高可靠鎖模激光器的制造方法
【專利摘要】鎖模激光器諧振腔中包含有激光增益介質(zhì)，激光諧振腔鏡，鎖模器件，在鎖模器件或諧振腔鏡固定調(diào)整架上加附一個可產(chǎn)生微弱機械震動的器件，在每次鎖模激光器開機后短暫啟動該機械震動的器件，在鎖模激光器的諧振腔中引入一個微弱機械擾動，從而使該鎖模激光器可靠工作于鎖模狀態(tài)。
【專利說明】
高可靠鎖模激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光器，特別是一種能高可靠工作于鎖模狀態(tài)的鎖模激光器。

【背景技術(shù)】
[0002]激光是由處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光增益介質(zhì)產(chǎn)生受激輻射而反射出的能量高度集中，方向性極強，單色性好的光束，在各種工業(yè)加工，醫(yī)療，軍事和科研等中得到廣泛的應用。
[0003]在激光增益介質(zhì)的增益譜線范圍內(nèi)，根據(jù)諧振腔鏡所確立的激光光波在諧振腔內(nèi)來回反射而要服從的邊界條件即激光電磁光波的電場分量在諧振腔鏡表面為零，在激光器的諧振腔中可以存在許多頻率略有不同的縱模，其頻率的差別是它們在兩個諧振腔鏡中傳播時的電磁正弦波個數(shù)相互差別為1。
[0004]在一般的激光器中，縱模間并無固定的相位關(guān)系。而在鎖模激光器中，通過在緊鄰諧振腔鏡處安置入適當?shù)逆i模器件，此鎖模器件可以在某特定時間從高損耗狀態(tài)突然轉(zhuǎn)入低損耗狀態(tài)，從而允許所有的縱模同時由諧振腔鏡處起振，使得所有的縱模間的相位得以鎖定?！版i?！奔す馄髦灿纱硕鴣?。這許多頻率間隔相同的縱模同相位起振電磁正弦波迭加的結(jié)果是脈沖寬度極窄的激光脈沖。如有越多的縱模被嚴格鎖定，鎖模激光器的激光脈沖寬度就越窄。故激光增益介質(zhì)的增益譜線越寬，鎖模器件從高損耗狀態(tài)轉(zhuǎn)入低損耗狀態(tài)的速度越快，鎖模激光脈沖寬度就越窄。典型的激光增益介質(zhì)為如:?04的鎖模激光器的激光脈沖寬度在5至25皮秒(即)間。
[0005]脈沖寬度窄至皮秒甚至飛秒量級的鎖模激光器的出現(xiàn)，迅速推動了許多超快領(lǐng)域的突飛猛進。同時由于其激光脈沖寬度極窄，一定能量的激光脈沖可以實現(xiàn)極高的峰值功率，所以鎖模激光器在眾多要求超快或超高激光功率的場合基本成了不二之選。在激光加工領(lǐng)域，皮秒甚至飛秒量級的鎖模激光脈寬加上超大的激光峰值功率，可以實現(xiàn)極為精細，幾乎無熱效應的高質(zhì)量加工。
[0006]鎖模激光器的鎖模器件有主動和被動兩種。
[0007]主動鎖模器件，如聲光鎖模器件，是靠其控制驅(qū)動系統(tǒng)控制其是處在高損耗狀態(tài)還是在低損耗狀態(tài)，通過對激光腔內(nèi)的損耗進行周期性調(diào)制鎖定各個縱模之間的相位而實現(xiàn)鎖模。其特點是實現(xiàn)鎖模工作可靠，但開關(guān)速度較低故鎖模激光器的激光脈沖寬度較寬，裝置較復雜，用得較少。
[0008]被動鎖模器件，如半導體可飽和吸收鏡(英文簡稱，器件是處在高損耗狀態(tài)還是在低損耗狀態(tài)是被動的由激光本身的強度決定的。當激光強度達到一定水平，323八1中的吸收體對激光脈沖的吸收呈現(xiàn)飽和，32^1進入低損耗狀態(tài)。脈沖強度越強，損耗越小，強度越弱，損耗越大。32^1的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)在吸收體呈現(xiàn)吸收飽和后，對激光為高反。在具體使用時，它既作為被動鎖模器件，也同時直接被用為鎖模激光器的諧振腔鏡，不但結(jié)構(gòu)簡單，且鎖模性能提高。
