專利名稱：兩腔串聯(lián)的全固化飛秒激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飛秒激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種兩腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)的全固化飛秒激光器。
背景技術(shù)：
近年來，飛秒激光在物理學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)控制反應(yīng)、光通訊等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。特別是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變?cè)缙谠\斷、醫(yī)學(xué)成象和生物活體檢測、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和不可替代的作用。另外，高功率飛秒激光在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲(chǔ)存和記錄方面也有著很好的發(fā)展前景。高功率飛秒激光與物質(zhì)相互作用，能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的中子，實(shí)現(xiàn)激光受控核聚變的快速點(diǎn)火。從而為人類實(shí)現(xiàn)新一代能源開辟一條嶄新的途徑。
日本科學(xué)家大膽預(yù)測，21世紀(jì)將是飛秒激光的世紀(jì)。然而，作為提供飛秒激光的激光源-------飛秒激光器，它的應(yīng)用領(lǐng)域和用戶數(shù)量始終受到限制，要進(jìn)一步擴(kuò)大飛秒激光器應(yīng)用領(lǐng)域和用戶數(shù)量，需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題(1)、機(jī)構(gòu)緊湊，小型化，使用方便，只需“開”和“關(guān)”等簡單操作，使不懂激光的人員也能很好的使用。
(2)、穩(wěn)定可靠，檢調(diào)周期長(如1年)，對(duì)工作環(huán)境無苛刻要求。
(3)價(jià)格低廉。價(jià)格始終是限制用戶數(shù)量的一個(gè)瓶頸。應(yīng)當(dāng)說，目前的摻鈦寶石飛秒激光器在使用的方便程度和穩(wěn)定可靠性方面已做得不錯(cuò)，但其10-30萬美元的價(jià)格使許多潛在用戶感到無奈。
另外，值得特別提出的是，Cr3+:LiSAF的熱導(dǎo)性能差，隨著泵浦功率的提高，晶體溫度升高，Cr3+的上能級(jí)壽命下降，這樣在泵浦功率一定的條件下會(huì)導(dǎo)致Cr3+:LiSAF激光的輸出功率下降。由于Cr3+:LiSAF晶體本身的熱導(dǎo)性能差而導(dǎo)致Cr3+:LiSAF激光的輸出功率難以提高，這一直以來是一個(gè)困難。雖然目前大多使用的用水冷來冷卻晶體的措施能緩解這一困難，但其冷卻效果有限，而且引入冷卻系統(tǒng)造成整個(gè)激光器系統(tǒng)繁雜，不符合小型化全固化的要求，是治標(biāo)不治本的方法。我們采用兩腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)，使同樣的泵浦功率分散在兩個(gè)腔內(nèi)的兩塊晶體內(nèi)，僅采用自然冷卻就能避免這一問題，從而解決了Cr3+:LiSAF晶體的熱效應(yīng)難題。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，這種兩腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)的泵浦效率比單腔的泵浦效率要高得多，激光輸出功率較單腔有很大程度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)小型化、性能穩(wěn)定可靠，使用方便和價(jià)格低廉的全固化飛秒激光器。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的全固化飛秒激光器，諧振腔采用兩腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)，四個(gè)半導(dǎo)體激光器分別端泵兩塊激光晶體，其結(jié)構(gòu)見圖1所示。具體結(jié)構(gòu)由四個(gè)半導(dǎo)體激光泵浦源(即激光二極管)、四個(gè)鍍膜球面反射鏡、兩塊作為增益介質(zhì)的激光晶體、兩個(gè)棱鏡對(duì)、一個(gè)全反鏡和輸出耦合鏡組成。其中平面全反鏡PM，球面反射鏡M1、M2，激光晶體(LiSAF1)組成激光腔1，兩個(gè)半導(dǎo)體激光器在兩端泵浦，球面反射鏡M3、M4，輸出耦合鏡OC，激光晶體(LiSAF2)組成激光腔2，兩個(gè)半導(dǎo)體激光器在兩端泵浦；激光腔1和激光腔2串聯(lián)起來構(gòu)成兩腔串聯(lián)的全固化飛秒激光器。輸出中心波長為830nm，脈寬約100fs。
上述結(jié)構(gòu)中，在鎖模狀態(tài)下輸出脈沖時(shí)，上述全反鏡PM換為半導(dǎo)體飽和吸收鏡(SESAM)。
本發(fā)明中，四個(gè)泵浦光源是輸出中心波長在673nm、額定輸出光功率350mw的單結(jié)AlGaInP半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器輸出的激光經(jīng)準(zhǔn)直后通過波長673nm附近高透的球面反射鏡進(jìn)入激光晶體。四個(gè)球面反射鏡曲率半徑為10cm，在泵浦光波長673nm附近高透，在激光波長830nm附近高反。平面鏡PM在激光波長830nm高反(反射率為99％以上)，輸出耦合鏡的輸出耦合率為1.5％。激光晶體為布儒斯特角入射的Cr3+:LiSAF晶體，摻雜濃度為1.5％，晶體長度5mm。本激光器結(jié)構(gòu)中，臂L1，L2長約0.8m，臂L長約1.6m，M1，M2相距約0.103m，M3，M4相距約0.103m，球面反射鏡的折疊角約6度。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的全固化飛秒激光器的工作原理如下半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦激光經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)入激光晶體，由于泵浦激光波長在673nm，這正好是Cr:LiSAF晶體的吸收峰，Cr:LiSAF晶體吸收泵浦光后受激輻射產(chǎn)生830nm波長的激光。