一种集成化调Q激光器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种集成化调Q激光器及其控制方法。本发明专利技术采用了反射式调Q薄片激光晶体作为种子源，只需要一个泵浦、薄片激光晶体和可饱和吸收镜即可产生较稳定的调Q脉冲序列，结构简单、成本低；光纤放大器采用了成本更加低廉，鲁棒性更好的双包层光纤，实现了对种子源激光器的种子光的相干扩谱，并获得了中心波长1064nm，s偏振，平均功率150mW，重复频率600kHz，脉冲宽度为6ps的脉冲序列，单脉冲能量为0.25μJ，峰值功率高达42kW；相比于其他的皮秒级短脉冲激光器，在工业应用上更具优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及固体激光器调Q技术，具体涉及一种集成化调Q激光器及其控制方法。
技术介绍
锁模激光器脉冲超短，重复频率确定、峰值功率高，在科学研究和工业加工中有不可替代的应用价值。但是对比普通的激光器，锁模激光器重复频率在MHz量级，单脉冲能量低、结构复杂，价格高，妨碍了其应用。皮秒激光器，特别是1皮秒-10皮秒脉宽的脉冲，比飞秒脉冲更有调Q激光器直接输出重复频率kHz量级、脉冲能量几十纳焦至几十微焦的脉冲。但是脉冲宽度一般在几百皮秒以上。Zayhowski、Wilson等人在IEEEJ.QuantumElectronics上发表的论文《Pump-inducedbleachingofthesaturableabsorberinshort-pulseNd:YAG/Cr4+:YAGpassivelyQ-switchedmicrochiplasers》中的调Q激光器，是透过式，不是反射式，而且需要用到两种晶体，Nd:YAG和Cr4+:YAG,因为Cr4+:YAG可饱和恢复时间长，所以直接输出的脉冲宽度在100皮秒以上。Spühler、Paschotta等人在J.Opt.Soc.Am.B上发表的论文《ExperimentallyconfirmeddesignguidelinesforpassivelyQ-switchedmicrochiplasersusingsemiconductorsaturableabsorbers》中的调Q激光器虽然使用了半导体可饱和吸收体，但是直接输出的脉冲仍然无法达到10ps量级，且并未给出放大方案。Steinmetz、Tünnermann等人在OpticsLetters上发表的论文《Sub-5-ps,multimegawattpeak-powerpulsesfromafiber-amplifiedandopticallycompressedpassivelyQ-switchedmicrochiplaser》在激光放大部分使用了棒状光子晶体光纤，成本较高，放大自发辐射比较严重，且无法与正常光纤熔接，所以空间光路比较长，不利于集成化。连续运转的激光器中，工作物质反转集居数密度Δn增加到阈值以上就会产生激光，Δn超过Δnt时，受激辐射增强，上能级粒子数大量消耗，使得反转集居数Δn下降，当Δn低于Δnt时，受激辐射衰减，随后泵浦的抽运又使上能级粒子数不断累积，产生第二个激光尖峰。这样的过程不断重复，可以产生一系列小的尖峰脉冲，但这些尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，峰值功率一般为几十千瓦量级，而且，增大输入能量时，只能使尖峰脉冲的数量增多，而无法有效地提升峰值功率，同时，这种脉冲的时间特性也很差。人们为了得到更高峰值功率、更窄脉冲宽度的激光器，专利技术了Q调制技术。Q调制的基本原理是通过周期性的改变腔内的损耗因子δ(或Q值)，在泵浦激励开始时使得腔内损耗δH较高，这样由于阈值较高，激光腔内无法产生振荡，上能级可以积聚较多的粒子。随后，在适当的时刻，突然降低腔内损耗，激光腔的阈值也随之迅速降低，受激辐射迅速增强，在极短的时间内，上能级粒子大量跃迁，形成一个很强的激光脉冲。
技术实现思路
