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1、(10)申请公布号 CN 103036141 A (43)申请公布日 2013.04.10 CN 103036141 A *CN103036141A* (21)申请号 201210583049.5 (22)申请日 2012.12.27 H01S 3/098(2006.01) H01S 3/11(2006.01) (71)申请人 山东大学 地址 250061 山东省济南市历下区经十路 17923 号 (72)发明人 何京良 徐金龙 张百涛 侯佳 刘善德 杨英 (74)专利代理机构 济南金迪知识产权代理有限 公司 37219 代理人 许德山 (54) 发明名称 一种新型锁模激光器 (57) 摘要 。
2、一种新型锁模激光器， 包括泵浦源、 泵浦耦合 系统、 激光增益介质和激光谐振腔 ； 在腔内采用 两块半导体可饱和吸收镜 （SESAM） 实现稳定超短 脉冲激光输出 ； 其中一块 SESAM 对腔内振荡光高 反， 另一块 SESAM 对振荡光具有一定的透过率 ； 泵 浦光经耦合系统后泵浦激光增益介质， 腔内振荡 光束将其中一块 SESAM 饱和后启动第二块 SESAM 并使之饱和， 并最终经透射式 SESAM 耦合输出腔 外 ； 两块 SESAM 同时起到启动与维持锁模脉冲的 作用， 不需要外界电路反馈或人工控制， 有效提高 了连续锁模激光器的稳定性和可靠性， 且结构紧 凑， 系统简单易行， 大。
3、大降低了成本， 克服了以往 单 SESAM 锁模激光器存在的缺点和不足， 便于工 程化推广。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种新型锁模激光器， 包括二极管泵浦源、 耦合系统、 激光增益介质和激光谐振腔， 二极管泵浦源、 耦合系统和激光谐振腔顺序排列成光路， 激光增益介质位于激光谐振腔内， 其特征在于激光谐振腔包括输入腔镜、 两个反射镜 A、 B、 两个半导体可饱和吸收镜 A、 B， 输 入腔镜后面分为两路光路， 其中一。
4、路光路中顺序为激光增益介质、 反射镜 A 和半导体可饱 和吸收镜A， 另一路光路中顺序为反射镜B和半导体可饱和吸收镜B， 半导体可饱和吸收镜A 上镀有对腔内谐振光高反的反射膜， 半导体可饱和吸收镜 B 上镀有对腔内谐振光部分反射 部分透射的薄膜 ； 所述的输入腔镜为平面镜 ； 输入腔镜两个端面均镀有对二极管泵浦光增透的增透膜， 其后端面镀有对腔内谐振光高反的反射膜 ； 所述的激光增益介质两个端面均镀有对腔内谐振光和对二极管泵浦光增透的增透 膜 ； 所述的两个反射镜 A、 B 是平凹镜。 2. 如权利要求 1 所述的一种新型锁模激光器， 其特征在于所述的激光增益介质是掺杂 为 Nd、 Yb、 T。
5、m、 Ho、 Er、 Pr 稀土离子、 Fe、 Cr、 Ti 过渡金属离子的晶体材料以及激光陶瓷增益 介质中的一种。 权 利 要 求 书 CN 103036141 A 2 1/5 页 3 一种新型锁模激光器 技术领域 0001 本发明涉及全固态激光技术领域， 特别涉及一种高稳定性的超短脉冲锁模激光 器。 背景技术 0002 激光加工是激光技术最重要的应用。而皮秒、 亚皮秒以及飞秒量级超短脉冲激光 脉冲持续时间短、 峰值功率高， 其应用于激光加工领域的作用机理区别于传统的连续和纳 秒脉冲激光加工， 是一个多光子吸收过程， 非线性作用过程占主导地位， 具有以下不可比拟 的优点 ： 可加工材料范围广。
6、， 对材料是非选择性的 ； 大大降低了材料的烧蚀阈值 ； 实现了真 正意义上的光学冷加工， 无热影响区， 加工精度高 ； 无等离子体屏蔽效应， 提高了能量利用 率 ； 无材料损伤， 无飞溅物存在 ； 加工速度快等。超短脉冲激光器已成为材料精密加工的 理想工具， 开创了超精细、 无热损伤和 3D 空间材料加工的新领域， 在半导体微加工、 聚合物 切割、 微电子学、 光子晶体器件、 微机械加工以及光伏产业等方面具有广泛的应用前景。而 获得皮秒 - 亚皮秒甚至飞秒量级超短激光脉冲的主要方法是激光锁模技术， 当前应用最广 泛、 效果最好的锁模技术主要有两种 ： 利用材料本身克尔效应实现的自锁模技术以及。
