一种高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器

摘要

本发明公开一种高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，包括泵浦源、激光谐振腔、光学调节系统，激光谐振腔至少包括一个激光增益介质和一个输出镜，激光增益介质为薄片掺钛蓝宝石晶体，薄片掺钛蓝宝石晶体的前表面镀有可使泵浦激光和振荡激光在垂直入射下增透的双色高阈值介质膜，后表面镀有可使泵浦激光和振荡激光在垂直入射下全反的双色高阈值介质膜，光学调节系统包括至少一个无氧铜的旋转台，薄片掺钛蓝宝石晶体镀有全反双色高阈值介质膜的一侧用焊料焊在旋转台上，旋转台固定在一个外接循环水并可以调节俯仰和角度的热沉上，旋转台与热沉之间设有TEC致冷片。本发明结构简单，且输出激光转换效率高，能量稳定，光束质量好。

权利要求

1.一种高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，包括泵浦源、激光谐振腔、光学调节系统，所述激光谐振腔至少包括一个激光增益介质和一个输出镜，其特征在于，所述激光增益介质为薄片掺钛蓝宝石晶体，所述薄片掺钛蓝宝石晶体的前表面镀有可使泵浦激光和振荡激光在垂直入射下增透的双色高阈值介质膜，后表面镀有可使泵浦激光和振荡激光在垂直入射下全反的双色高阈值介质膜，所述光学调节系统包括至少一个无氧铜的旋转台，所述薄片掺钛蓝宝石晶体镀有全反双色高阈值介质膜的一侧用焊料焊在所述旋转台上，所述旋转台固定在一个外接循环水并可以调节俯仰和角度的热沉上，旋转台与热沉之间设有TEC致冷片。

2.根据权利要求1所述的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，当所述激光谐振腔为线性折叠腔或环形腔时，需要增加若干反射镜作为腔镜，反射镜既作为折叠镜或作为端镜使用。

3.根据权利要求1所述的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，所述TEC致冷片的冷却温度为-40℃～15℃之间，当温度在零摄氏度以下时，需要将所述薄片掺钛蓝宝石晶体封装在真空室中。

4.根据权利要求1所述的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，所述输出镜为平面镜或曲率半径较长的凹面镜或凸面镜。

5.根据权利要求1所述的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，所述泵浦源为任意脉冲的绿光激光器，采用端面泵浦的方式。

6.根据权利要求5所述的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，所述任意脉冲的绿光激光器具体为倍频Nd:YAG激光器或倍频Nd:YLF激光器。

7.根据权利要求1所述的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，所述谐振腔为线性腔或环形腔。

8.根据权利要求1所述的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，所述激光谐振腔内还设有波长调谐元件，对激光实现中心波长和带宽的调谐。

说明书

一种高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器

技术领域

[0001] 本发明属于固体激光技术，具体涉及一种新型的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光装置。

背景技术

[0002] 超短超强激光是近十年来激光技术和物理学最前沿的研究内容之一，由于这一研22 2
究领域的持续快速发展，目前人们在实验室已经得到聚焦功率密度大于10 W/cm 的光场强度。在这种超高强度光场的作用下，物质将表现出前所未有的极端非线性效应，并导致许多全新的物理现象和物理问题，从而为人们取得创新的学术思想提供了重要的前沿研究平台。基于啁啾脉冲放大技术的掺钛蓝宝石激光放大装置，因其增益高、输出能量大以及性能稳定可靠等优点，已成为超短超强激光脉冲的标准台面来源，在强场科学领域具有极其广泛和重要的研究及应用价值