为了获得小于10皮秒的脉冲，本专利技术提出一种超薄晶体和可饱和吸收镜结合并放大的激光器。本专利技术的一个目的在于提出一种集成化调Q激光器。本专利技术的集成化调Q激光器包括：种子源激光器、光纤放大器和脉冲压缩器；其中，种子源激光器采用反射式调Q薄片激光器，产生稳定的调Q脉冲序列作为种子光；经光纤放大器，使得通过的种子光得到放大，形成高能量的脉冲序列；经脉冲压缩器提供负的群延迟色散，补偿脉冲中的正啁啾，从而压缩脉冲，获得高能量短脉宽的脉冲序列；种子源激光器包括泵浦、两个透镜、双色分光片、薄片激光晶体、可饱和吸收镜以及散热块，其中，薄片激光晶体和可饱和吸收镜紧密贴合，薄片激光晶体的前表面与可饱和吸收镜中的布拉格反射镜之间构成激光谐振腔；泵浦产生连续的种子源泵浦光，透过设置在两个透镜之间的双色分光片，经过两个透镜后聚焦到薄片激光晶体上；通过在激光谐振腔中的可饱和吸收镜的可饱和吸收效应控制谐振腔损耗，从而在激光谐振腔中形成脉冲激光；部分脉冲激光从薄片激光晶体的前表面透射，作为种子光，经双色分光片反射输出，经光纤放大器，由脉冲压缩器的双光栅对脉冲压榨。薄片激光晶体的前表面镀有泵浦光高透膜和种子光部分反射膜，薄片激光晶体的后表面镀有泵浦光高反膜和种子光高透膜；镀在薄片激光晶体前表面的泵浦光高透膜使得泵浦光透过薄片激光晶体的前表面，镀在薄片激光晶体后表面的泵浦光高反膜使得泵浦光反射回薄片激光晶体从而双次通过薄片激光晶体，提升泵浦效率，并防止多余的泵浦光打在可饱和吸收镜上，产生热量；镀在薄片激光晶体前表面的种子光部分反射膜，取激光谐振腔中部分能量作为输出。薄片激光晶体和可饱和吸收镜紧密贴合，使得二者接触面中无空气，通过大气压将二者紧压在一起。可饱和吸收镜包括可饱和吸收体和布拉格反射镜，薄片激光晶体的前表面与可饱和吸收镜中的布拉格反射镜之间构成的激光谐振腔，理论上是一种平行平面腔，实际工作时，种子源泵浦光聚焦位置的薄片激光晶体受热膨胀，前表面会产生微小凸起，产生一个近似的平凹腔，更有利于激光谐振腔的稳定，也能产生比较好的横模，有利于后续耦合和放大。本专利技术涉及的主要为被动调Q技术，即在激光谐振腔中放置一块可饱和吸收体，利用它的可饱和吸收效应控制谐振腔损耗。在本专利技术中可饱和吸收体采用半导体吸收层。半导体产生可饱和吸收的基本原理是利用半导体的吸收特性，其吸收波长取决于禁带宽度，例如常见的III-V族化合物半导体，砷化镓(GaAs)的禁带宽度Eg＝1.423eV，吸收波长为870nm；磷化铟(InP)的吸收波长类似，禁带宽度Eg＝1.423eV。人们常使用三元化合物调节半导体的吸收波长。一般来说，半导体的吸收的特征弛豫时间有两个，一是导带内子带间的热平衡时间(热化过程，intrabandthermalization)，二是带间跃迁时间(interbandtransition)。热化过程是指收到激发的导带电子向子带的跃迁过程，这个特征时间很短，一般在100～200fs；带间跃迁时间是指电子从导带向价带的跃迁过程，这个特征时间相对较长，在数皮秒至数十皮秒，取决于半导体生长参数。半导体用于锁模时利用的一般是热化过程，用于调Q时利用的一般是带间跃迁过程。本专利技术中利用的是带间跃迁过程。本专利技术的光纤放大器是三级放大系统，包括：第一准直器、第一级放大、第二级放大、第三级放大和第二准直器；其中，来自种子源激光器的种子光通过准直器耦合进入第一级放大；第一级放大包括第一光纤式隔离器、第一波分复用器、第一滤波器和第一单模增益光纤，种子光通过第一光纤式隔离器防止后续放大的脉冲反射回种子源，与第一级放大泵浦光由第一波分复用器进入第一单模增益光纤，放大后的脉冲经过第一滤波器滤波，进入第二级放大；第二级放大包括第二光纤式隔离器、第二波分复用器、第二滤波器和第二单模增益光纤；第二级放大与第一级放大的过程相同，经过第二级放大后，脉冲进入第三级放大；第三级放大包括第三光纤式隔离器、第三波分复用器和双包层光纤，双包层光线包括纤芯以及包裹纤芯的同轴的内包层和外包层，经第二级放大的脉冲通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成化调Q激光器，其特征在于，所述调Q激光器包括：种子源激光器、光纤放大器和脉冲压缩器；其中，所述种子源激光器采用反射式调Q薄片激光器，产生稳定的调Q脉冲序列作为种子光；经所述光纤放大器，使得通过的种子光得到放大，形成高能量的脉冲序列；经所述