7、使用 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） 实现的被动锁模技术。 克尔锁模技术不需要附加调制器， 但是 有一个重大的缺点就是难以自启动， 启动自锁模需要外界的影响， 例如敲击腔镜或外壳。 它 的锁模条件非常苛刻， 谐振腔工作在稳定区边缘， 因此自锁模具有很大的难度和不稳定性， 轻微的震动甚至空气流动都会干扰锁模。而 SESAM 的设计具有较高的灵活性， 可以精确控 制损耗、 饱和通量、 调制深度等参数， 并且具有超快的可饱和吸收时间 （皮秒到飞秒量级） ， 可以实现锁模的自启动并支持飞秒激光脉冲的产生。 现在国际上对固体超快激光研究主要 集中被动锁模技术， 市场上工业用超短脉冲锁模激光器产品也基。
8、本上采用了 SESAM 被动锁 模技术方案。 0003 然而目前的超短脉冲锁模激光器都是利用一块 SESAM 作为锁模元件来启动和维 持锁模脉冲， 在这种情况下， SESAM 材料的性能在很大程度上决定了整个锁模激光器性能。 然而 SESAM 所使用的半导体化合物材料热导率一般都不高， 长时间工作会积累大量的热 量， 导致SESAM性能的退化 ； 并且SESAM受振动以及外界环境的变化等因素的影响会使得锁 模脉冲会变得不稳定甚至出现失锁现象。 因此提高超快激光长期工作稳定性和可靠性是当 前一个重要的研究课题。 目前市场上的超快激光产品多采用反馈电路连接光学调制器或者 微动器件配合软件进行系统微。
9、调， 虽然具有较好的效果， 但是成本高昂， 整台激光器售价几 十万甚至上百万， 并且后续的维护费用高昂。目前市场上的超短脉冲锁模激光器为提高系 统稳定性多采用电子反馈系统以及微位移器件配合软件进行微调， 这样使得锁模激光设备 成本高， 技术条件要求十分苛刻。 发明内容 0004 为克服现有技术的缺陷和不足， 本发明提供了一种结构简单的具有高稳定性、 高 说 明 书 CN 103036141 A 3 2/5 页 4 可靠性的超短脉冲锁模的新型锁模激光器。 0005 本发明的技术方案如下 ： 0006 一种新型锁模激光器， 包括二极管泵浦源、 耦合系统、 激光增益介质和激光谐振 腔， 二极管泵浦源。
10、、 耦合系统和激光谐振腔顺序排列成光路， 激光增益介质位于激光谐振 腔内， 其特征在于激光谐振腔包括输入腔镜、 两个反射镜 A、 B、 两个半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A、 B， 输入腔镜后面分为两路光路， 其中一路光路中顺序为激光增益介质、 反射镜 A 和半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A， 另一路光路中顺序为反射镜 B 和半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A 上镀有对腔内谐振光高反的反射膜， 半导体可饱 和吸收镜 （SESAM） B 上镀有对腔内谐振光部分反射部分透射的薄膜 ； 0007 所述的输入腔镜为平面镜 ； 输入腔镜两个端面均。
11、镀有对二极管泵浦光增透的增透 膜， 其后端面镀有对腔内谐振光高反的反射膜 ； 0008 所述的激光增益介质两个端面均镀有对腔内谐振光和对二极管泵浦光增透的增 透膜 ； 0009 所述的两个反射镜 A、 B 是平凹镜。 0010 所述的激光增益介质是掺杂为 Nd、 Yb、 Tm、 Ho、 Er、 Pr 稀土离子、 Fe、 Cr、 Ti 过渡金 属离子的晶体材料以及激光陶瓷增益介质中的一种。 0011 本发明的激光谐振腔包括激光腔镜、 两块半导体可饱和吸收镜 （SESAM） 激光腔 镜包括平面镜和平凹镜 ； 两块半导体可饱和吸收镜 （SESAM） ， 其中一块半导体可饱和吸 收镜 （SESAM） 。