[0003] 依据不同的能量输出要求，激光放大装置可能有多级组成，基本可分为预放大和主放大，前者属于小信号放大，后者则属于强信号放大。预放大器一般分为再生放大和多通放大，其将经过展宽后的锁模激光直接放大，能够把nJ量级的脉冲能量放大到mJ量级，6 7
放大比达到10 ～10 量级。为了提高增益，同时也为降低激光脉冲(包括泵浦光和振荡光)对增益晶体表面的破坏，人们在放大器中使用的掺钛蓝宝石晶体长度一般都在10mm以上。放大过程中，当泵浦激光脉冲注入掺钛蓝宝石晶体后，至少有30％的泵浦能量转换为热能沉积在晶体中( )[文献1，V.Ramanathan，J.Lee，
S.B.Xu，X.M.Wang，L.Williams，W.Malphurs，and D.H.Reitze，“Analysis ofthermal aberrations in a high average power singlestage Ti：sapphireregenerative chirped pulse amplifier：Simulation and experimen”，Review ofScientific Instruments
77103103(2006)，文献2，G.Wagner，M.Shiler，and V.Wulfmeyer，“Simulations of thermal lensing of a Ti：Sapphire crysrtalend-pumped with high average power”，Optics Express 138045(2005)]，热源与泵浦激光在晶体中的空间分布相同，由于激光介质激活区内温度的不均匀分布会产生如热透镜、热致双折射等热效应，这些效应会导致腔内光斑模式的畸变，从而导致最终输出激光的光束质量以及脉冲能量的降低[文献3，W.Koechner，Solid-State Laser Engineering，3rd ed.，SpringerSeries in Optical Sciences，Berlin，Germany：Springer- Verlag(1992)]，严重时由于聚焦效应会导致晶体及仪器的损坏。因此高效率的散热和对激光介质激活区内温度差造成的热效应的消除，通常是设计激光器，尤其是大能量、高重复频率激光系统时需要考虑的重要因素之一。

[0004] 为尽可能的减小热效应的影响，人们曾采取多种措施对激光放大器内的掺钛蓝宝石晶体进行致冷，如水循环冷却、热电致冷[文献4，N.Zhavoronkov and G.Korn，“Regenerative amplification of femtosecond laserpulses in Ti：sapphire at multikilohertz repetition rates” Opt.Lett.29 198(2004)]甚至于利用复杂的液氮杜瓦装置进行冷却[文献5，S.Backus，R.Bartels，S.Thompson，R.Dollinger，H.C.Kapteyn，and M.M.Murnane，“High-efficiency，single-stage 7-kHz high-average-power ultrafast lasersystem”，Opt.Lett 26465(2001)]等等，但晶体内部的热传导毕竟是需要一定时间的，因此其内部的温度梯度依旧存在，不能完全消除热透镜现象。

发明内容

[0005] 针对现有的毫焦耳级输出能量的掺钛蓝宝石激光装置存在的上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，操作方便的高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，并且能够有效消除晶体内热效应的影响，从而提高最终输出激光的光束质量以及脉冲能量。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种高光束质量的脉冲掺钛蓝宝石激光器，包括泵浦源、激光谐振腔、光学调节系统，所述激光谐振腔至少包括一个激光增益介质和一个输出镜，所述激光增益介质为薄片掺钛蓝宝石晶体，所述薄片掺钛蓝宝石晶体的前表面镀有可使泵浦激光和振荡激光在垂直入射下增透的双色高阈值介质膜，后表面镀有可使泵浦激光和振荡激光在垂直入射下全反的双色高阈值介质膜，所述光学调节系统包括至少一个无氧铜的旋转台，所述薄片掺钛蓝宝石晶体镀有全反双色高阈值介质膜的一侧用焊料焊在所述旋转台上，所述旋转台固定在一个外接循环水并可以调节俯仰和角度的热沉上，旋转台与热沉之间设有TEC致冷片。

