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1、10申请公布号CN104201548A43申请公布日20141210CN104201548A21申请号201410395807X22申请日20140812H01S3/094200601H01S3/098200601H01S3/1620060171申请人中国科学院物理研究所地址100190北京市海淀区中关村南三街八号72发明人魏志义韩海年于子蛟张龙滕浩王兆华王鹏74专利代理机构北京智汇东方知识产权代理事务所普通合伙11391代理人范晓斌郭海彬54发明名称488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器57摘要本发明提供了一种488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器。用于输出克尔透镜锁模的激光，包。
2、括用于提供泵浦激光的泵浦源，泵浦源为输出波长为488NM的光纤激光器；由多个光学元件限定的谐振腔，用于提供一往返光路，以在谐振腔内形成振荡激光；用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体，其设置在谐振腔内。当采用上述泵浦源时，只需较低的泵浦功率运行，就能够实现钛宝石激光器克尔透镜锁模，同时产生了脉宽小于10FS的稳定锁模激光脉冲，而且赋予了钛宝石激光器低损耗。该泵浦源可靠性高，对伺服系统要求低，获得的钛宝石激光器在结构上更加紧凑，价格上更低廉，噪声更低，大大推动了钛宝石激光器在科技、工业等领域的应用。51INTCL权利要求书2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。
3、要求书2页说明书5页附图2页10申请公布号CN104201548ACN104201548A1/2页21一种488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，用于输出克尔透镜锁模的激光，包括用于提供泵浦激光的泵浦源10，所述泵浦源10为输出波长为488NM的光纤激光器；由多个光学元件限定的谐振腔30，用于提供一往返光路，以在所述谐振腔30内形成振荡激光；用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体20，其设置在所述谐振腔30内。2根据权利要求1所述的钛宝石激光器，其中，所述泵浦源10的输出线宽1MHZ。3根据权利要求12中任一项所述的钛宝石激光器，其中，所述泵浦源的光束质量因子M211，功率抖动1。4根据。
4、权利要求13中任一项所述的钛宝石激光器，其中，所述谐振腔30具有设置在所述往返光路的第一端部处的用于反射所述振荡激光的第一平面啁啾镜31；设置在所述往返光路的第二端部处的用于部分反射和部分透射所述振荡激光的第二平面镜32；以及沿所述往返光路设置在所述第一平面啁啾镜31和所述第二平面镜32之间的第一凹面啁啾镜33、第二凹面啁啾镜34和第三平面啁啾镜35；其中，所述泵浦源10发出的所述泵浦激光透过所述第一凹面啁啾镜33后入射到所述钛宝石激光晶体20上，产生的所述振荡激光入射到所述第二凹面啁啾镜34上，并被所述第二凹面啁啾镜34和所述第三平面啁啾镜35依次反射后入射到所述第一平面啁啾镜31上；所述第。
5、一平面啁啾镜31将所述振荡激光原路返回，到达所述第一凹面啁啾镜33，并被所述第一凹面啁啾镜33反射至所述第二平面镜32上，一部分所述振荡激光被所述第二平面镜32反射回所述谐振腔30，另一部分所述振荡激光透过所述第二平面镜32输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。5根据权利要求14中任一项所述的钛宝石激光器，其中，所述钛宝石激光晶体20相对于所述泵浦激光以布儒斯特角设置。6根据权利要求15中任一项所述的钛宝石激光器，其中，所述第一凹面啁啾镜33与所述第二凹面啁啾镜34的曲率半径50MM。7根据权利要求16中任一项所述的钛宝石激光器，其中，所述第一凹面啁啾镜33面向所述泵浦源10的一面镀有对泵浦激光增透的。
6、介质膜；所述第一凹面啁啾镜33面向所述谐振腔30的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。8根据权利要求17中任一项所述的钛宝石激光器，其中，所述第二凹面啁啾镜34背向所述泵浦源10的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；所述第二凹面啁啾镜34面向所述谐振腔30的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。9根据权利要求18中任一项所述的钛宝石激光器，其中，权利要求书CN104201548A2/2页3所述第二平面镜32面向所述谐振腔30内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为3的介质膜；所述第二平面镜32背向所述谐振腔30内的一面镀有对振荡激光增透的介质膜。权利要。
