产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器

摘要

本发明公开一种产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器，包括一个聚焦透镜，一个激光增益晶体，两个平凹宽带啁啾全反镜，分别为第一平凹宽带啁啾全反镜、第二平凹宽带啁啾全反镜，两对小角度宽带平面啁啾全反镜，分别为第一小角度宽带平面啁啾全反镜、第二小角度宽带平面啁啾全反镜、第三小角度宽带平面啁啾全反镜、第四小角度宽带平面啁啾全反镜，一对小角度尖劈，一个宽带低色散薄输出镜。本发明通过具有特殊色散的宽带啁啾反射镜补偿增益晶体中所产生的自相位调制效应，而产生周期量级脉冲的激光。结构紧凑小巧，锁模调节简单容易。其高重复频率以及周期量级脉宽特性为差频光梳提供了一个可靠的光源。

权利要求

1.一种产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，包括一个聚焦透镜，一个激光增益晶体，两个平凹宽带啁啾全反镜，分别为第一平凹宽带啁啾全反镜、第二平凹宽带啁啾全反镜，两对小角度宽带平面啁啾全反镜，分别为第一小角度宽带平面啁啾全反镜、第二小角度宽带平面啁啾全反镜、第三小角度宽带平面啁啾全反镜、第四小角度宽带平面啁啾全反镜，一对小角度尖劈，一个宽带低色散薄输出镜；所述聚焦透镜用来将入射光束聚焦于所述增益晶体中心；所述增益晶体以布儒斯特角分别放置在平凹啁啾全反镜的共同焦点上；所述第一小角度宽带平面啁啾全反镜用来将第二平凹宽带啁啾全反镜反射的光线反射到第二小角度宽带平面啁啾全反镜并使光线沿原路返回；所述一对小角度尖劈位于第一小角度宽带平面啁啾全反镜与第二小角度宽带平面啁啾全反镜的光路之间，以布儒斯特角放置，用来精确调节腔内色散；所述宽带低色散薄输出镜用于使由第一平凹宽带啁啾全反镜反射的光线一部分透射到第四小角度宽带平面啁啾全反镜，其余沿原路反射回第一平凹宽带啁啾全反镜；第三小角度宽带平面啁啾全反镜与第四小角度宽带平面啁啾全反镜平行放置，与第四小角度宽带平面啁啾全反镜一起对由宽带低色散薄输出镜透射的光线进行压缩脉冲；其中所述聚焦透镜的焦距为50mm，口径为25.4mm；所述增益晶体为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸为3×2.8×1.85mm；平凹宽带啁啾全反镜为曲率半径为50mm，口径为12.7mm，厚度为6.35mm的熔石英玻璃，凹面镀有对503-535nm波段增透及700-950nm波段高反的双色介质膜，且提供680-940nm波段二阶色散(GVD)-50fs2，背面镀有503-535nm波段的增透膜；所述小角度宽带平面啁啾全反镜为厚度6.35mm，口径为25.4mm的熔石英基片，第一、第二小角度宽带平面啁啾全反镜镀有对650-980nm波段高反，650-980nm波段提供二阶色散-40fs2，第三、第四小角度宽带平面啁啾全反镜镀有580-1020nm波段高反，620-1000nm波段提供二阶色散-50fs2；所述小角度尖劈为尺寸30×20mm，角度2°48’，最薄处200μm的熔石英基片；所述宽带低色散薄输出镜为口径12.7mm，厚度为1mm的熔石英基片，镀有660-920nm波段内透过率为10％的介质膜。

2.根据权利要求1所述的产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器，其特征在于，所述小角度尖劈通过步进电机来调节尖劈插入量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生激光的装置，具体涉及一种产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器。

