激光二极管泵浦皮秒主动锁模固体平面波导激光器

摘要

一种激光二极管泵浦皮秒主动锁模固体平面波导激光器，其特征在于该激光器包括由全反射镜和输出耦合镜构成的谐振腔，在该谐振腔内置有平面波导工作介质、激光二极管泵浦源、光纤透镜、柱面镜和调制器，所说的平面波导工作介质是一块Nd:YAG晶体，上、下两面各被不掺杂Nd离子的YAG包边，两端面切成布儒斯特角，所述的激光二极管泵浦源的组成为：多个激光二极管组成的列阵、带有多条窄缝的反射镜和一全反射镜构成一矩形反射泵浦室，在窄缝的反射镜和全反射镜之间平行设置该波导工作介质。

说明书

技术领域：

本发明涉及固体平面波导激光器，特别是一种激光二极管泵浦皮秒主动锁模固体平面波导激光器。

背景技术：

自从1965年实现激光锁模以来，几年间，锁模光脉冲宽度从皮秒量级，达到亚皮秒量级(10^-13s)。到了80年代有了重大突破，1981年，美国贝尔实验室的R.L.Fork等人提出碰撞锁模理论，并在六镜环形腔中实现了碰撞锁模，得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列。

事实上，超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模(CPM)，以及90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。

超短(脉宽为皮秒和飞秒量级)、超强(功率为太瓦和拍瓦量级)激光脉冲，经光学系统聚焦后，焦点上功率密度高达10¹⁸～10²¹W·cm^-2，从而打开了一个崭新的学科领域——强场物理的大门。利用超短、超强激光，可以在实验室中创造出超高功率密度、超强电场、超强磁场、超高密度辐射场、超高光压、超高电子加速度和超高温度等极端物理条件，开展相对论等离子体非线性光学、电子加速器、高次谐波、实验天体物理学、非线性量子电动力学以及ICF快点火等前沿科学的理论和实验研究工作。

为了使这些激光器台式化，近几年来，大力发展激光二极管泵浦固体激光器。二极管泵浦固体激光器的工作可追溯到20世纪60年代初。1964年，Keys等人在4K温度下，用GaAs二极管激光泵浦U³⁺:CaF₂，得到了2.613μm的激光输出。1972年，Danielmeyer等人完成了室温下用二极管激光泵浦Nd:YAG的试验。

到了20世纪80年代，随着二极管激光输出功率的不断提高，激光二极管泵浦固体激光的研究工作已取得了长足的进展。激光二极管泵浦固体激光器的发展，强烈地刺激了大功率激光二极管(LD)的发展，1986年输出功率只有100mW，1988年实验室水平就提高到了8W，商品达到5W，1989年达到10W，到1993年已达到30W连续波阵列，美国光谱二极管公司研制出连续功率为120W的LD列阵。还报导已研制出准连续运转的LD阵列，其功率达到1500W，功率密度为3kW/cm²的水平。器件的结构形式已从单条LD发展成一维LD阵列、二维LD阵列、二维堆叠阵列。LD的结构由较简单的增益波导结构发展为折射率波导结构，量子阱结构等，而辐射波长已从770～990nm(GaAlAs)向红外900～1000nm(InGaAs)和可见光630～680nm(AlGaInP)扩展。

二极管泵浦固体激光器，特别是平面波导激光器综合了二极管激光器重量轻、体积小和固体激光器高储能等优点，使得在一个结构紧凑、性能稳定、全固体化的器件上实现高功率、高光束质量、高效率、高稳定性和长寿命工作成为可能，是固体激光器一个有生命力的发展方向。

2002年，J.R.Lee等人采用面泵浦技术，用10个激光二极管棒泵浦(长为60mm，宽为11mm，厚为200μm，包边厚400μm)Nd:YAG激光器获得150W输出，光—光转换效率达35％，采用正支共焦非稳腔，光束亮度增加26倍，功率仅降低12％。

很遗憾的是，这种固体平面波导激光器，迄今以准连续方式工作，在一定程度上阻止了它的应用和发展。当然，波导激光器由于波导厚度较薄，通常最大厚度为200μm，因此在腔内衍射损耗很大，波导面距后腔镜约为1mm左右，在这1mm范围内，几乎不能插入任何光学元件，这给波导激光器向短脉冲方向发展设置了障碍。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种激光二极管泵浦皮秒主动锁模固体平面波导激光器，

本发明的技术构思是：在波导激光器谐振腔内插入一柱面扩束镜系统，将波导激光器的输出光束在厚度方向上扩大10倍，从而减低衍射损耗，然后再进行主动锁模。

所谓主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法，即在腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用一定的调制频率，周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。当选择的调制频率与纵模间隔相等时，对各个模的调制会产生边频，其频率与两个相邻纵模的频率一致。由于模之间的相互作用，使所有的模在足够的调制下达到同步，形成锁模序列脉冲。