12、A 对腔内振荡光高反， 作为谐振腔的一个腔镜 ； 另一块半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B 对腔内振荡光部分反射， 具有一定的透过率， 作为谐振腔的耦合输出镜 ； 所述的 反射式和透射式 SESAM 各自都可以在谐振腔中独立地产生锁模脉冲， 它们作为谐振腔的一 部分， 在本方案的激光器中同时起到了启动与维持锁模脉冲的作用 ； 所述的激光谐振腔采 用 W 型腔或其它可以使两个 SESAM 同时正常工作的腔型 ； 所述腔镜除两个 SESAM 外还包括 一个平面镜和两个平凹镜 ； 二极管泵浦源发出的泵浦光经过耦合系统后聚焦在激光增益介 质上对其进行泵浦， 腔内振荡光束将其中一块 SESAM 饱和。
13、， 瞬时可饱和吸收过程产生巨脉 冲， 巨脉冲又瞬时启动第二块 SESAM 并使之饱和， 此后两个 SESAM 相互协作， 完全锁定腔内 纵模， 并最终经透射式半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B 耦合输出腔外产生激光。 0012 本发明的腔镜包括平面镜和平凹镜， 根据光束传播 ABCD 矩阵理论， 可以选择不 同的曲率半径， 使得激光增益介质处的振荡光斑与泵浦光斑实现良好的模式匹配， 并且对 SESAM 处的振荡光束进行压缩， 使 SESAM 上的光斑足够小以满足连续锁模的条件。 0013 本发明中更进一步可在激光谐振腔内加入相应色散补偿片等光学元件， 用于消除 相位失配和群速度色散对脉冲的。
14、展宽和变形， 获得亚皮秒甚至飞秒量级的超短脉冲锁模激 光输出 ； 所述的色散补偿片等光学元件在谐振腔腔内的具体位置可根据实际光路进行调 整。 0014 本发明所提供的高稳定性的全固态超短脉冲锁模激光器结构简单， 采用双 SESAM 进行调制， 当一块SESAM失效时， 另一块正常工作的SESAM仍可以继续通过可饱和吸收作用 产生巨脉冲， 此巨脉冲在极短的时间内 （ns 量级） 就可传播到失效的 SESAM 处， 激发 SESAM 重新回到正常的工作状态。所以当任何一块 SESAM 失去作用时， 均可瞬时被另一块 SESAM 产生的强脉冲重新启动， 因此有效避免激光器失锁的发生。并没有采用过多的。
15、辅助技术设 说 明 书 CN 103036141 A 4 3/5 页 5 备 ； 成本低廉， 与国外动辄几十万甚至上百万人民币的锁模激光器相比， 本方案没有相应的 电子反馈系统与软件开发费用， 整套系统的元件也非常少， 制造成本大大降低 ； 性能可靠稳 定， 所述的稳定性包括两方面 ： 功率稳定性， 采用本方案的锁模激光器可以连续工作 50 小 时而不出现失锁现象 ； 锁模脉冲的稳定性， 不论是从脉冲形状还是脉宽等参数在长时间内 都不会大的变化 （见附图 2、 3） 。 0015 本发明在激光谐振腔内采用两块半导体可饱和吸收调制元件 （SESAM） ， 提高调制 深度， 进一步压缩脉冲宽度。利。
16、用两种 SESAM 相互配合， 通过合理的谐振腔设计， 使得两个 SESAM 在产生连续锁模脉冲时都发挥作用， 不需要复杂的外界电路反馈或人工控制， 有效地 提高了超短脉冲连续锁模激光器的稳定性和可靠性。到目前， 尚未看到在一个谐振腔中用 两个 SESAM 实现连续锁模激光输出的报道。本发明具有结构紧凑， 系统简单易行， 造价低， 稳定性好， 可靠性高等特点 ； 它克服了以往单一 SESAM 锁模激光器存在的缺点和不足， 是一 种新型的超短脉冲激光器系统， 便于工程化推广。 附图说明 0016 图 1 是本发明新型锁模激光器实施例 1 的结构示意图。 0017 其中 ： 1二极管 （LD） 泵。
17、浦源 ； 2耦合系统 ； 3激光增益介质 ； 4输入腔镜 ； 0018 5反射镜 A ； 6反射镜 B ； 7半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A ； 8半导体可饱和 吸收镜 （SESAM） B。 0019 图 2 是本发明实例 1 的输出功率随时间变化的记录图。可以看出， 在持续 50 小时 内， 输出功率具有相当高的稳定性。 0020 图 3 是本发明实例 1 输出的连续锁模激光的脉冲序列图。图中上半部表示毫秒尺 度内脉冲具有良好的持续性， 下半部表示纳秒尺度内脉冲与脉冲之间差别非常小， 是良好 的连续锁模脉冲。 0021 图 4 是本发明激光器实施例 4 的结构示意图。其中 ： 9色散。
