级联超晶格锁模激光器的构造方法技术

级联超晶格锁模激光器的构造方法，级联的光学超晶格作为非线性晶体，利用两段或多段畴结构级联光学超晶格中的级联二阶非线性效应，产生等效的三阶非线性效应，通过控温炉控制光学超晶格的温度，使非线性晶体工作在相位匹配点；调整谐振腔，达到非线性频率转换的要求；设置激光器谐振腔内的光阑位置，使光阑处的光斑半径随泵浦功率的增大而减少，光阑实现非线性损耗调制，空间相位调制转化为强度调制，实现锁模激光输出。本发明专利技术可以获得更大的非线性损耗系数，从而可以支持得到较大稳区范围的锁模运转，实现锁模激光的自启动，光斑质量，稳定性与光光转换效率都得到提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光器
，涉及锁模激光器，具体为一种级联超晶格锁模激光 器的构造方法。
技术介绍
全固态皮秒激光器在非线性频率变换、工业加工、光谱学、医疗诊断等领域都有广 泛的应用，并且可以为再生放大器提供优秀的皮秒种子源[1]。例如，在微加工领域，相对于 纳秒激光器有更小的热烧蚀，可以用于精细加工；在非线性频率变换领域，相对于半导体泵 浦的全固态调Q纳秒激光器，在相同的平均功率下，可以提供更大的峰值功率，获得高的非 线性转换效率。例如，利用非线性晶体锁模的固体激光器，通过腔内或腔外的倍频、和频技 术，更易于获得红绿蓝三基色输出，作为激光显示的光源[2]等等。实现皮秒锁模激光的方 法有克尔透镜锁模、附加脉冲锁模、半导体可饱和吸收体锁模和级联二阶非线性锁模等。克 尔透镜锁模是利用激光介质的非线性三阶克尔效应引起的自聚焦与腔内光阑的相互作用 实现锁模，由于克尔透镜效应引入的非线性损耗太小，一般不能应用于低峰值功率运转的 固体激光器中，并且不能自启动；附加脉冲锁模激光器可以得到较短脉冲，但必须依靠反馈 电路对腔长精准控制，结构复杂；饱和吸收体锁模自1992年专利技术以来，由于结构简单、性能 稳定得到广泛的应用，但饱和吸收体材料的生长需要复杂的半导体工艺，且抗损伤阈值低， 吸收体带宽与工作波长也受到半导体材料和结构的制约；级联二阶非线性锁模使用非线性 晶体，适用的波长范围广，时间响应快，能获得较短脉冲，不需要精确的腔长控制，且抗损伤 阈值高。自级联二阶非线性锁模提出，发展状况如下1995 年，G. Cerullo，V. Magni 等人[3]在 Optics Letters 上发表了 Self-starting modelocking of a cw Nd:YAG laser using cascaded second-order nonlinearities”，作者首次采用钛宝石激光器泵浦IOmm长的Nd: YAG棒，使用15mm长的非 临界位相匹配的LBO作倍频晶体，得到平均功率0. 5W的锁模脉冲输出，脉宽14皮秒，重复 频率 71. 5MHz。1998 年，V. Magni 等人在 Optics commutications 上发表了 NchYVO4 laser modelocked by cascading of second order nonlinearities，，，作者首次米用 II 类匹配 KTP晶体[4]，配合钛宝石激光器泵浦NchYVO4系统，得到脉宽6. 8皮秒锁模脉冲输出。2005 ^Ξ, S. J. Holmgren, V. Pasiskevicius ^Λ Optics ExpressGenerationof 2.8 ps pulses by mode-locking a Nd:GdVO4 laser with defocusing cascaded Kerr lensingin periodically poled KTP，，，作者采用 808nm半导体激光器泵浦 NdiGdVO40用2. 3mm长的PPKTP作倍频晶体，得到平均功率350mW的连续锁模脉冲输出，线 宽0. 6nm,重复频率200MHz，脉宽2. 8皮秒[5]。2010 年，Hristo Iliev 等人在 Optics Express 上发表了Passive mode-locking of adiode-pumped Nd: YVO4 laser by intracavity SHG in PPKTP，，、Optics Letters 上 发表了“High-power picosecond Nd:GdVO4 laser mode locked by SHG in periodicallypoledstoichiometric lithium tantalite”两篇文章分别采用 PPKTP，PPMgSLT 为非线性 晶体[6，7]，得到最高功率5W的锁模脉冲输出，光光转换效率为21. 5%。级联二阶非线性锁模发展至今，无论使用双折射位相匹配材料或准位相匹配材料 作为非线性晶体，都是使非线性晶体工作在相位失配点，由级联二阶非线性效应产生非线 性相移，通过改变波矢失配Ak的正负来改变非线性相移的符号，非线性相移为正对应自 聚焦效应，非线性相移为负对应自散焦效应。非线性相移为负时，配合腔内光阑(软或硬 光阑)，使光阑处的光斑半径随腔内功率的增大而减小，类似于克尔透镜，实现锁模运转。 由于非线性晶体工作在相位失配状态，引入的非线性相移偏小，调制深度不足，使得锁模激 光输出在通常状态下不能自启动与维持，因此激光器都工作在输出功率随泵浦功的增大而 减小的稳区边缘，稳定工作的区域变小，直接影响了光斑质量、输出功率以及稳定性。