[0007] 进一步，当所述激光谐振腔为线性折叠腔或环形腔时，需要增加若干反射镜作为腔镜，反射镜既作为折叠镜或作为端镜使用。。

[0008] 进一步，所述TEC致冷片的冷却温度为-40℃～15℃之间，当温度在零摄氏度以下时，需要将所述薄片掺钛蓝宝石晶体封装在真空室中。

[0009] 进一步，所述输出镜为平面镜或曲率半径较长的凹面镜或凸面镜。

[0010] 进一步，所述泵浦源为任意脉冲的绿光激光器，采用端面泵浦的方式。

[0011] 进一步，所述任意脉冲的绿光激光器具体为倍频Nd:YAG激光器或倍频Nd:YLF激光器。

[0012] 进一步，所述谐振腔为线性腔或环形腔。

[0013] 进一步，所述激光谐振腔内还设有波长调谐元件，对激光实现中心波长和带宽的调谐。

[0014] 本发明提供了一种利用薄片掺钛蓝宝石晶体作为激光增益介质的新方法，相比于传统的块状或棒状掺钛蓝宝石晶体，薄片掺钛蓝宝石晶体可以有效散热，避免热透镜效应的产生。薄片的其中一个表面镀有泵浦激光和振荡激光在垂直入射下全反的双色高阈值介质膜，在激光腔中可作为全反镜使用，减少了光学元件的数量，简化了腔型。与采用传统透射式块状或棒状增益晶体得到毫焦耳级能量输出的钛宝石激光器相比，本发明结构简单，激光腔仅包含一个掺钛蓝宝石薄片和一个输出镜，仅需调节少数几个光学元件就可得到毫焦耳级能量的钛宝石激光输出，且输出激光转换效率高，能量稳定，光束质量好。

[0015] 附图说明

[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

[0017] 图1是本发明实施例1和实施例2的结构示意图；

[0018] 图2是本发明实施例3、实施例4和实施例5的结构示意图；

[0019] 图3是本发明实施例6的结构示意图；

[0020] 图4是本发明实施例7的结构示意图；

[0021] 图5是本发明实施例8的结构示意图；

[0022] 图6是本发明薄片掺钛蓝宝石晶体的冷却结构示意图。

具体实施方式

[0023] 实施例1：

[0024] 如图1所示，激光谐振腔由薄片掺钛蓝宝石晶体2和平面输出镜3构成。如图6所示，薄片掺钛蓝宝石晶体2，尺寸为Φ6mm ×2mm，前表面21作为激光的透射面，镀有垂直入射下对520nm～540nm和750nm～850nm波段增透的双色高阈值介质膜，后表面22作为激光的反射面，镀有垂直入射下对520nm～540nm和750nm～850nm波段全反的双色高阈值介质膜。薄片掺钛蓝宝石晶体2在激光腔中不仅作为增益介质，其后表面亦作为平面全反腔镜。如图6所示，用铟或金作为焊料将薄片掺钛蓝宝石晶体2镀有全反膜的一面焊在一个无氧铜旋转台101上。旋转台101固定在可以调节俯仰和角度的热沉102上，热沉102的两端用橡皮管接入水冷循环，进水管为104，出水管为105。旋转台与热沉之间是一块TEC(Thermoelectric cooling，热电冷却)致冷片103，致冷片103外接恒流电源致冷，并由控温装置将冷却温度控制在10℃。平面输出镜3为平面融石英晶片，镀有垂直入射下在750nm～850nm波段透过率为20％的高阈值介质膜，置于二维可调的微调架上。两个平面全反镜组成爬高器7，镀有45°入射角下对520nm～540nm波段全反的高阈值介质膜，泵浦激光器1输出的激光经由爬高器反射后，光高降低至65mm。平面全反镜4、5镀有45°入射角下对520nm～540nm波段全反的高阈值介质膜，置于二维可调的微调架上，调节平面全反镜4、5的位置，使泵浦激光入射到薄片掺钛蓝宝石晶体2的中心。聚焦透镜6的焦距为
500mm，镀有垂直入射下对520nm～540nm波段增透的高阈值介质膜，置于可调节升降和左右位置的调节架上，调节聚焦透镜6的位置保证泵浦激光入射于薄片掺钛蓝宝石晶体2的中心，且在薄片掺钛蓝宝石晶体2中的光斑直径为2mm左右。沿薄片掺钛蓝宝石晶体2通光面的中心轴线旋转转台，使得薄片掺钛蓝宝石晶体2对泵浦光吸收最强。调节薄片掺钛蓝宝石晶体2和平面输出镜3的位置使两者平行，且振荡激光与入射到薄片掺钛蓝宝石晶体2的泵浦激光夹角小于5°，薄片掺钛蓝宝石晶体2和平面输出镜3之间的距离为300mm，输出激光光高为65mm。