本发明的技术解决方案是：

一种激光二极管泵浦皮秒主动锁模固体平面波导激光器，其特征在于该激光器包括由全反射镜和输出耦合镜构成的谐振腔，在该谐振腔内置有平面波导工作介质、激光二极管泵浦源、光纤透镜、柱面镜和调制器，所说的平面波导工作介质是一块Nd:YAG晶体，上、下两面各被不掺杂Nd离子的YAG包边，两端面切成布儒斯特角，所述的激光二极管泵浦源的组成为：多个激光二极管组成的列阵、带有多条窄缝的反射镜和一全反射镜构成矩形反射泵浦室，在窄缝的反射镜和全反射镜之间平行设置该平面波导工作介质。

所述的光纤透镜和柱面镜组成柱面扩束系统，并在其表面镀增透膜，倾斜放置在谐振腔内。

所说的调制器，是一台电光调制器，倾斜放置在谐振腔内，尽量靠近在反射镜处放置。

所述的反射镜是一块全反射镜，它呈劈形，包含两个面，所说的反射镜是一块输出耦合镜，它呈劈形，包含两个面，只有反射镜的内腔镜面和输出耦合镜的后腔镜面构成振荡器。

本发明的技术效果是：迄今还没有看到过一篇介绍关于主动锁模的激光二极管泵浦固体平面波导激光器的文章。本发明考虑到固体波导激光器，由于工作介质厚度很薄，最大尺寸仅为200μm，衍射损耗非常大，在腔内很难插入光学元件，故在腔内加了一个柱面扩束系统，相当于将波导厚度扩大到2mm，然后再进行主动锁模。

附图说明：

图1为在先技术泵浦源装置图

其中：A-激光泵浦室视图  B-从激光二极管棒发射的泵浦光路程图。

图2为本发明激光二极管泵浦皮秒主动锁模固体平面波导激光器示意图。

具体实施方式：

本发明的激光二极管泵浦皮秒主动锁模固体平面波导激光器实施例示意图如图2所示，它由7部分组成：平面波导工作介质1，激光二极管泵浦源2，光纤透镜3，柱面镜4，调制器5，全反射镜6，输出耦合镜7。

所说的平面波导工作介质1是一块Nd:YAG晶体，其厚度为200μm，宽为11mm，长为60mm，上、下两面各被不掺杂Nd离子的YAG包边，两端面切成布儒斯特角。

所说的泵浦源2是由10根激光二极管组成的列阵，并带有泵浦室，用来泵浦波导工作介质1(参见在先技术：A.Faulstich，H.J.Baker，and D.R.Hall，optics Letters，1996，21(8)，594)，如图1所示，(a)激光泵浦室视图(b)从激光二极管棒发射的泵浦光路程图。

由于平面波导通常是很薄的，一般为200-400μm，因此泵浦功率的单程吸收非常低，为了解决这一问题，他们设计了一矩形反射泵浦室：所述的激光二极管泵浦源2的组成为：多个激光二极管组成的列阵21、带有多条窄缝的反射镜22和一全反射镜23构成一矩形反射泵浦室，在窄缝的反射镜22和全反射镜23之间平行设置该波导工作介质1。

从激光二极管列阵21辐射的泵浦光通过一个紧靠它的带有多条窄缝的窄缝反射镜22，入射到待泵浦的波导工作介质1中去，透过工作介质1的泵浦光被另一全反射镜23反射后，再一次进入工作介质1中，再被带有窄缝的反射镜22反射，第三次进入工作介质1，经多次入射反射，可以获得均匀的泵浦。

所说的柱面扩束系统是由光纤透镜3和柱面镜4组成(参见在先技术：D.P.Shepherd，C.L.Bonner，C.T.A.Brown等，optics Communications 1999，160，47)，并在其表面镀增透膜，倾斜放置在谐振腔内。

所说的调制器5，是一台电光调制器，倾斜放置在谐振腔内，尽量靠近反射镜6处放置。    

所说的反射镜6是一块全反射镜，它呈劈形，包含61，62两个面。

所说的反射镜7是一输出耦合镜，它呈劈形，包含71，72两个面，只有反射镜6的内腔镜面61和输出耦合镜7的后腔镜面71构成振荡器。

平面波导激光器的工作介质1被激光二极管泵浦源2激励以后，产生粒子数反转，产生受激辐射，这个辐射被柱面扩束系统光纤透镜3和柱面镜4放大，进入到电光调制器5，振荡模的振幅经调制以后，被全反射镜61反射，重复上述过程，经输出耦合镜71以后，获得一序列等间距脉冲。

这一序列脉冲，用一开关选择进入到下一级放大器中去进行功率放大，可获得皮秒量级脉冲，工作稳定可靠。它在国防工业、高速摄影方面有着广泛的用途。