像 S. J. Holmgren等人提到锁模发生时，光斑在远场可以看到明显的衍射环，输出功率急剧下 降，光光转换效率偏低，很难得到大功率、高光束质量的锁模输出[5]。1. D. Burns, G. J. Valentine, W. Lubeigt, Ε. Bente, and Α. I. Ferguson, [J]· Proceedings of SPIE4629,129(2002).2. Brunner Felix, Innerhofer Edith ； , Marchese Sergio V, Siidmeyer Thomas, PaschottaRiidiger, Usami Takeshi, Ito Hiromasa, Kurimura Sunao, Kitamura Kenji, ArishoImGunnar, and Keller Ursula, Optics Letters 29,1921 (2004).3. G. Cerullo, S. De Silvestri, A. Monguzzi, D. Segala, and V. Magni, Optics Letters 20,746(1995).4. V. Magni, and M. Zavelani-Rossi, Optics Communications 152,45 (1998).5. S. J. Holmgren, V. Pasiskevicius, and F. Laure 11, Opt. Express 13, 5270(2005).6. Hristo Iliev, Danail Chuchmishev,Ivan Buchvarov, and Valentin Petrov, Opt.Expressl8,5754(2010).7. Hristo Iliev, Ivan Buchvarov, Sunao Kurimura, and Valentin Petrov, Optics Letters 35,1016(2010).
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是工作在相位失配状态下的级联二阶非线性锁模激光器对 腔的要求高，输出光斑质量差，光光转换效率较低，且锁模的稳区较小。本专利技术的目的在于 提出一种基于在完全相位匹配条件下，利用级联结构的光学超晶格作为非线性晶体，提高 锁模激光器的输出光束质量和稳定性的方案。本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
级联超晶格锁模激光器的构造方法，其特征是锁模激光器包括泵浦光源、谐振腔、控温炉和级联的光学超晶格，级联的光学超晶格作为非线性晶体，利用两段或多段畴结构级联光学超晶格中的级联二阶非线性效应，产生等效的三阶非线性效应，实现非线性过程，对基波光的空间相位进行调制，其中级联的光学超晶格每段的周期一致，各段之间的间隔相同，通过控温炉控制光学超晶格的温度，使非线性晶体工作在相位匹配点；调整谐振腔，使激光晶体处基模的光斑半径大于泵浦的光斑半径，非线性晶体处的光斑半径为５０－１００ｕｍ，使光强为ＭＷ／ｃｍ↑［２］的量级，达到非线性频率转换的要求；设置激光器谐振腔内的光阑位置，使光阑处的光斑半径随泵浦功率的增大而减少，光阑实现非线性损耗调制，空间相位调制转化为强度调制，实现锁模激光输出。

【技术特征摘要】
级联超晶格锁模激光器的构造方法，其特征是锁模激光器包括泵浦光源、谐振腔、控温炉和级联的光学超晶格，级联的光学超晶格作为非线性晶体，利用两段或多段畴结构级联光学超晶格中的级联二阶非线性效应，产生等效的三阶非线性效应，实现非线性过程，对基波光的空间相位进行调制，其中级联的光学超晶格每段的周期一致，各段之间的间隔相同，通过控温炉控制光学超晶格的温度，使非线性晶体工作在相位匹配点；调整谐振腔，使激光晶体处基模的光斑半径大于泵浦的光斑半径，非线性晶体处的光斑半径为50 100um，使光强为MW/cm2的量级，达到非线性频率转换的要求；设置激光器谐振腔内的光阑位置，使光阑处的光斑半径随泵浦功率的增大而减少，光阑实现非线性损耗调制，空间相位调制转化为强度调制，实现锁模激光输出。2.根据权利要求1所述的级联超晶格锁模激光器的构造方法，其特征是级联的光学超 晶格结构中，单段畴为扇形结构或者啁啾结构，用于拓展倍频过程的温度带宽，实现稳定的 锁模输出。3.根据权利要求1或2所述的级联超晶格锁模激光器的构造方法，其特征是两段级联 的光学超晶格结构的非线性过程由倍频过程扩展为和频、差频和参量过程。4.根据权利要求1或2所述的级联超晶格锁模激光器的构造方法，其特征是谐振腔采 用四镜折叠腔结构，由两个平镜、两个凹镜组成，输出和输入腔镜为平镜，两折叠镜为凹镜； 控温炉的控制精度为0. 1°C。5.根据权利要求3所述的级联超晶格锁模激光器的构造方法，其特征是谐振腔采用四 镜折叠腔结构，由两个平镜、两个凹镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳花，谢臻达，吕新杰，胡小鹏，祝世宁，潘淑娣，赵刚，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]