一种混合腔锁模激光振荡器及其输出激光的方法技术

本发明专利技术涉及一种混合腔锁模激光振荡器及其输出激光的方法，该激光振荡器包括：激光晶体位于凹柱面与凸柱面反射镜之间；平面反射镜接收由激光晶体散射的光，半导体饱和吸收镜接收平面反射镜的光；匹配透镜在半导体饱和吸收镜与平面反射镜之间；泵浦光形成光斑，透过凹柱面反射镜后从凸柱面反射镜一侧输出,还包括一种输出激光的方法，该方法包括：当调腔时，遮挡半导体饱和吸收镜，第二非稳腔处于稳定状态，激光输出从凸柱面反射镜输出。通过本发明专利技术在水平方向使用非稳腔结构，此方向的光束质量为近衍射极限输出，在竖直方向仍然是稳腔结构，腔内模场面积增加，同样功率水平下腔内光强减弱，保持光束质量的前提下，产生更高的输出功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光振荡器的
，尤其涉及了一种混合腔锁模激光振荡器及其输出激光的方法。
技术介绍
现有的大功率超短脉冲激光器结构复杂、光束质量随逐级放大逐渐劣化,这是因为，现有的锁模振荡器都是小型的稳腔振荡器,由于这种振荡器输出功率不高，所以需要增加一级或多级放大器以获得更高功率的脉冲输出,在这个过程中，由于热畸变、相差等原因，光束质量逐渐劣化,由于目前技术水平限制，锁模激光器的核心部件SESAM通常很昂贵，且体积小(一片3mmx3mm大小的SESAM价格在3000欧元左右)，所以现在的所模振荡器多使用稳腔振荡器，这样只需要2x2mm的SESAM作为后腔镜即可,SESAM的饱和通量一般约为100uJ/cm2，由于稳腔设计，SESAM常作为后腔镜，光斑大小直径约为500um,SESAM通常工作在5倍饱和通量的区间,那么，一个稳腔锁模振荡器腔内脉冲能量约为0.19uJ,输出镜如果为2％的输出率，那么输出脉冲能量为3.8pJ,即使对于1GHz的振荡器，他的输出功率也仅为3.8W,另外还因为大功率的稳腔，热透镜效应严重，极大地降低了光束质量，故稳腔结构从根本上就不适合大功率输出,不但如此，超快激光的克尔效应原本就比连续光严重，而在低输出率的稳腔中，由于腔内光强更强，腔内克尔效应也因此更加严重,并且,现有的锁模稳腔振荡器加放大器输出系统结构复杂，体积大，且多级放大过程中光束质量无法保证,所以如何能够保证SESAM上的光通量不增加，且同时提高输出的脉冲功率，这是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是由于目前的锁模稳腔振荡器加放大器的输出系统结构复杂，体积大，且多级放大过程中光束质量无法保证。为解决上面的技术问题，本专利技术提供了一种混合腔锁模激光振荡器，一种混合腔锁模激光振荡器，该激光振荡器包括：激光晶体、匹配透镜、半导体饱和吸收镜、平面反射镜、凹柱面反射镜、凸柱面反射镜；凹柱面反射镜和凸柱面反射镜组成腔体，激光晶体放置在所述腔体内部；激光晶体、凹柱面反射镜与凸柱面反射镜依次沿光轴方向设置；激光晶体、凹柱面反射镜与凸柱面反射镜三者在x方向上的高度依次降低；半导体饱和吸收镜与平面反射镜在垂直方向上相对放置，且半导体饱和吸收镜和平面反射镜之间固定有匹配透镜。本专利技术的有益效果是：在慢方向的非稳腔结构能够保证该方向近衍射极限的光束质量输出，在快方向可以通过匹配泵浦体积与激光腔模体积达到近衍射极限输出，在光轴位置放置的半导体饱和吸收镜可以通过对光轴附近小信号的激光调制，使得整个光腔输出锁模后的激光脉冲能量高，整个系统可以在保证光束质量的前提下，提高锁模脉冲的输出功率。