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一种全固体自锁模飞秒激光器
    本发明属于固体激光器结构的改进。

    激光器的自锁模技术给固体激光器的超短脉冲的产生带来了深刻的变革。目前从钛宝石自锁模激光中直接产生了6.5fs的最短光脉冲，采用腔外压缩技术得到小于5fs的光脉冲。而利用啁啾脉冲放大技术使固体激光系统可获得极高的峰值功率密度和大的输出能量，由此固体激光器的超快强激光物理成为研究热点。由于全固体激光器是由激光二极管(LD)泵浦固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长、稳定性好等优点，所以全固体自锁模激光器已成为激光领域研究的发展方向。

    实现固体激光器的自锁模则要求激光增益介质具有大的非线性系数(n2)，以提供足够强的自聚焦效应，并降低自锁模的启动功率。如：Ti:Sapphire、Cr:LiSAF、Nd；YAG、Nd:YLF等激光增益介质都有大的非线性系数，能满足自锁模的要求。但是Cr:LiSAF介质不能输出1054nm的激光脉冲，而Nd；YAG、Nd:YLF、Ti；Sapphire等增益介质虽可输出1054nm左右的激光脉冲，但Nd:YAG和Nd:YLF因光谱半宽窄而不能产生飞秒脉冲，其中Ti:Sapphire在1054nm波长上增益较低，且不能用激光二极管直接泵浦；Nd:LMA(La1-xMgNdxAl11O19)激光介质的中心波长虽在1054nm上，由于其本身的非线性系数较小，不能直接进行克尔透镜锁模。所以迄今未见有能产生1054nm激光脉冲的全固体自锁模飞秒激光器。

    本发明的目地就是克服上述存在问题，设计出一种能产生1054nm激光脉冲的全固体自锁模飞秒激光器。

    本发明所设计的能输出1054nm波长的全固体自锁模飞秒激光器是由泵浦光学系统与激光谐振腔耦合构成，采用高掺杂浓度的Nd:LMA为增益介质，用SF57做克尔介质，以激光二极管泵浦实现；其具体技术方案为，以激光二极管为泵浦源，泵浦光通过泵浦光学系统进入激光谐振腔，在光学系统中设置有光学透镜组和半波片；激光谐振腔的结构依次为，Nd:LMA增益介质，其输入面为平面端，镀有双色膜，即对泵浦光高透射，对1054nm的激光波长高反射，另一端为布氏角切割，增益介质输出光束经过狭缝到高反射前凹面镜，与前凹面镜相对位置设有高反射后凹面镜，在两凹面镜之间设置二端均为布氏角切割的SF57克尔介质，后凹面镜的出射光束经过一对补偿棱镜和狭缝到达输出平面镜，输出平面镜固定在微位移振动器上。本发明的特征还在于，整个激光谐振腔的光程长度在1154mm附近调整，从增益介质的平面端到前凹面镜的光程长度为400mm，从前凹面镜到后凹面镜的光程长度为74mm，其中前凹镜至克尔介质前端为24.7mm，从后凹面镜到输出平面镜的光程长度为680mm，其中棱镜对之间距为620mm。

    本发明所设计的全固体自锁模飞秒激光器，由于采用了具有较大非线性系数和较快响应时间的SF57做为克尔介质，增强了自聚焦效应，降低了自锁模自启动阈值功率，使Nd:LMA激光器实现了稳定的克尔透镜锁模，解决了Nd:LMA增益介质因非线性系数小不能直接自锁模的问题，其激光脉冲宽度可达610fs，波长1054nm；以激光二极管泵浦方式使Nd:LMA激光器实现了全固体化，成为体积小，输出稳定的飞秒激光光源，其在大规模和超大规模激光系统、场强物理、激光核聚变、X光激光及超快过程研究等领域具有重要的应用价值。

    附图1为本发明所设计以Nd:LMA为增益介质、SF57为克尔介质的全固体自锁模飞秒激光器的结构示意图，图中1为激光二极管，2为泵浦光学系统，3为半波片，4为增益介质，5为狭缝，6为前凹面镜，7为克尔介质，8为后凹面镜，9为补偿棱镜，10为补偿棱镜，11为狭缝，12为输出平面镜。

    以下结合附图详细说明本发明技术方案的实施和工作原理。

    本发明所设计全固体自锁模飞秒激光器的具体实施举例如下。泵浦源采用激光二极管，输出波长798nm，泵浦光学系统的结构顺序可以是复合准直透镜、柱面透镜、半波片(λ/2)、球面聚焦透镜组成，通过对泵浦光学系统的优化和最大耦合系数的计算，使泵浦光模式与激光腔模达到最佳匹配，其中采用半波片旋转泵浦光的偏振方向，以实现Nd:LMA晶体的最大偏振吸收，提高泵浦效率，Nd:LMA增益介质Nd掺杂浓度在9-15at％，晶体尺寸φ5×9mm，用铟皮包裹晶体并置于紫铜架内的方式散热，晶体的输入面为平面端，镀有双色膜，即对泵浦光高透射，对1054nm的激光波长高反射，晶体的另一端为布氏角切割；狭缝5的作用是与克尔介质的自聚焦效应结合形成类饱和吸收压缩光脉冲实现自锁模，狭缝11的作用是调谐激光振荡中心波长固定在1054nm，实现稳定的锁模脉冲输出；增益介质输出光经狭缝5到前凹面镜，从增益介质的平面端到前凹面镜的光程为400mm，前凹面镜至后凹面镜的光程长度为74mm，其中距克尔介质前端为24.7mm，在两凹面镜上都有高反射镀膜，且两凹面镜之间设置的SF57克尔介质长为15mm，其二端均为布氏角切割，SF57为光学玻璃材料的代号，同行技术人员都知道，为了实现象散补偿，前凹镜面曲率半径及其光束入射角的选取应考虑到增益介质布氏面和克尔介质前端布氏面的象散补偿，而后凹镜面曲率半径及其光束入射角的选取亦应考虑到克尔介质后端布氏面的象散补偿；后凹面镜的出射光经过色散补偿棱镜对9和10及狭缝11到达输出平面镜，其光程长度为680mm，其中棱镜对之间距为620mm，通过棱镜对9和10的垂直调整可使腔内色散得到补偿，实现超短光脉冲的输出；固定在微位移振动器上的输出平面镜，选取低透过率(＜0.2％)的输出耦合镜，以提高腔内增益功率，增强腔内非线性。

    按上述举例要求制作的Nd:LMA的全固体自锁模飞秒激光器，得到的输出波长为1054nm，光脉冲宽度610fs，光谱半宽2.1nm的飞秒激光脉冲；其锁模平均输出功率为15mW，重复频率为130MHz；其用3W激光二极管泵浦连续运转，在1054nm波长连续输出功率为620mW，斜效率50％，光-光转换效率20％。所设计的激光器并不是自启动，是通过振动输出腔镜12来实现自启动，但其锁模是自维持的，即关掉振动器后，锁模仍能够自维持。