[0025] 泵浦激光器1为Spectra-Physics公司生产的Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)倍频激光器，波长532nm，重复频率10Hz，脉冲宽度7ns。泵浦激光器1输出50mJ能量的泵浦光，可获得8mJ的钛宝石激光输出，重复频率10Hz。泵浦激光采用端面泵浦方式，由聚焦透镜聚焦入射到掺钛蓝宝石薄片中，薄片吸收泵浦光产生受激辐射，未被吸收完全的泵浦光经过掺钛蓝宝石薄片的反射面反射，再次进入掺钛蓝宝石薄片中，被二次吸收。

[0026] TEC致冷可以由控温装置将冷却温度设置在-40℃～15℃之间，温控精度优于±0.50C。当温度在零度以下时，需要将晶体封装在真空室中。致冷装置还可以是水冷装置或风冷装置或其他低温致冷装置

[0027] 激光谐振腔可以是线性腔，也可以是环形腔。当采用线性折叠腔或环形腔时，需要增加若干反射镜作为腔镜，反射镜既可作为折叠镜使用，也可作为端镜使用。根据反射镜在腔内对激光的反射角度，对其镀有0～5°入射角下或45°入射角下对750nm～850nm波段全反的高阈值介质膜。在线性折叠腔或环形腔中，薄片掺钛蓝宝石晶体可以作为小角度折叠镜或反射端镜使用。

[0028] 输出镜也可以采用曲率半径较长的凹面镜或凸面镜。与掺钛蓝宝石薄片的距离根据曲率半径大小需要做相应的调整。

[0029] 也可以采用多块钛宝石晶体作为激光增益介质。例如，对于两块增益晶体，则采用两路泵浦光泵浦。

[0030] 实施例2：

[0031] 如图1所示，泵浦激光器1为Coherent公司生产的Nd:YLF(掺钕氟化钇锂)倍频激光器，波长527nm，重复频率1kHz，脉冲宽度200ns左右。除泵浦激光器1外，其他各元件的具体参数和安装与实施例1相同。调节聚焦透镜6的位置使其与薄片掺钛蓝宝石晶体2的距离为65cm，泵浦激光器1输出8mJ能量的泵浦光，可获得1.5mJ的钛宝石激光输出，重复频率1kHz。

[0032] 实施例3：

[0033] 如图2所示，激光谐振腔由薄片掺钛蓝宝石晶体2、平面输出镜3和凹面镜8构成。凹面镜8的曲率半径为2m，凹面镀有0～5°入射角对750nm～850nm波段全反的高阈值介质膜。除凹面镜8外，其他各元件的具体参数与实施例1相同，安装如图2所示。凹面镜
8置于二维可调的微调架上，调节凹面镜8的位置使其与薄片掺钛蓝宝石晶体2的距离为
54cm，凹面镜8的折叠角小于5°。调节平面输出镜3，使入射光沿原路返回，平面输出镜3与凹面镜8的距离为30cm。

[0034] 调节聚焦透镜6的位置，使其与薄片掺钛蓝宝石晶体2的距离为61cm。泵浦激光器1输出6.5mJ能量的泵浦光，可获得2mJ的钛宝石激光输出，重复频率10Hz。

[0035] 调节聚焦透镜6的位置，使其与薄片掺钛蓝宝石晶体2的距离为62cm。泵浦激光器1输出12mJ能量的泵浦光，可获得3.5mJ的钛宝石激光输出，重复频率10Hz。

[0036] 实施例4：

[0037] 如图2所示，泵浦激光器1为Coherent公司生产的Nd:YLF倍频激光器，波长527nm，重复频率1kHz，脉冲宽度200ns左右。除泵浦激光器1外，其他各元件的具体参数和安装与实施例3相同。调节平面输出镜3的位置使其与凹面镜8的距离为50cm，调节聚焦透镜6的位置使其与薄片掺钛蓝宝石晶体2的距离为71cm。泵浦激光器1输出8mJ能量的泵浦光，可获得2mJ的钛宝石激光输出，重复频率1kHz。