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述的凹柱面反射镜半径为R1，凸柱面反射镜半径为R2，则凹柱面反射镜和凸柱面反射镜之间的距离为L＝(R1-R2)/2。进一步，平面反射镜与光轴成42.5°～47.5°倾角。采用上述进一步方案的有益效果是：在光轴位置，激光晶体前放45°平面反射镜，反射光垂直入射于半导体饱和吸收镜上，半导体饱和吸收镜前有匹配透镜，作为补偿透镜，匹配透镜的焦距为R1，这样经过两次通过匹配透镜，反射光相当于经过了一次半径为R1的凹柱面反射镜的反射。进一步，半导体饱和吸收镜与平面反射镜之间的距离、平面反射镜和凹柱面反射镜之间的距离相等。进一步，匹配透镜的焦距为R1/2。进一步，匹配透镜与半导体饱和吸收镜的距离为3-5mm。进一步，平面反射镜与激光晶体的距离为3-5mm。进一步，凸柱面反射镜与凹柱面反射镜宽度的比值为R2/R1。进一步，半导体饱和吸收镜与凸柱面反射镜组成第一非稳腔。进一步，所述凹柱面反射镜和凸柱面反射镜组成在x方向上的第二非稳腔。上述进一步的有益效果：半导体饱和吸收镜与凸柱面反射镜组成第一非稳腔，第一非稳腔由于使用半导体饱和吸收镜做后腔镜兼输出镜，且在光轴附近，整个结构类似于稳腔结构，因此，此部分输出光是经过半导体饱和吸收镜调制的脉冲输出(从平面反射镜一侧输出，入射到凹柱面反射镜)。且半导体饱和吸收镜的工作机理与稳腔结构中的半导体饱和吸收镜类似，此时，半导体饱和吸收镜上只有整个光腔中的极小部分光强，故并不会增加半导体饱和吸收镜的负载，从而避免了在大功率输出时半导体饱和吸收镜被损坏。本专利技术还涉及一种混合腔锁模激光振荡器调节光输出方法，该方法包括：该方法包括：当调腔时，遮挡半导体饱和吸收镜，凹柱面反射镜和凸柱面反射镜组成在x方向上的第二非稳腔，且第二非稳腔处于稳定状态，使得激光在x方向上为慢方向基模，激光从凸柱面反射镜旁侧输出进一步，调整泵浦光聚焦在激光晶体y方向上的光斑，使得泵浦体积与腔模体积匹配，则激光在y方向上为快方向基模，且激光输出为近衍射极限，激光从凸柱面反射镜旁侧输出。有益效果：是由于泵浦光吸收产热导致的折射率变化，从而造成的透镜效果，保证了凹柱面反射镜、凸柱面反射镜两个柱面镜能够和激光晶体一起组成一个稳腔结构，只要调整泵浦光在晶体快方向的大小，保证泵浦体积与腔模体积匹配，就可以保证在快方向上也能有近衍射极限输出。附图说明图1为本专利技术的在x-z平面内光路示意图；图2为本专利技术的在y-z平面内光路示意图；附图：1、凹柱面反射镜，2、光轴，3、平面反射镜，4、凸柱面反射镜，5、半导体饱和吸收镜，6、匹配透镜，7、激光晶体。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。如附图1和图2所示的，一种混合腔锁模激光振荡器，该激光振荡器包括：激光晶体7、匹配透镜6、半导体饱和吸收镜5、平面反射镜3、凹柱面反射镜1、凸柱面反射镜4；凹柱面反射镜1和凸柱面反射镜4组成腔体，激光晶体7放置在所述腔体中心位置；激光晶体7凹柱面反射镜1与凸柱面反射镜4均位于光轴上；半导体饱和吸收镜5垂直对应平面反射镜3；沿光线路程，匹配透镜6前置在半导体饱和吸收镜5；泵浦光由激光二极管发射出来经过泵浦形成光斑，透过凹柱面反射镜1照射在激光晶体7表面，平面反射镜3接收由激光晶体7散射的光，部分光在所述的腔体内震荡后经凸柱面反射镜4一侧输出；部分光由平面反射镜3将接收的光垂直入射于半导体饱和吸收镜5；半导体饱和吸收镜5反射的光经匹配透镜6后在所述腔体内震荡，震荡后经凸柱面反射镜4一侧输出。