[0009]被動鎖模的特點是簡單，恢復時間快故鎖模激光器的激光脈沖寬度較窄，但其在高損耗狀態(tài)和低損耗狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換開關(guān)是被動的取決于自發(fā)輻射的光信號強度，而在開機后激光是否出現(xiàn)具有足夠強度的脈沖僅取決于量子噪聲等偶然事件。其結(jié)果是一旦激光器件進入鎖模狀態(tài)，它可以穩(wěn)定保持于鎖模工作狀態(tài)，但是如果激光器開機后自發(fā)輻射的光信號強度較弱，鎖模不能從中建立，那么激光器將保持運行在此連續(xù)工作狀態(tài)，而無法自動進入到鎖模工作。尤其是在低重復頻率(11取?201?)鎖模激光器中該現(xiàn)象較為明顯，鎖模往往不能自啟動。
[0010]半導體可飽和吸收鏡或323艦在目前被廣泛采用，德國⑶腿狀公司的品系列是目前世界上采用32^1被動鎖模器件的鎖模激光器的典型。但32^1被動鎖模器件有一個弱點就是它本質(zhì)上是一個基于半導體可飽和吸收材料的多層膜系結(jié)構(gòu)，長期應用會在工作點上產(chǎn)生破壞或性能衰減，原本能自啟動的鎖模變得不能自啟動或者根本就不能啟動鎖模，影響了鎖模激光器的長期工作穩(wěn)定可靠性。一個解決的方法是定期更改32^1的工作點，但挪動32^1又不破壞諧振腔的準直，是一個不小的技術(shù)挑戰(zhàn)，增加了鎖模激光器的復雜程度和成本。
[0011〕 一個避免了上述323艦易被破壞的弱點的被動鎖模器件是非線性鎖模器件。它由0？，180或880等非線性倍頻晶體，配合對二次諧波高反，基波部分透射的反射鏡組成。非線性倍頻晶體只在激光強度達到一定值時才呈現(xiàn)相當?shù)谋额l效率，二次諧波被對諧波高反的反射鏡反射回非線性晶體，當被反射回來的基波和二次諧波相位滿足一定條件時，二次諧波反轉(zhuǎn)換回基波能量故整個被動鎖模器件呈現(xiàn)低的損耗狀態(tài)。正確設(shè)計合適的非線性鎖模器件對于激光工程人員是一個嚴格的挑戰(zhàn)，故它沒有如32^1那么普及。和32^1類似，在具體使用時，非線性鎖模器件同時作為鎖模激光器的輸出腔鏡使用。北京科涵龍順激光設(shè)備有限公司的百1012皮秒鎖模激光器是采用非線性鎖模的代表產(chǎn)品。
[0012]隨著對鎖模激光器的需求越來越大，對鎖模激光器的性能要求也越來越高，盡快及時的完美解決采用被動鎖模器件的鎖模激光器能100%可靠進入預定的鎖模工作狀態(tài)的問題，成了一個急迫的挑戰(zhàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供一種采用被動鎖模器件的高可靠鎖模激光器，它可以在每次開機時，都能100%可靠進入預定的鎖模工作狀態(tài)。
[0014]為實現(xiàn)上述目的，關(guān)鍵在于認識到被動鎖模激光器的被動特性，在其每次開機時，用其他方法，可以是電的方法，也可以是機械的方法，對激光器的工作制造一定的擾動，使激光器起振具有較多的隨機大脈沖，從而使被動鎖模器件進入工作狀態(tài)。
[0015]用電的方法，如在激光器泵浦電流上迭加一個擾動。其缺點是對于激光二極管泵浦，它本身對電流擾動的響應不一定夠快，同時泵浦電流上迭加一個擾動可能影響二極管的工作壽命。
[0016]本發(fā)明采取的具體方案是對激光器的諧振腔引入一定的機械震動。在諧振腔中比如腔鏡上固定一個機械震動的器件，在每次鎖模激光器開機后短暫啟動該機械震動的器件，使該鎖模激光器可靠工作于鎖模狀態(tài)。
[0017]該高可靠的鎖模激光器，其諧振腔中包含有激光增益介質(zhì)，激光諧振腔鏡，及被動鎖模器件。
[0018]激光增益介質(zhì)包括但不限于恥:^^，^:^6, ^:^8,制:”04，^:6^04？恥:孔？，%: 1(61, %:^或激光光纖，激光增益介質(zhì)的泵浦可以用常規(guī)的燈泵浦，或激光二極管泵浦，或激光束泵浦。
[0019]被動鎖模器件可以是32^1可飽和吸收鏡片或含XI？，180, 880，8180等非線性晶體的非線性鎖模器件。
[0020]在被動鎖模器件或諧振腔鏡固定調(diào)整架上加附一個可產(chǎn)生微弱機械震動的器件，它可以是壓電晶體，微型電聲器件，偏心電機等。