背景技术

在激光技术研究中，超短脉冲激光作为人类所能控制的时间极限标志及其在微观世界揭示物质瞬态动力学的独特特性，一直是最热门的激光研究内容之一，其应用研究渗透到物理学、化学、生物学、通讯等学科的最前沿课题，并进而导致了许多新学科，如强场物理、飞秒化学、超高速大容量光通讯等学科的形成和发展。采用KLM(Kerr LensModelocking)技术的掺钛蓝宝石激光振荡器(文献1，D.E.Spence，P.N.Kean，W.Sibbert；Opt Lett.Vol.16 42(1991))，以其结构简单，稳定性好，输出脉冲脉宽窄等优点成为科学研究的有力工具，但在许多应用研究领域，如光频梳、泵浦探测、阿秒激光的产生、激光脉冲的相干合成往往需要周期量级和(或)高重复频率的飞秒激光脉冲。因此，追求高重复频率周期量级飞秒激光技术及实用器件装置，是具有重要意义的内容。
目前，能够产生周期量级脉冲的激光器通常结构复杂，元器件较多，重复频率低，输出功率低，而且重要元器件大多由自己设计制作。例如MIT产生5fs激光脉冲的工作(文献2；U.Morgner et al，Opt.Lett，24，411，(1999))，采用自行设计的双啁啾镜片，重复频率在90MHz。输出平均功率200mW。奥地利Femtolaser公司的Rainbow(http://www.femtolasers.com/)超短激光器脉宽短于7fs，但是腔内元件多，包括输出镜在内有8片镜片，且重复频率为80MHz。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够将高重复频率和短脉宽两方面结合起来，可以在降低元器件的要求，简化腔结构的同时使激光稳定性得以大大提高的高重复频率激光器，它能够满足频梳所需要的高重复频率、宽带宽等要求。
为实现上述目的，本发明提供一种产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器，包括一个聚焦透镜，一个激光增益晶体，两个平凹宽带啁啾全反镜，分别为第一平凹宽带啁啾全反镜、第二平凹宽带啁啾全反镜，两对小角度宽带平面啁啾全反镜，分别为第一小角度宽带平面啁啾全反镜、第二小角度宽带平面啁啾全反镜、第三小角度宽带平面啁啾全反镜、第四小角度宽带平面啁啾全反镜，一对小角度尖劈，一个宽带低色散薄输出镜；所述聚焦透镜用来将入射光束聚焦于所述增益晶体中心；所述增益晶体以布儒斯特角分别放置在平凹啁啾全反镜的共同焦点上；所述第一小角度宽带平面啁啾全反镜用来将第二平凹宽带啁啾全反镜反射的光线反射到第二小角度宽带平面啁啾全反镜并使光线沿原路返回；所述一对小角度尖劈位于第一小角度宽带平面啁啾全反镜与第二小角度宽带平面啁啾全反镜的光路之间，以布儒斯特角放置，用来精确调节腔内色散；所述宽带低色散薄输出镜用于使由第一平凹宽带啁啾全反镜反射的光线一部分透射到第四小角度宽带平面啁啾全反镜，其余沿原路反射回第一平凹宽带啁啾全反镜；第三小角度宽带平面啁啾全反镜与第四小角度宽带平面啁啾全反镜平行放置，与第四小角度宽带平面啁啾全反镜一起对由宽带低色散薄输出镜透射的光线进行压缩脉冲。
进一步，所述聚焦透镜的焦距为50mm，口径为25.4mm；所述增益晶体为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸为3×2.8×1.85mm；平凹宽带啁啾全反镜为曲率半径为50mm，口径为12.7mm，厚度为6.35mm的熔石英玻璃，凹面镀有对503-535nm波段增透及700-950nm波段高反的双色介质膜，且提供680-940nm波段二阶色散(GVD)-50fs2，背面镀有503-535nm波段的增透膜；所述小角度宽带平面啁啾全反镜为厚度6.35mm，口径为25.4mm的熔石英基片，第一、第二小角度宽带平面啁啾全反镜镀有对650-980nm波段高反，650-980nm波段提供二阶色散-40fs2，第三、第四小角度宽带平面啁啾全反镜镀有580-1020nm波段高反，620-1000nm波段提供二阶色散-50fs2；所述小角度尖劈为尺寸30×20mm，角度2°48’，最薄处200μm的熔石英基片；所述宽带低色散薄输出镜为口径12.7mm，厚度为1mm的熔石英基片，镀有660-920nm波段内透过率为10％的介质膜。
进一步，所述增益晶体通光长度1.85mm，所述宽带低色散薄输出镜厚度为1mm。
进一步，所述小角度尖劈通过步进电机来调节尖劈插入量。
本发明仅用5片镜片，一块增益晶体组成谐振腔，且所有镜片采用商用即可，解决了此前必须采用特殊啁啾镜的限制。由于采用元器件减少，使得腔结构更加稳定。在5W的泵浦激光下，可获得平均功率大于500mW的输出，典型脉宽可小于8fs，重复频率可达350MHz，光谱覆盖范围600-1000nm。该系统结构紧凑小巧(尺寸400×250mm)，锁模调节简单容易。其高重复频率以及周期量级脉宽特性为差频光梳提供了一个可靠的光源。

附图说明

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：
图1为本发明一种产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器的原理图；
图2为用光谱仪测量得到的由本发明激光器产生的激光脉冲的光谱曲线；
图3为用干涉自相关仪测得的由本发明激光器产生的激光脉冲的干涉自相关曲线。