脉冲压缩器提供负的群延迟色散，补偿脉冲中的正啁啾，从而压缩脉冲，获得高能量短脉宽的脉冲序列；所述种子源激光器包括泵浦、两个透镜、双色分光片、薄片激光晶体、可饱和吸收镜以及散热块，其中，薄片激光晶体和可饱和吸收镜紧密贴合，薄片激光晶体的前表面与可饱和吸收镜中的布拉格反射镜之间构成激光谐振腔；泵浦产生连续的种子源泵浦光，透过设置在两个透镜之间的双色分光片，经过两个透镜后聚焦到薄片激光晶体上；通过在激光谐振腔中的可饱和吸收镜的可饱和吸收效应控制谐振腔损耗，从而在激光谐振腔中形成脉冲激光；部分脉冲激光从薄片激光晶体的前表面透射，作为种子光，经双色分光片反射输出，经光纤放大器，由脉冲压缩器的双光栅对脉冲压榨。

【技术特征摘要】
1.一种集成化调Q激光器，其特征在于，所述调Q激光器包括：种子源激光器、光纤放大器和脉冲压缩器；其中，所述种子源激光器采用反射式调Q薄片激光器，产生稳定的调Q脉冲序列作为种子光；经所述光纤放大器，使得通过的种子光得到放大，形成高能量的脉冲序列；经所述脉冲压缩器提供负的群延迟色散，补偿脉冲中的正啁啾，从而压缩脉冲，获得高能量短脉宽的脉冲序列；所述种子源激光器包括泵浦、两个透镜、双色分光片、薄片激光晶体、可饱和吸收镜以及散热块，其中，薄片激光晶体和可饱和吸收镜紧密贴合，薄片激光晶体的前表面与可饱和吸收镜中的布拉格反射镜之间构成激光谐振腔；泵浦产生连续的种子源泵浦光，透过设置在两个透镜之间的双色分光片，经过两个透镜后聚焦到薄片激光晶体上；通过在激光谐振腔中的可饱和吸收镜的可饱和吸收效应控制谐振腔损耗，从而在激光谐振腔中形成脉冲激光；部分脉冲激光从薄片激光晶体的前表面透射，作为种子光，经双色分光片反射输出，经光纤放大器，由脉冲压缩器的双光栅对脉冲压榨。2.如权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述薄片激光晶体的前表面镀有泵浦光高透膜和种子光部分反射膜，所述薄片激光晶体的后表面镀有泵浦光高反膜和种子光高透膜；镀在薄片激光晶体前表面的泵浦光高透膜使得泵浦光透过薄片激光晶体的前表面，镀在薄片激光晶体后表面的泵浦光高反膜使得泵浦光反射回薄片激光晶体从而双次通过薄片激光晶体，提升泵浦效率，并防止多余的泵浦光打在可饱和吸收镜上，产生热量；镀在薄片激光晶体前表面的种子光部分反射膜，取激光谐振腔中部分能量作为输出。3.如权利要求2所述的调Q激光器，其特征在于，种子源泵浦光聚焦位置的薄片激光晶体受热膨胀，前表面会产生微小凸起，产生一个近似的平凹腔。4.如权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述可饱和吸收镜包括可饱和吸收体和布拉格反射镜，所述可饱和吸收体采用半导体吸收层。5.如权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述光纤放大器是三级放大系统，包括：第一准直器、第一级放大、第二级放大、第三级放大和第二准直器；其中，来自种子源激光器的种子光通过准直器耦合进入第一级放大；所述第一级放大包括第一光纤式隔离器、第一波分复用器、第一滤波器和第一单模增益光纤，种子光通过第一光纤式隔离器防止后续放大的脉冲反射回种子源，与第一级放大泵浦光由第一波分复用器进入第一单模增益光纤，放大后的脉冲经过第一滤波器滤波，进入第二级放大；所述第二级放大包括第二光纤式隔离器、第二波分复用器、第二滤波器和第二单模增益光纤；第二级放大与第一级放大的过程相同，经过第二级放大后，脉冲进入第三级放大；所述第三级放大包括第三光纤式隔离器、第三波分复用器和双包层光纤，双包层光线包括纤芯以及包裹纤芯的同轴的内包层和外包层，经第二级放大的脉冲通过第三光纤式隔离器后，与第三级放大泵浦光由第三波分复用器进入双包层光纤，种子光在纤芯中传播，第三级放大泵浦光在内包层中传输并反复以折线方式穿过...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志刚，刁如心，刘作生，汤燕鹏，
申请(专利权)人：北京大学，北京铟尼镭斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11