[发明专利]一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器

说明书

本发明属于激光二极管泵浦的超快激光技术领域，公开了一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器，包括：LD泵浦源；从泵浦源发出激光经过准直聚焦镜后入射到Yb激光晶体，增益激光起振后入射到第二凹面镜，并被第二凹面镜、第一GTI镜、第二GTI镜和第三凹面镜依次反射；通过布儒斯特角摆放的克尔介质入射到第四凹面镜；第四凹面镜反射到平面反射镜，平面反射镜反射激光并将其原路返回，到达双色镜，并依次被双色镜和第一凹面镜反射；通过一个小孔到达输出镜。本发明首次实现LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模全固态激光器，获得脉冲宽度小于100fs、平均功率大于1W的超短激光脉冲输出，与现有技术相比输出功率有了显著的提高。

技术领域

本发明属于LD(Laser Diode，激光二极管)泵浦的超快激光技术领域，尤其涉及一种LD泵浦的高功率克尔透镜自锁模激光器。

背景技术

自从激光诞生以来，追求更短的脉冲宽度一直是人们努力追求的目标。超短的脉冲宽度使得快速时间分辨成为可能，类似于闪光灯捕捉高速的动作一样，超短脉冲激光也能“冻结”像分子或电子这样超快运动的物体，因此可以探测化学反应动力学和高速运动电子的电光采样。利用超短脉冲激光，分子分解动力学和更多复杂的化学反应动力学过程可以被观测。同时，时域上超短的脉冲宽度对应着频域上宽带的光谱，使得更精细的空间分辨成为可能。1991年，英国的D.E.Spence等人首次采用自锁模技术实现了脉冲宽度为60fs的掺钛蓝宝石飞秒振荡器(D.E.Spence et al.,Opt.Lett.16,42(1991))，腔内不需要任何锁模元件，仅利用增益介质本身的克尔效应作为可饱和吸收体，在一定结构下即可实现稳定的自锁模运转，这种新的锁模机制称为克尔透镜锁模，它成为掺钛蓝宝石飞秒振荡器发展过程中的里程碑。利用克尔透镜锁模，掺钛蓝宝石飞秒振荡器目前已经实现了周期量级脉冲宽度的飞秒脉冲输出。虽然克尔透镜锁模掺钛蓝宝石飞秒振荡器取得了辉煌的成就，但是它也存在着一些固有的缺点，例如成本高昂，结构复杂庞大，限制了掺钛蓝宝石飞秒激光器的应用，使得掺钛蓝宝石飞秒激光器的应用只局限在一些大型的实验室中，不能获得广泛的应用。基于这种状况，LD泵浦的全固态飞秒激光器应运而生，采用LD泵浦具有成本低廉，结构简单紧凑等优点，有利于飞秒激光器的广泛应用。同时，采用LD泵浦具有亮度高，功率大等优点，十分适合高功率飞秒激光的输出，在国防、工业、医疗以及科研等领域有着十分重要的应用。随着高功率、高亮度的LD的发展，各种全固态晶体、陶瓷以及其他材料被用作于产生飞秒激光的研究当中。在众多的材料当中，掺杂Yb³⁺离子的激光晶体具有很大的优势，这种晶体具有很多优良的特性，例如没有激发态的吸收、没有交叉弛豫，很高的量子效率，很小的量子亏损，很长的荧光寿命以及具有很宽的发射带宽。利用高亮度LD作为泵浦源，利用克尔透镜效应，人们已经在多种掺镱激光晶体如Yb:LYSO(W.Tian etal.Opt.Express 22(16),19040-19046(2014))、Yb:YGG(J.Zhang et al.Optics Express21,29867-29873(2013).)和Yb:KYW(H.Liu et al.Opt.Lett.26,1723-1725(2001).)等中实现了亚100fs的超短脉冲产生。但是为了实现克尔透镜锁模，要求使用高亮度的LD泵浦源(耦合光纤芯径为50微米)，而这种泵浦源的输出功率不超过8W，大大的限制了克尔透镜锁模脉冲的平均功率。目前从LD泵浦的克尔透镜锁模全固态激光器中输出的亚百飞秒超短脉冲，其平均功率只有百毫瓦量级。以Yb:CYA晶体为例，Yb:CYA晶体的发射光谱半高宽约为77nm，非常有利于产生亚50fs超短脉冲。而且Yb:CYA晶体的热力学性能也比较优良。在301K下，掺杂浓度为1at.％的Yb:CYA晶体的比热容为0.593Jg-1K-1，这与Nd:YAG的比热容基本相同，并且在温度变化时，其比热容值基本保持不变。Yb:CYA晶体较高的比热容值也预示着该晶体具有较高的光学破坏阈值。Yb:CYA晶体的热导率为3.6Wm/K，而Yb:CYA晶体的发射截面值为0.8×10-20cm2。因此Yb:CYA晶体是能够同时兼顾高平均功率和窄脉冲宽度输出的优秀激光介质，非常具有潜力直接输出平均功率大于1W的亚100fs超短脉冲。然而尽管LD泵浦的Yb:CYA克尔透镜锁模激光器可以产生短至33fs的自锁模脉冲，但其平均功率仅仅只有36mW(Z.Y.Gao et al.Photonics Research,3(6):335-338(2015).)。即使利用单模光纤激光器作为泵浦源，克尔透镜锁模的Yb:CYA振荡器目前输出的57fs脉冲平均功率也只有250mW(Z.J.Yu et al.Optics Express,24(3):3103-3111(2016).)。