7、求书CN104201548A1/5页4488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器技术领域0001本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器。背景技术00021991年SPENCE等人首次实现了钛宝石飞秒振荡器的克尔透镜锁模，其锁模脉冲宽度为60FS，自此至今，超短脉冲的钛宝石振荡器已经经过了长期的发展和改进，钛宝石也成为了应用最为广泛的中红外晶体。0003到目前为止，已经有多种不同类型的泵浦源被用来尝试泵浦钛宝石00041氩离子激光器作为较早泵浦钛宝石的泵浦源，具有泵浦功率大等优势，然而较低的转化效率限制了其广泛应用，自2000年后就很少再有氩离子激。
8、光器泵浦钛宝石的相关报道了。00052全固态绿光激光器输出波长为532NM或者515NM作为现在最广泛应用的泵浦源，在光束质量、强度噪声及输出线宽方面有着较大的优势。但其复杂的伺服系统导致全固态绿光激光器成本昂贵，而且其输出波长也不是钛宝石的吸收峰值吸收峰为488NM。00063最近出现的LD激光器作为泵浦源可以极大地降低成本，但是其光束质量、输出波长及输出线宽等方面还有待优化。0007此外，现有的用于克尔透镜锁模钛宝石激光器的泵浦源，其功率较高，一般为5W以上，由于功率高，可能会导致多脉冲现象，进而导致脉冲的对比度降低，锁模的稳定性变差等。0008将上述泵浦源用于钛宝石激光器中时存在着功率高。
9、、成本高以及光束质量差等问题，因此，目前迫切需要出现一种能够使得钛宝石激光器实现稳定克尔透镜锁模且功率低、成本低的泵浦源。发明内容0009本发明的目的旨在提供一种488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，该钛宝石激光器采用488NM光纤激光器作为泵浦源，能够产生脉宽小于10FS的稳定克尔透镜锁模的激光脉冲。0010为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，用于输出克尔透镜锁模的激光，包括用于提供泵浦激光的泵浦源，泵浦源为输出波长为488NM的光纤激光器；由多个光学元件限定的谐振腔，用于提供一往返光路，以在谐振腔内形成振荡激光；用作增益介。
10、质和克尔介质的钛宝石激光晶体，其设置在谐振腔内。0011进一步地，泵浦源的输出线宽1MHZ。0012进一步地，泵浦源的光束质量因子M211，功率抖动1。0013进一步地，谐振腔具有设置在往返光路的第一端部处的用于反射振荡激光的第说明书CN104201548A2/5页5一平面啁啾镜；设置在往返光路的第二端部处的用于部分反射和部分透射振荡激光的第二平面镜；以及沿往返光路设置在第一平面啁啾镜和第二平面镜之间的第一凹面啁啾镜、第二凹面啁啾镜和第三平面啁啾镜；其中，泵浦源发出的泵浦激光透过第一凹面啁啾镜后入射到钛宝石激光晶体上，产生的振荡激光入射到第二凹面啁啾镜上，并被第二凹面啁啾镜和第三平面啁啾镜依次。
11、反射后入射到第一平面啁啾镜上；第一平面啁啾镜将振荡激光原路返回，到达第一凹面啁啾镜，并被第一凹面啁啾镜反射至第二平面镜上，一部分振荡激光被第二平面镜反射回谐振腔，另一部分振荡激光透过第二平面镜输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。0014进一步地，钛宝石激光晶体相对于泵浦激光以布儒斯特角设置。0015进一步地，第一凹面啁啾镜与第二凹面啁啾镜的曲率半径50MM。0016进一步地，第一凹面啁啾镜面向泵浦源的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第一凹面啁啾镜面向谐振腔的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。0017进一步地，第二凹面啁啾镜背向泵浦源的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第二凹。
12、面啁啾镜面向谐振腔的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。0018进一步地，第二平面镜面向谐振腔内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为3的介质膜；第二平面镜背向谐振腔内的一面镀有对振荡激光增透的介质膜。0019应用本发明的技术方案，当采用输出波长为488NM的光纤激光器作为泵浦源时，发明人惊奇地发现，只需要较低的泵浦功率2W运行，就能够实现钛宝石激光器克尔透镜锁模，并同时产生了脉宽小于10FS的稳定锁模激光脉冲，而且该泵浦源赋予了488NM蓝光波长泵浦的钛宝石激光器低损耗。0020经分析原因，可能是由于输出波长为488NM的光纤激光器综合了光束质量好、强度噪声低、输出线宽。