具体实施方式

实施例1：
如图1所示，本发明提供一种产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器，包括一个聚焦透镜1，一个激光增益晶体2，两个平凹宽带啁啾全反镜，分别为第一平凹宽带啁啾全反镜3、第二平凹宽带啁啾全反镜4，两对小角度宽带平面啁啾全反镜，分别为第一小角度宽带平面啁啾全反镜5、第二小角度宽带平面啁啾全反镜6、第三小角度宽带平面啁啾全反镜7、第四小角度宽带平面啁啾全反镜8，一对小角度熔石英尖劈，分别为第一尖劈9、第二尖劈10，一个宽带低色散薄输出镜11，一个底板。
第一平凹宽带啁啾全反镜3、第二平凹宽带啁啾全反镜4、第一小角度宽带平面啁啾全反镜5、第二小角度宽带平面啁啾全反镜6及宽带低色散薄输出镜11构成了谐振腔。第三小角度宽带平面啁啾全反镜7、第四小角度宽带平面啁啾全反镜8构成腔外压缩。
根据不同需要，谐振腔可以选择第二小角度宽带平面啁啾全反镜6或宽带低色散薄输出镜11做为输出镜。
元件的具体参数如下：底板尺寸为400×250mm，聚焦透镜1的焦距为50mm，口径为25.4mm；激光增益晶体2为布儒斯特角切割的掺钛蓝宝石晶体，尺寸为3×2.8×1.85mm；第一平凹宽带啁啾全反镜3、第二平凹宽带啁啾全反镜4为曲率半径为50mm，口径为12.7mm，厚度为6.35mm的熔石英玻璃，凹面镀有对503-535nm波段增透及700-950nm波段高反的双色介质膜，且提供680-940nm波段二阶色散GVD-50fs2，背面镀有503-535nm波段的增透膜；四个小角度宽带平面啁啾全反镜均为厚度6.35mm，口径为25.4mm的熔石英基片，第一小角度宽带平面啁啾全反镜5、第二小角度宽带平面啁啾全反镜6镀有对650-980nm波段高反介质膜，650-980nm波段提供二阶色散-40fs2。第三小角度宽带平面啁啾全反镜7、第四小角度宽带平面啁啾全反镜8镀有580-1020nm波段高反介质膜，620-1000nm波段提供二阶色散-50fs2。小角度尖劈9，10为30×20mm，角度为2°48’，最薄处为200μm的熔石英基片。宽带低色散薄输出镜11为口径12.7mm，厚度为1mm的熔石英基片，镀有660-920nm波段内透过率为10％的介质膜。
全部元件安装在底板上，整个激光振荡光路距底板的高度为6cm。
具体安装要求如下：
将聚焦透镜1置于可调节升降及左右位置的调节架上，并将调节架置于40×40的平移台上。激光增益晶体2位于可调节俯仰及角度的晶体调节架及水平旋转台上。调节架的两端用橡胶管接入水冷循环，旋转晶体以布儒斯特角分别放置在第一平凹宽带啁啾全反镜3、第二平凹宽带啁啾全反镜4的共同焦点上。聚焦透镜1的位置调节保证泵浦激光刚好聚焦于激光增益晶体2中心。将小角度宽带平面啁啾全反镜5，6，7，8及宽带低色散薄输出镜11分别放置于二维可调的微调镜架上。第一小角度宽带平面啁啾全反镜5及其调节架放置在40×40的平移台上。小角度尖劈9，10置于二维可调的微调镜架上，第一小角度尖劈9及其镜架由步进电机驱动，以便于在不打开器件外壳的情况下可以调节尖劈插入量。调节尖劈，使得其以布儒斯特角放置。
调节第二小角度宽带平面啁啾全反镜6和宽带低色散薄输出镜11，使入射光线沿原路返回，可实现钛宝石激光的连续振荡。进一步优化泵浦光的聚焦透镜1、第一平凹宽带啁啾全反镜3、第二平凹宽带啁啾全反镜4和激光增益晶体2位置，可以实现锁模运转。激光从连续到锁膜的跳跃可借助第一小角度宽带平面啁啾全反镜5的纵向运动来实现。
在实现锁模的基础上，调节尖劈的插入量，并微调第一平凹宽带啁啾全反镜3及激光增益晶体2的位置以便输出光谱最宽。
如图2所示，从用光谱仪测量得到的由本发明激光器产生的激光脉冲的光谱曲线可以看出其覆盖了从600nm～1050nm的超宽光谱范围。
如图3所示，用干涉自相关仪测得的由本发明激光器产生的激光脉冲的干涉自相关曲线，显示脉冲宽度小于8fs，对应约3个光学振荡周期。
本发明所提出的一种产生高重复频率周期量级飞秒脉冲的掺钛蓝宝石激光器与传统的飞秒激光器相比，无需棱镜对补偿色散，而是采用啁啾镜锁模补偿色散。另外，本发明所使用的元件均是商用可购得到的，与其他同类装置中镜片需自行设计镀膜相比，这有利于该类激光系统的批量生产和推广。归结起来，本发明的主要特点有：
1、重复频率高，可达350MHz。
2、脉宽短，可达8fs以下。
3、由于本发明的脉宽短，光谱宽，可用于差频频梳。
4、使用镜片均是进口和国内生产的商用镜片。