǎng)為1064納米,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) A鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1064納米腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,其反射率大于99. 3% ;半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) B上鍍有對(duì)波長(zhǎng)為1064納米腔內(nèi)諧振光有部分反射部分透射的薄膜,其透過(guò)率為3. 4%。
權(quán)利要求
1.一種新型鎖模激光器,包括二極管泵浦源、耦合系統(tǒng)、激光增益介質(zhì)和激光諧振腔,二極管泵浦源、耦合系統(tǒng)和激光諧振腔順序排列成光路,激光增益介質(zhì)位于激光諧振腔內(nèi),其特征在于激光諧振腔包括輸入腔鏡、兩個(gè)反射鏡A、B、兩個(gè)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡A、B,輸入腔鏡后面分為兩路光路,其中一路光路中順序?yàn)榧す庠鲆娼橘|(zhì)、反射鏡A和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡A,另一路光路中順序?yàn)榉瓷溏RB和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡B,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡A上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜,半導(dǎo)體可飽和吸收鏡B上鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光部分反射部分透射的薄膜; 所述的輸入腔鏡為平面鏡;輸入腔鏡兩個(gè)端面均鍍有對(duì)二極管泵浦光增透的增透膜,其后端面鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光高反的反射膜; 所述的激光增益介質(zhì)兩個(gè)端面均鍍有對(duì)腔內(nèi)諧振光和對(duì)二極管泵浦光增透的增透膜; 所述的兩個(gè)反射鏡A、B是平凹鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的一種新型鎖模激光器,其特征在于所述的激光增益介質(zhì)是摻雜為Nd、Yb、Tm、Ho、Er、Pr稀土離子、Fe、Cr、Ti過(guò)渡金屬離子的晶體材料以及激光陶瓷增益介質(zhì)中的一種。
全文摘要
一種新型鎖模激光器,包括泵浦源、泵浦耦合系統(tǒng)、激光增益介質(zhì)和激光諧振腔;在腔內(nèi)采用兩塊半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定超短脈沖激光輸出;其中一塊SESAM對(duì)腔內(nèi)振蕩光高反,另一塊SESAM對(duì)振蕩光具有一定的透過(guò)率;泵浦光經(jīng)耦合系統(tǒng)后泵浦激光增益介質(zhì),腔內(nèi)振蕩光束將其中一塊SESAM飽和后啟動(dòng)第二塊SESAM并使之飽和,并最終經(jīng)透射式SESAM耦合輸出腔外;兩塊SESAM同時(shí)起到啟動(dòng)與維持鎖模脈沖的作用,不需要外界電路反饋或人工控制,有效提高了連續(xù)鎖模激光器的穩(wěn)定性和可靠性,且結(jié)構(gòu)緊湊,系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行,大大降低了成本,克服了以往單SESAM鎖模激光器存在的缺點(diǎn)和不足,便于工程化推廣。
文檔編號(hào)H01S3/098GK103036141SQ201210583049
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者何京良, 徐金龍, 張百濤, 侯佳, 劉善德, 楊英 申請(qǐng)人:山東大學(xué)