13、窄的优点，并且本发明所提高的泵浦源的输出波长488NM恰好在钛宝石晶体的吸收峰附近。此外，输出波长为488NM的光纤激光器具有可靠性高，对伺服系统要求低的优势，使得钛宝石飞秒激光器在结构上更加紧凑，价格上更低廉，噪声更低，大大推动了钛宝石激光器在科技、工业等领域的应用。0021由于488NM光纤激光器的上述综合优势，尤其是其输出波长处于钛宝石吸收峰附近，该泵浦源使得泵浦低阈值的克尔透镜锁模的钛宝石激光器成为可能。随着光纤激光器的发展，我们相信488NM的光纤激光器将会是取代现有的全固态激光器的最佳选择。0022根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述。
14、以及其他目的、优点和特征。附图说明0023后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中0024图1为根据本发明一种典型实施例的克尔透镜锁模激光器的光路结构示意图；0025图2为根据本发明一种实施例的克尔透镜锁模激光器用强度自相关仪测得的脉说明书CN104201548A3/5页6冲宽度信号；以及0026图3为根据本发明一种实施例的克尔透镜锁模激光器用光谱仪测得的输出光谱信号。具体实施方式0027为了解决现有技术中由于泵浦源成本高、泵浦运行功率高、光束质量差导致的钛。
15、宝石激光器性能差且转换效率低的问题，本发明提供了一种488NM激光泵浦的克尔透镜锁模钛宝石激光器，用于输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。如图1所示，在本发明的一个典型实施例中，钛宝石激光器包括用于提供泵浦激光的泵浦源10、由多个光学元件限定的谐振腔30以及用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体20。0028其中，泵浦源为输出波长为488NM的光纤激光器。输出波长为488NM的光纤激光器具有光束质量好、强度噪声低、输出线宽窄的优势，并且488NM输出波长恰好在钛宝石晶体的吸收峰附近，能够产生脉宽小于10FS的稳定锁模激光脉冲。多个光学元件布置成能够与泵浦源10和钛宝石激光晶体20一起以克尔透镜锁模机。
16、制工作。谐振腔30用于提供一往返光路，以在其内形成振荡激光。用作增益介质和克尔介质的钛宝石激光晶体20设置在谐振腔30内，优选地，钛宝石激光晶体20相对于泵浦激光以布儒斯特角放置，该放置方式能够减少输出光腔内损耗，0029在本发明的一种典型实施例中，泵浦源10的输出线宽小于1MHZ。该范围线宽的泵浦源10具有光束质量好、功率稳定性和可靠性高等优势。优选地，泵浦源的光束质量因子M2小于11，功率抖动小于1。采用本发明的泵浦源10能够在较低的功率下产生脉宽小于10FS的稳定锁模激光脉冲，而且赋予了488NM蓝光波长泵浦的钛宝石激光器低损耗如试验中，激光晶体20的长度为3MM、5327CM1的钛宝石。
17、激光器泵浦光的吸收率高达920030在本发明的一个典型实施例中，谐振腔30具有第一平面啁啾镜31、第二平面镜32以及沿往返光路设置在第一平面啁啾镜31和第二平面镜32之间的第一凹面啁啾镜33、第二凹面啁啾镜34和第三平面啁啾镜35。其中，第一平面啁啾镜31设置在往返光路的第一端部处用于反射振荡激光。第二平面镜32作为输出镜，设置在往返光路的第二端部处，其除了具有输出少量透过光的作用外，还可以将振荡激光不停地反射回谐振腔30内，即用于部分反射和部分透射振荡激光。0031如图1所示，泵浦源10发出的泵浦激光透过第一凹面啁啾镜33后入射到钛宝石激光晶体20上，经振荡产生的振荡激光入射到第二凹面啁啾镜。
18、34上，并被第二凹面啁啾镜34和第三平面啁啾镜35依次反射后入射到第一平面啁啾镜31上。第一平面啁啾镜31将振荡激光原路返回，到达第一凹面啁啾镜33，并被第一凹面啁啾镜33反射至第二平面镜32上，一部分振荡激光被第二平面镜32上反射回谐振腔30，另一部分振荡激光透过第二平面镜32输出经克尔透镜锁模的激光脉冲。0032第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34分别相对地设置在钛宝石激光晶体20的两侧。优选地，第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34之间的距离为5060MM。采用啁啾镜主要是考虑到色散补偿的问题，第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34均提供70FS2的负色散。第一平面啁啾镜31和第三平面。