18、补偿元件。 具体实施方式 0022 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明， 但不限于此。 0023 实施例 1 ： 0024 一种新型锁模激光器， 如图 1 所示， 包括二极管泵浦源 1、 耦合系统 2、 激光增益介 质3和激光谐振腔， 二极管泵浦源1、 耦合系统2和激光谐振腔顺序排列成光路， 激光增益介 质3位于激光谐振腔内， 其特征在于激光谐振腔包括输入腔镜4、 两个反射镜A5、 B6、 两个半 导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7、 B8， 输入腔镜 4 后面分为两路光路， 其中一路光路中顺序为 激光增益介质 3、 反射镜 A5 和半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7， 另一路。
19、光路中顺序为反射镜 B6 和半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B8， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7 上镀有对腔内谐振 光高反的反射膜， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B8 上镀有对腔内谐振光部分反射部分透射 的薄膜。 0025 所述的输入腔镜 4 为平面镜 ； 输入腔镜 4 两个端面均镀有对二极管泵浦光增透的 增透膜， 其后端面镀有对腔内谐振光高反的反射膜 （反射率大于 99.5） ； 0026 所述的二极管泵浦源 1 发出 808nm 波长的光 ； 说 明 书 CN 103036141 A 5 4/5 页 6 0027 所述的激光增益介质 3 两个端面均镀有对腔内谐振光和。
20、对二极管泵浦光增透的 增透膜 ； 0028 所述的两个反射镜 A5、 B6 是平凹镜。 0029 所述的激光增益介质 3 是掺杂为 0.3at% 的 a 切 Nd:YVO4晶体。 0030 所述的谐振光即激光波长为 1064 纳米， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A 镀有对 波长为 1064 纳米腔内谐振光高反的反射膜， 其反射率大于 99.3% ； 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B 上镀有对波长为 1064 纳米腔内谐振光有部分反射部分透射的薄膜， 其透过率为 3.2%。 0031 实施例 2 ： 0032 一种新型锁模激光器， 包括二极管泵浦源1、 耦合系统2、 激光增益介质3。
21、和激光谐 振腔， 二极管泵浦源1、 耦合系统2和激光谐振腔顺序排列成光路， 激光增益介质3位于激光 谐振腔内， 其特征在于激光谐振腔包括输入腔镜 4、 两个反射镜 A5、 B6、 两个半导体可饱和 吸收镜 （SESAM） A7、 B8， 输入腔镜 4 后面分为两路光路， 其中一路光路中顺序为激光增益介 质 3、 反射镜 A5 和半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7， 另一路光路中顺序为反射镜 B6 和半导 体可饱和吸收镜 （SESAM） B8， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7 上镀有对腔内谐振光高反的 反射膜， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B8 上镀有对腔内谐振光部分反射。