由于四個(gè)球面反射鏡有6度的折疊角，并在激光波長830nm附近高反，2塊激光晶體受激輻射產(chǎn)生的激光在PM，M1，M2，M3，M4，OC鏡之間來回反射形成振蕩產(chǎn)生激光并由輸出耦合鏡輸出830nm的CW激光。將全反鏡PM換成半導(dǎo)體可飽和吸收鏡SESAM，并插入Slit aperture，啟動(dòng)鎖膜，可輸出約100fs的飛秒脈沖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光泵浦的全固化飛秒激光器系統(tǒng)，它符合小型化(外觀尺寸50cm×30cm×20cm，含電源)、穩(wěn)定可靠(檢調(diào)周期＞半年)、使用方便(只需“開”、“關(guān)”操作)和價(jià)格低廉(10萬人民幣左右/臺(tái))等要求，具有廣闊的市場前景。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖示。
圖2為各元件之間的距離的標(biāo)注圖示。
圖中標(biāo)號(hào)PM為平面反射鏡，SESAM為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，M1、M2、M3、M4都為球面反射鏡，OC為輸出耦合鏡，L1、L2為準(zhǔn)直透鏡，Slit aperture為可調(diào)光闌，raser diode為半導(dǎo)體激光器(泵浦光源)，prism pair為棱鏡對(duì)，α1、α2為折迭角。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1所示，本全固化飛秒激光器由平面反射鏡PM，球面反射鏡M1，激光晶體Cr3+:LiSAF，球面反射鏡M2，球面反射鏡M3，激光晶體Cr3+:LiSAF，球面反射鏡M4，輸出耦合鏡OC依次排列而成。首先，仔細(xì)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體二極管和準(zhǔn)直透鏡L1，L2，使半導(dǎo)體二極管輸出的激光耦合到激光晶體內(nèi)。然后在滿足象散補(bǔ)償條件下仔細(xì)調(diào)整折疊角α1，α2和端鏡PM，MO，使光線垂直入射到端鏡上，然后微調(diào)M1，M2和激光晶體LiSAF1，使在MO上能輸出CW激光，這樣激光腔1調(diào)整完畢。同上所述，調(diào)整元件使激光腔2也輸出激光。然后抽除端鏡MO，兩個(gè)激光腔串聯(lián)成一個(gè)腔，仔細(xì)調(diào)節(jié)球面鏡M2，M3，使兩腔內(nèi)光束共線。然后微調(diào)球面鏡M1，M2，M3，M4以及激光晶體的位置，使輸出耦合鏡OC上輸出CW激光功率最大。將全反鏡PM換成可飽和吸收鏡，并插入光闌，啟動(dòng)鎖膜，就可以輸出飛秒激光。
權(quán)利要求
1.一種全固化飛秒激光器，其特征在于諧振腔采用兩腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)，四個(gè)半導(dǎo)體激光器分別端泵兩塊激光晶體，它由四個(gè)半導(dǎo)體激光泵浦源、四個(gè)鍍膜球面鏡、兩塊作為增益介質(zhì)的激光晶體、一個(gè)全反鏡和輸出耦合鏡組成，其中平面全反鏡PM，球面反射鏡M1、M2，激光晶體Li SAF1組成激光腔1，兩個(gè)半導(dǎo)體激光器Laser diode在兩端泵浦，球面反射鏡M3、M4，輸出耦合鏡OC，激光晶體Li SAF2組成激光腔2，兩個(gè)半導(dǎo)體激光器Laserdiode在兩端泵浦；激光腔1和激光腔2串聯(lián)起來構(gòu)成兩腔串聯(lián)的全固化飛秒激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固化飛秒激光器，其特征在于泵浦光源為輸出中心波長在673nm、額定輸出光功率350mw的單結(jié)AlGaInP半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固化飛秒激光器，其特征在于平面全反鏡PM在波長830nm附近高反射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固化飛秒激光器，其特征在于球面反射鏡M1、M2、M3、M4在波長673nm附近高透射，在波長830nm附近高反射，曲率半徑為10cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固化飛秒激光器，其特征在于輸出耦合鏡的輸出耦合為1.5％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固化飛秒激光器，其特征在于臂L1，L2長為0.8m，臂L長為1.6m，M1，M2相距為0.103m，M3，M4相距為0.103m，球面反射鏡的折疊角為6度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固化飛秒激光器，其特征在于激光晶體為布儒斯特角入射的Cr:LiSAF晶體，摻雜濃度為1.5％，晶體長度5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固化飛秒激光器，其特征在于在鎖模狀態(tài)下輸出脈沖時(shí)，將平面全反鏡PM換為半導(dǎo)體飽和吸收鏡。
全文摘要
本發(fā)明是一種兩腔串聯(lián)結(jié)構(gòu)的全固化飛秒激光器，由四個(gè)半導(dǎo)體激光泵浦源，四個(gè)鍍膜球面鏡，兩塊作為增益介質(zhì)的激光晶體，兩個(gè)棱鏡對(duì)，一個(gè)全反鏡(或半導(dǎo)體可飽和吸收鏡)和輸出耦合鏡組成。激光輸出中心波長830nm，調(diào)諧范圍約100nm，輸出脈沖脈寬約100fs。半導(dǎo)體泵浦光源輸出中心波長673nm。本激光器結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定可靠。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK1556560SQ200310121650
公開日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者錢列加, 王韜, 朱鶴元, 謝國強(qiáng) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)