19、啁啾镜35用来补偿谐振腔30内空气说明书CN104201548A4/5页7以及激光晶体引入的正常色散，每片平面啁啾镜提供50FS2的负色散。泵浦激光经过两面凹面啁啾镜和两面平面啁啾镜补偿色散量后，腔内总的色散量为负值。0033在本发明的一个优选实施例中，第一凹面啁啾镜33与第二凹面啁啾镜34的曲率半径R50MM。其中，曲率半径的大小主要影响到激光晶体中心聚集光斑大小，进而影响晶体的克尔透镜效应的强弱。两个凹面啁啾镜的曲率半径在上述数值范围内，聚焦光斑小且空间紧凑，即为紧聚焦的腔型设计结构，该结构保证了振荡激光在钛宝石激光晶体20的中心处足够小，能够减小振荡激光在钛宝石晶体上的束腰大小，保证钛宝。
20、石激光晶体20上的激光束腰与泵浦光的模式匹配，增加了腔内的功率密度，增强了克尔透镜效应，有利于克尔透镜锁模的形成以及低泵浦功率的运行。进一步优选地，第一凹面啁啾镜33和第二凹面啁啾镜34的曲率半径R50MM。0034为了增强反射和透射的效果，在本发明的一种优选实施例中，第二平面镜32面向谐振腔30内的一面镀有在振荡激光处输出耦合率为3的介质膜，其背向谐振腔30内的一面镀有对振荡激光增透的介质膜。本发明采用透过率为04的增透介质膜，主要目的是减小振荡激光的透过率，使得振荡激光能够在谐振腔30内多次反射振荡，进而增强谐振腔30内的功率密度，提高激光晶体20的克尔透镜效应，有利于实现克尔透镜锁模。振。
21、荡激光的波长为6701050NM。采用本发明的泵浦源，当第二平面镜32的输出率为05时，钛宝石激光器中锁模阈值的最低值可达280MW。0035本发明对钛宝石激光晶体20的形状没有特殊限制，只要能够满足足够的增益长度3MM即可。如可以为圆柱体、长方体、正方体等。在一个优选实施例中，钛宝石激光晶体20的尺寸为3MM3MM29MM。0036在本发明的一个优选实施例中，第一凹面啁啾镜33面向泵浦源10的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第一凹面啁啾镜33面向谐振腔30的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。同理，第二凹面啁啾镜34背向泵浦源10的一面镀有对泵浦激光增透的介质膜；第。
22、二凹面啁啾镜34面向谐振腔30的一面依次镀有对泵浦激光增透的介质膜以及对振荡激光增反的介质膜。0037下面结合图1具体说明泵浦激光在钛宝石激光器中的振荡过程。从光纤激光器发出波长为488NM的泵浦激光输出功率为2W，经过一个光学耦合聚焦单元用于将来自泵浦源10的泵浦激光聚焦于激光晶体上聚焦，聚焦后的光斑直径约为20M，聚焦长度为50MM。聚焦后的泵浦激光经第一凹面啁啾镜33后入射到钛宝石激光晶体20上。激光晶体20为5327CM1、FOMFIGUREOFMERIT，品质因数100的TISAPPHIRETISAPPHIRE，掺钛蓝宝石，简称钛宝石晶体，规格为3MM3MM29MM。为了避免由于热积。
23、累导致输出激光的稳定性变差，钛宝石激光晶体20以布儒斯特角放置在水冷铜块上。产生的振荡激光入射到第二凹面啁啾镜34上后并被第二凹面啁啾镜34和第三平面啁啾镜35依次反射，入射到位于端部的第一平面啁啾镜31上。第一平面啁啾镜31反射振荡激光并将其原路返回，到达第一凹面啁啾镜33，并被第一凹面啁啾镜33反射，最终入射到第二平面镜32上，透过第二平面镜32可输出脉宽小于10FS的稳定克尔透镜锁模的激光脉冲。第一平面啁啾镜31和第二平面镜32构成了谐振腔30的两个端镜，整个谐振腔30的长度为101M，对应重复频率为148MHZ。用ABCD矩阵计算得到晶体上的束腰为76M105M。0038本发明所提供的。
24、钛宝石激光器可以获得输出功率为150MW的稳定连续克尔透镜说明书CN104201548A5/5页8锁模。图2为采用型号为FR103MN的强度自相关仪测得的脉冲自相关信号。从图2中可以看出，在双曲脉正割型脉冲假设下，对应的脉冲宽度为82FS，可见，采用本发明所提供的钛宝石激光器能够产生脉宽小于10FS的稳定锁模激光脉冲。利用光谱仪测得的光谱如图3所示。从图3中可以看出，其中心波长为800NM，光谱全宽约400NM，经过傅里叶变换计算，该光谱宽度可以支持脉冲宽度为亚10FS的锁模脉冲。0039可见，本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧，适于重复生产和组装，适于批量化生产，具有成本低、激光单向输出、高重复频率、亚10FS量级的脉冲宽度、低阈值等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。0040至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。说明书CN104201548A1/2页9图1图2说明书附图CN104201548A2/2页10图3说明书附图CN104201548A10。