[0038] 实施例5：

[0039] 如图2所示，平面输出镜3镀有垂直入射下在750nm～850nm波段透过率为10％的高阈值介质膜。除平面输出镜3外，其他各元件的具体参数和安装如实施例4。泵浦激光器1输出8mJ能量的泵浦光，可获得2.5mJ的钛宝石激光输出，重复频率1kHz。

[0040] 实施例6：

[0041] 如图3所示，各元件的具体参数与实施例4相同。调节薄片掺钛蓝宝石晶体2使腔内振荡激光的折叠角小于5°，调节平面输出镜3，使入射光沿原路返回，平面输出镜3与薄片掺钛蓝宝石晶体2的距离为42cm，凹面镜8与薄片掺钛蓝宝石晶体2的距离为50cm。泵浦激光器1输出8mJ能量的泵浦光，可获得2.1mJ的钛宝石激光输出，重复频率1kHz。

[0042] 实施例7：

[0043] 如图4所示，激光谐振腔为环形腔，由薄片掺钛蓝宝石晶体2、凹面镜8、反射镜9和平面输出镜3构成。反射镜9镀有0～5°入射角对750nm～850nm波段全反的高阈值介质膜，置于二维可调的微调架上。除反射镜9外，其他各元件的具体参数与实施例4相同。调节腔内各元件，使各自的折叠角均小于5°，薄片掺钛蓝宝石晶体2与凹面镜8距离50cm，薄片掺钛蓝宝石晶体2与反射镜9距离31cm，输出镜3与反射镜9距离24cm，凹面镜
8与输出镜3距离43cm。泵浦激光器1输出8mJ能量的泵浦光，可获得2束钛宝石激光输出，每束激光的能量均为0.8mJ，重复频率1kHz。

[0044] 实施例8：

[0045] 如图5所示，激光谐振腔由薄片掺钛蓝宝石晶体2、平面输出镜3和凹面镜8构成，腔内插入三棱镜10和狭缝11作为波长调谐元件。薄片掺钛蓝宝石晶体2与凹面镜8距离50cm，凹面镜8与三棱镜10距离27cm，三棱镜8与输出镜3距离10cm，狭缝11与输出镜3距离2cm。三棱镜10为石英棱镜，顶角为69°，底边尺寸为2cm，位于水平旋转台和40×40mm的平移台上，以布儒斯特角放置。两个分列与振荡激光左右两侧的刀片构成狭缝
11，两个刀片分别置于40×40mm的平移台上。除三棱镜10和狭缝11外，其他各元件的具体参数与实施例4相同。平移台移动方向与激光传输方向垂直。移动其中一个刀片输出激光中心波长趋向长波，移动另一个刀片输出激光中心波长趋向短波，改变狭缝11的宽度输出激光带宽随之发生改变。

[0046] 本发明中作为激光增益介质的掺钛蓝宝石激光晶体的一个通光面镀有对振荡光及泵浦光均增透的高阈值介质膜，而另一个面镀有对振荡光及泵浦光都高反的高阈值介质膜。该晶体兼作激光增益介质和激光反射镜，用于形成激光谐振腔。在实际的结构中，该薄片掺钛蓝宝石晶体的反射面与金属热沉接触固定，通过对金属热沉的冷却，晶体不仅可以工作在低温状态下，而且在冷却面方向，即垂直光束的方向不会有热梯度，因此避免了常规方案中增益介质中固有的热透镜效应，从而有利于取得高的激光增益和高的光束质量。具体的实施方案可以是线性腔激光器，也可以是环形腔激光器。此外由于本发明将一个反射镜与激光增益介质合二为一，因此所实现的激光器件还具有更加紧凑的结构和稳定的性能便于实际应用。为了更加有效的抑制热效应的影响，进一步提高放大激光的光束质量，在本专利中提出采用了厚度为两毫米的薄片掺钛蓝宝石晶体作为激光增益介质，采用端面冷却的方式，从而极大的降低了热透镜效应对光斑模式的影响。

[0047] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。