[发明专利]自启动锁模装置和方法以及包括该装置的激光系统

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术领域，特别涉及用于掺钛蓝宝石飞秒激光器的自启动锁模装置和方法以及包括该装置的掺钛蓝宝石飞秒激光系统。

背景技术

掺钛蓝宝石（下文简称为钛宝石）的自锁模现象是由苏格兰的Spence等人于1990年发现的，该技术的问世可以说是完全翻开了超短脉冲激光研究的全新篇章，与传统的主动锁模及被动锁模不同的是，对于某些含有强克尔效应介质的激光振荡器，在特定的腔型结构下，无需采用任何外加的调制或饱和吸收体即可实现稳定的锁模运转，这种简单的结构与具有超宽调谐带宽的钛宝石激光相结合，已经成为当前超短脉冲激光的主流，并已经产生了脉冲宽度低于5fs的超短脉冲激光。

目前这种锁模技术所依赖的基本原理普遍认为是由于固体增益介质在强聚焦泵浦下所形成的克尔效应所致。在非均匀光作用下由于克尔效应介质的折射率由下式表述：

n(r)=n₀+n₂I(r)，

其中n₀为与光强无关的静态折射率，n₂为克尔系数，I(r)为光强分布。这样在泵浦光及振荡光的作用下，介质的折射率分布将沿径向发生变化，增益介质等价为一自聚焦透镜。当振荡激光通过该介质时，较强的光与较弱的光表现为两套不同的聚焦形式，其在腔内各处也表现为不同的光束尺寸。这样，如果在腔内某处加一尺寸合适的硬边光栏使得较强光由于强聚焦引起的传输光束正好通过该光栏，而较弱光的弱聚焦引起的传输光束不能通过，则系统等价于一个快速饱和吸收体。激光经过多次往返振荡达到动态平衡后，稳定的自锁模过程也就建立了起来。

钛宝石飞秒激光振荡器（以下简称为钛宝石激光器）的锁模的启动必须有一个外加的微扰，最典型的方法是推动放置棱镜或者啁啾镜的平移台，改变棱镜的插入量或者啁啾镜的位置，进而改变腔内的模式，从而启动锁模。最一般的推动平移台的方法是打开激光器盖板手动推动，或者转动伸出盖板的平移台微调旋钮，使锁模启动，该手动的方法由于需要打开激光器或者在盖板上打洞使微调器伸出，较为繁琐。如果外界环境扰动较大或者激光器锁模状态不太稳定，则需要频繁地手动启动锁模，这无形中增加了激光器用户工作的复杂程度，降低了工作效率。与此同时，由于空气扰动、人员走动、讲话等会造成激光器内机械元件的轻微抖动，导致激光的输出功率逐渐减弱甚至降为零，即，使得钛宝石锁模激光器长期稳定性较差。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种用于钛宝石激光器的自启动锁模装置和方法，其能够自动地将激光器长期保持在稳定锁模状态而无需任何人工操作，并且本发明的目的还在于提供一种包括该自启动锁模装置的钛宝石激光系统。

在本发明的第一方面，提供了一种用于钛宝石激光器的自启动锁模装置，所述激光器包括安装有反射镜的反射镜调节架和固定有色散补偿元件的平移台，所述自启动锁模装置包括：压电陶瓷，其安装在所述反射镜调节架上，用于分别调节反射镜的水平和竖直姿态；电磁铁，其安装至所述平移台，用于在通电时使所述平移台移动从而启动所述激光器的锁模；以及控制器，其与所述压电陶瓷和电磁铁电连接，并且根据接收到的所述激光器的输出激光的电流信号和监测到的激光功率来控制所述压电陶瓷和所述电磁铁。

在一个实施例中，所述控制器包括判断模块和电磁铁驱动模块，所述判断模块根据所述激光的电流信号和激光功率来判断激光器是否已经锁模并监测功率变化，并将所述判断结果分别传送至电磁铁驱动模块和压电陶瓷以分别根据来自判断模块的判断结果来控制电磁铁的驱动和压电陶瓷上的电压。

可选地，所述控制器还包括射频放大模块，用于对所述电流信号进行放大。

可选地，所述控制器还包括电压放大模块，用于对激光功率的电压信号进行放大。

在一个实施例中，所述控制器还包括：数字/模拟转换模块，用于将激光功率的电压信号转换为模拟信号并传送至所述判断模块；以及模拟/数字转换模块，用于将从判断模块输出的模拟电压信号转换为数字信号并传送至压电陶瓷。

在一个实施例中，当接收到的所述电流信号不是锁模信号并且所述激光功率不保持在最大值时，所述控制器使电磁铁通电并且调节所述压电陶瓷上的电压，而当接收到的所述电流信号为锁模信号并且监测到的所述激光功率保持在最大值时，所述控制器停止调节所述压电陶瓷并且停止给所述电磁铁供电。

在本发明的另一方面，提供了一种钛宝石激光系统，其包括钛宝石激光器以及如上所述的自启动锁模装置。