[0021]在每次鎖模激光器開機后短暫啟動該機械震動的器件，短暫啟動該機械震動的時間為 11X18-58。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0023]1.能100%保證采用被動鎖模器件的鎖模激光器可靠進入預定的鎖模工作狀態(tài)。
[0024]2.簡單。
[0025]3.不影響激光器的諧振腔光路，可以方便對其他未采用此技術(shù)的被動鎖模激光器進行改造，提高它們的鎖?？煽啃浴?br>
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施作進一步說明。
[0027]圖1:為常規(guī)的使用32^1作為被動鎖模器件的鎖模激光器及其輸出的鎖模激光脈沖波形示意圖。
[0028]圖2:為常規(guī)的使用非線性晶體作為被動鎖模器件的鎖模激光器示意圖。
[0029]圖3:為本發(fā)明高可靠鎖模激光器示意圖。
[0030]圖4:為本發(fā)明中激光諧振腔鏡固定調(diào)整架上加附一個偏心電機的示意圖。

【具體實施方式】
[0031]如圖1所示為一常規(guī)的使用32^1作為被動鎖模器件的鎖模激光器及其輸出的鎖模激光脈沖波形示意圖。其中鎖模激光器(001),鎖模激光器的諧振腔(010),它由激光諧振腔鏡(030)和另一激光諧振腔鏡(035)決定。另一激光諧振腔鏡(035)也就是32^1被動鎖模器件。諧振腔(010)中還包含有激光增益介質(zhì)(020).腔鏡(031)和(032)為諧振腔(010)的轉(zhuǎn)折腔鏡。鎖模激光器的激光輸出為(050)0
[0032]鎖模激光器開機后，泵浦源(圖中未標出)對激光增益介質(zhì)(020)進行泵浦，當激光增益介質(zhì)達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)后，可以因為量子噪聲等原因而產(chǎn)生尖峰式的受激輻射，并可以演變?yōu)殒i模激光振蕩，輸出鎖模激光脈沖系列(050),其中每個脈沖(051)的脈沖寬度可以窄到幾百飛秒至幾十皮秒，相鄰兩個鎖模激光脈沖間的時間間隔(052)為光波在諧振腔中傳輸一個來回的時間。如光程為1.50長的鎖模激光器諧振腔，其輸出鎖模激光脈沖相鄰間隔為10%，或鎖模激光脈沖的重復頻率為1001取。
[0033]對激光增益介質(zhì)(020)進行泵浦的泵浦源可以是放電燈或激光二極管，或其它激光光束。
[0034]如圖2所示為一常規(guī)的使用非線性鎖模器件作為被動鎖模器件的鎖模激光器示意圖。其中鎖模激光器(101),鎖模激光器的諧振腔(110),它由激光諧振腔鏡(130)和另一激光諧振腔鏡(135)決定。激光諧振腔鏡(135)也就是非線性被動鎖模器(133)中對倍頻激光的高反鏡。對倍頻激光的高反鏡(135)和非線性晶體(136)組成非線性被動鎖模器件(133)。諧振腔(110)中還包含有激光增益介質(zhì)(120)。腔鏡(131)和(132)為諧振腔(110)的轉(zhuǎn)折腔鏡，以便在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)所需的激光諧振腔參數(shù)。鎖模激光器的激光輸出為(150)。
[0035]一個具體的設(shè)計實例如:
[0036]激光增益介質(zhì)(120)為尺寸為3 X 3 X 12臟3的制:”04晶體，用301808鹽波長的激光二極管通過光纖進行泵浦，激光諧振腔長度為7.5%非線性晶體(136)為3X3X15臟3的180晶體。180晶體安置于高精度的溫控爐內(nèi)(圖中未示出)，溫控精度應不低于±0丨0500。180晶體溫控爐及對倍頻激光的高反鏡(135)之間的距離可以精密調(diào)節(jié)。輸出鎖模激光脈沖的脈沖寬度為10%到20%，鎖模激光脈沖的重復頻率為20冊12，平均功率為61左右。
[0037]當腔長較長，激光器脈沖重復頻率較低時，使用被動鎖模器件，包括非線性鎖模器件的鎖模激光器的弱點是它?？赡茉陂_機后不自動進入鎖模狀態(tài)，而是進入連續(xù)激光工作狀態(tài)。不解決這種問題，那么這類激光器就不能走出實驗室，成為廣大用戶可以方便使用的女口廣叩0