22、部分透射的薄膜。 0033 所述的输入腔镜 4 为平面镜 ； 输入腔镜 4 两个端面均镀有对二极管泵浦光增透的 增透膜， 其后端面镀有对腔内谐振光高反的反射膜 （反射率大于 99.6） ； 0034 所述的二极管泵浦源 1 发出 808nm 波长的光 ； 0035 所述的激光增益介质 3 两个端面均镀有对腔内谐振光和对二极管泵浦光增透的 增透膜 ； 0036 所述的两个反射镜 A5、 B6 是平凹镜。 0037 所述的激光增益介质 3 是掺杂为 0.3at% 的 a 切 Nd:YVO4晶体。 0038 所述的谐振光波长为 1.3 微米， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A 镀有对波长为 1。
23、.3 微米腔内谐振光高反的反射膜， 其反射率大于 99% ； 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B 镀有对 波长为 1.3 微米腔内谐振光部分反射部分透射的薄膜， 其透过率为 3.5%。 0039 实施例 3 ： 0040 和实施例 1 相同， 只是所述的激光增益介质 3 是掺杂为 10at% 的 Yb:GAGG 晶体。 0041 所述的谐振光即激光波长为 1030 纳米 ； 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A 镀有对波 长为1030纳米腔内谐振光高反的反射膜， 其反射率大于99% ； 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B 镀有对波长为 1030 纳米腔内谐振光部分反射部分透射的薄膜，。
24、 其透过率为 3.6%。 0042 实施例 4 ： 0043 本发明激光器实施例 4 如图 4 所示， 包括二极管泵浦源 1、 耦合系统 2、 激光增益介 质3和激光谐振腔， 二极管泵浦源1、 耦合系统2和激光谐振腔顺序排列成光路， 激光增益介 质3位于激光谐振腔内， 其特征在于激光谐振腔包括输入腔镜4、 两个反射镜A5、 B6、 两个半 导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7、 B8， 输入腔镜 4 后面分为两路光路， 其中一路光路中顺序为 激光增益介质 3、 反射镜 A5、 色散补偿元件 9 和半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7， 另一路光 路中顺序为反射镜 B6 和半导体可饱和吸收。
25、镜 （SESAM） B8， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A7 上镀有对腔内谐振光高反的反射膜， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B8 上镀有对腔内谐振光 说 明 书 CN 103036141 A 6 5/5 页 7 部分反射部分透射的薄膜。 0044 所述的输入腔镜 4 为平面镜 ； 输入腔镜 4 两个端面均镀有对二极管泵浦光增透的 增透膜， 其后端面镀有对腔内谐振光高反的反射膜 （反射率大于 99.5） ； 0045 所述的二极管泵浦源 1 发出 808nm 波长的光 ； 0046 所述的激光增益介质 3 两个端面均镀有对腔内谐振光和对二极管泵浦光增透的 增透膜 ； 0047 所。
26、述的两个反射镜 A5、 B6 是平凹镜。 0048 所述的色散补偿元件 9 是棱镜对。 0049 所述的激光增益介质 3 是掺杂为 0.3at% 的 a 切 Nd:YVO4晶体。 0050 所述的谐振光即激光波长为 1064 纳米， 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） A 镀有对 波长为 1064 纳米腔内谐振光高反的反射膜， 其反射率大于 99.3% ； 半导体可饱和吸收镜 （SESAM） B 上镀有对波长为 1064 纳米腔内谐振光有部分反射部分透射的薄膜， 其透过率为 3.4%。 说 明 书 CN 103036141 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103036141 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103036141 A 9 。