在慢方向的非稳腔结构能够保证该方向近衍射极限的光束质量输出，在快方向可以通过匹配泵浦体积与激光腔模体积达到近衍射极限输出，在光轴位置放置的半导体饱和吸收镜5可以通过对光轴附近小信号的激光调制，使得整个光腔输出锁模后的激光脉冲能量高，整个系统可以在保证光束质量的前提下，提高锁模脉冲的输出功率。凹柱面反射镜1半径假设为R1，凸柱面反射镜4半径假设为R2，则凹柱面反射镜1和凸柱面反射镜4之间的距离为L＝(R1-R2)/2。激光晶体7前放置平面反射镜3，放置的平面反射镜3的角度为45°，激光晶体7：可以根据实验自行选择高增益、宽谱线的激光晶体7，晶体宽度要大于泵浦宽度(x方向)；厚度要为泵浦焦点光腰2倍左右(y方向)，一般为1mm；长度设计考虑到泵浦焦斑的锐利长度，选择10-12mm较合适,通常，凹柱面反射镜1要比激光晶体7宽。比如这里我们选用的是14mm宽的激光晶体7，那么凹柱面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合腔锁模激光振荡器，其特征在于,该激光振荡器包括：激光晶体(7)、匹配透镜(6)、半导体饱和吸收镜(5)、平面反射镜(3)、凹柱面反射镜(1)、凸柱面反射镜(4)；凹柱面反射镜(1)和凸柱面反射镜(4)组成腔体，激光晶体(7)放置在所述腔体内部；激光晶体(7)、凹柱面反射镜(1)与凸柱面反射镜(4)依次沿光轴方向设置；激光晶体(7)、凹柱面反射镜(1)与凸柱面反射镜(4)三者在x方向上的高度依次降低；半导体饱和吸收镜(5)与平面反射镜(3)在垂直方向上相对放置，且半导体饱和吸收镜(5)和平面反射镜(3)之间固定有匹配透镜(6)。

【技术特征摘要】
1.一种混合腔锁模激光振荡器，其特征在于,该激光振荡器包括：激光晶体(7)、匹配透镜(6)、半导体饱和吸收镜(5)、平面反射镜(3)、凹柱面反射镜(1)、凸柱面反射镜(4)；凹柱面反射镜(1)和凸柱面反射镜(4)组成腔体，激光晶体(7)放置在所述腔体内部；激光晶体(7)、凹柱面反射镜(1)与凸柱面反射镜(4)依次沿光轴方向设置；激光晶体(7)、凹柱面反射镜(1)与凸柱面反射镜(4)三者在x方向上的高度依次降低；半导体饱和吸收镜(5)与平面反射镜(3)在垂直方向上相对放置，且半导体饱和吸收镜(5)和平面反射镜(3)之间固定有匹配透镜(6)。2.根据权利要求1所述的一种混合腔锁模激光振荡器，其特征在于，所述的凹柱面反射镜(1)半径为R1，凸柱面反射镜(4)半径为R2，则凹柱面反射镜(1)和凸柱面反射镜(4)之间的距离为L＝(R1-R2)/2。3.根据权利要求2所述的一种混合腔锁模激光振荡器，其特征在于，平面反射镜(3)与光轴成42.5°～47.5°倾角。4.根据权利要求3所述的一种混合腔锁模激光振荡器，其特征在于，半导体饱和吸收镜(5)与平面反射镜(3)之间的距离、平面反射镜(3)和凹柱面反射镜(1)之间的距离相等。5.根据权利要求1所述的一种混合腔锁模激光振荡器，其特征在于，匹配透镜(6)的焦距为R1/2。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勤勇，刘晓萌，
申请(专利权)人：北京应用物理与计算数学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11