[0038]如圖3所示，即為本發(fā)明的高可靠鎖模激光器示意圖。以使用非線性鎖模器件作為被動鎖模器件為例，其中鎖模激光器(201),鎖模激光器的諧振腔(210),它由激光諧振腔鏡(230)和另一激光諧振腔鏡(235)決定。激光諧振腔鏡(235)也就是非線性被動鎖模器件中對倍頻激光的高反鏡。對倍頻激光的高反鏡(235)和非線性晶體(236)組成非線性被動鎖模器件(233)。諧振腔(210)中還包含有激光增益介質(zhì)(220)。腔鏡(231)和(232)為諧振腔(210)的轉(zhuǎn)折腔鏡。鎖模激光器的激光輸出為(250)0
[0039]具體的設(shè)計可以和上述的設(shè)計實例基本完全相同，除了以下一個差別，也就是本發(fā)明的發(fā)明點:
[0040]在安裝有非線性被動鎖模器件部件之一的諧振腔鏡(235)的精密調(diào)整架(240)上，另固定上一個可產(chǎn)生微弱機械震動的器件，如偏心電機(241)，其控制驅(qū)動電路為(242)。
[0041]在每次鎖模激光器開機時，由控制驅(qū)動電路(242)短暫啟動該機械震動器件(241),在鎖模激光器的諧振腔(210)中引入一個微弱機械擾動，其結(jié)果是該鎖模激光器可以100%可靠的進入并保持工作于鎖模狀態(tài)。
[0042]偏心電機(241)也可以安裝在激光器諧振腔(210)內(nèi)的其他部位，如非線性鎖模器件(236)的固定調(diào)整架上(圖中未標出)。
[0043]可以產(chǎn)生微弱機械震動的器件也可以用其他的如壓電晶體$21)，微型電聲器件坐寸。
[0044]圖4為本發(fā)明中激光諧振腔鏡固定調(diào)整架上加附一個偏心電機的示意圖。其中非線性被動鎖模器件部件之一的諧振腔鏡(235),安裝在精密調(diào)整架(240)上，一個可產(chǎn)生微弱機械震動的器件，如偏心電機(241),固定在精密調(diào)整架(240)上，偏心電機(241)由其驅(qū)動電路(242)驅(qū)動。每次鎖模激光器開機時，驅(qū)動電路(242)對偏心電機(241)驅(qū)動約11115 至 58。
[0045]本發(fā)明簡單方便，不影響原激光諧振腔的設(shè)計和制造。也可以方便的對未釆用本發(fā)明技術(shù)的被動鎖模激光器進行改造。效果是鎖模激光器可以100%可靠的進入并保持工作于鎖模狀態(tài)。
[0046] 對于具體的可產(chǎn)生微弱機械震動的器件的選擇和安裝細節(jié)可以各有不同，此處不再一一冗述。
【權(quán)利要求】
1.鎖模激光器的諧振腔中包含有激光增益介質(zhì)，激光諧振腔鏡，鎖模器件，在鎖模器件或諧振腔鏡固定調(diào)整架上加附一個可產(chǎn)生微弱機械震動的器件，在每次鎖模激光器開機后短暫啟動該機械震動的器件，使該鎖模激光器可靠工作于鎖模狀態(tài)。
2.權(quán)利要求1 中，激光增益介質(zhì)包括 Nd:YAG，Yb:YAG, Yb:YAB, NdiYVO4, NdiGdVO4,Nd: YLF, Yb: KGff, Yb: KYff 或激光光纖。
3.權(quán)利要求1中，鎖模器件包括SESAM可飽和吸收鏡片。
4.權(quán)利要求1中，鎖模器件包括KTP，BBO,LBO, BIBO非線性晶體鎖模器件。
5.權(quán)利要求1中，可產(chǎn)生微弱機械震動的器件是壓電晶體。
6.權(quán)利要求1中，可產(chǎn)生微弱機械震動的器件是微型電聲器件。
7.權(quán)利要求1中，可產(chǎn)生微弱機械震動的器件是偏心電機。
8.權(quán)利要求1中，在每次鎖模激光器開機后短暫啟動該機械震動器件的時間為lms_5s0
【文檔編號】H01S3/098GK104348075SQ201310320510
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月29日
【發(fā)明者】蔡志強, 陸富源, 殷帥 申請人:北京科涵龍順激光設(shè)備有限公司, 殷帥