一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb:YAG薄片激光器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb =YAG薄片激光
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技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb:YAG薄片激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]激光二極管泵浦的固態(tài)激光技術(shù)集合了傳統(tǒng)固體激光器和半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢(shì)，具有效率高、成本低、輸出穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、方便實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在激光加工、醫(yī)療、測(cè)量、顯示、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在固體激光器中存在一個(gè)普遍的問(wèn)題:散熱不均勻，存在熱透鏡和熱應(yīng)力等效應(yīng)。熱透鏡效應(yīng)的存在，不僅限制了激光器的輸出功率，而且會(huì)導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量的下降。除此之外，晶體內(nèi)部存在的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致晶體的損壞。熱效應(yīng)成為限制固體激光器向高功率方向發(fā)展的重要因素。薄片結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是增益介質(zhì)的厚度很薄，通常為100?400 μ m，增益截面遠(yuǎn)大于介質(zhì)厚度。這種結(jié)構(gòu)使得薄片激光器可以承受較高的泵浦功率密度，同時(shí)增益介質(zhì)的溫度不會(huì)有大的變化。在縱向泵浦模式下，薄片結(jié)構(gòu)的熱梯度近似是一維的，熱梯度的方向垂直于介質(zhì)表面，產(chǎn)生的熱量可以被水冷帶走。因此熱透鏡、熱畸變和熱致雙折射等效應(yīng)可以最大程度避免。因此，薄片激光器可以實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出，同時(shí)可以保證輸出激光的光束質(zhì)量。由于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡在工作波長(zhǎng)以及飽和吸收特性等諸多參數(shù)上的可靈活設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，使其成為是常用的被動(dòng)鎖模元件。雖然半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的典型吸收恢復(fù)時(shí)間為lOOfs-lOOps量級(jí)，但是通過(guò)孤子鎖模機(jī)制，能夠從振蕩器中直接產(chǎn)生1fs左右的超短激光脈沖。而且同克爾透鏡鎖模相比，通過(guò)采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，鎖模狀態(tài)對(duì)諧振腔的調(diào)節(jié)要求不再那么苛刻，激光器的設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單、靈活，并且鎖模脈沖能夠自啟動(dòng)運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb:YAG薄片激光器，旨在解決固體激光器中存在的散熱不均勻，熱透鏡和熱應(yīng)力等效應(yīng)，限制了激光器的輸出功率，導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量的下降和晶體損壞的問(wèn)題。
[0004]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb:YAG薄片激光器，所述半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb:YAG薄片激光器依次設(shè)置有泵浦源、Yb: YAG薄片激光晶體、泵浦模塊、第二 GTI鏡、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、第一凹面鏡、石英片、第三凹面鏡、第一 GTI鏡、第二凹面鏡、輸出鏡；
[0005]所述泵浦源，用于輸出波長(zhǎng)為940nm的泵浦激光；
[0006]所述Yb:YAG薄片激光晶體，用于提供增益；
[0007]所述泵浦模塊，用于增大泵浦激光的吸收效率；
[0008]所述第一 GTI鏡和第二 GTI鏡，用于補(bǔ)償腔內(nèi)的色散；
[0009]所述半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，用于啟動(dòng)并維持鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)；
[0010]所述第一凹面鏡和第二凹面鏡，用于構(gòu)成共焦結(jié)構(gòu)；
[0011]所述石英片，用于產(chǎn)生非線性效應(yīng)，并使輸出的振蕩激光線偏振；
[0012]所述第三凹面鏡，用于將光斑聚焦到半導(dǎo)體可飽和吸收鏡上，增大半導(dǎo)體可飽和吸收鏡上的功率密度；
[0013]所述輸出鏡，用于輸出高功率的鎖模激光脈沖。
[0014]進(jìn)一步，所述泵浦源為光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光器，輸出功率為100W，經(jīng)光纖輸出后通過(guò)光學(xué)耦合系統(tǒng)，聚焦到增益晶體上的光斑直徑為2.3_。
[0015]進(jìn)一步，所述Yb = YAG薄片激光晶體為厚度220 μπι，直徑為10mm，摻雜濃度為7at.%的Yb:YAG，前表面鍍有對(duì)泵浦激光和增益激光的高透介質(zhì)膜，后表面鍍有對(duì)泵浦激光和振蕩激光的高反介質(zhì)膜，后表面直接固定在水冷熱沉上。
[0016]進(jìn)一步，所述泵浦模塊由屋脊棱鏡和拋物面鏡組成。
[0017]進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體可飽和吸收鏡調(diào)制深度為I %，飽和通量為90 μ J/cm2,弛豫時(shí)間小于500fs，中心波長(zhǎng)為1040nm，安裝在可調(diào)節(jié)的光學(xué)平移臺(tái)上，且放置在所述第三凹面鏡的焦點(diǎn)處。
[0018]進(jìn)一步，所述第一凹面鏡和第二凹面鏡的鏡片鍍有對(duì)振蕩激光高反介質(zhì)膜，R>99.9%，曲率半徑分別為Rl = 200mm，R2 = 150mm ;所述第二凹面鏡安裝在可調(diào)節(jié)的光學(xué)平移臺(tái)上。
[0019]進(jìn)一步，所述石英片的厚度為2mm。
[0020]進(jìn)一步，所述第三凹面鏡鏡片鍍有對(duì)振蕩激光高反介質(zhì)膜，R>99.9%，曲率半徑為R3 = 500mmo
[0021]進(jìn)一步，所述輸出鏡朝向諧振腔內(nèi)的一面鍍有對(duì)振蕩激光處具有一定輸出耦合率的介質(zhì)膜，另一面鍍有對(duì)振蕩激光的增透介質(zhì)膜。
[0022]本發(fā)明提供的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb:YAG薄片激光器，可以獲得高平均功率和高光束質(zhì)量的鎖模激光脈沖；首先Yb:YAG薄片激光晶體的散熱特性良好，可以承受較高的泵浦功率，進(jìn)而獲得較大的輸出功率；其次諧振腔內(nèi)，除半導(dǎo)體可飽和吸收鏡外的光學(xué)元件上的激光模式的直徑均較大(1.5?2mm)，大大降低的光學(xué)元件和Yb:YAG晶體的熱效應(yīng)，從而可以獲得高光束質(zhì)量的激光輸出；最后采用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模，可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)并能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；解決了固體激光器中存在的熱效應(yīng)的問(wèn)題，大大提高了鎖模固體激光器輸出的平均功率。本發(fā)明通過(guò)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡在Yb:YAG薄片激光晶體上實(shí)現(xiàn)了鎖模，獲得了 12.1W的飛秒激光脈沖輸出。本發(fā)明輸出的激光脈沖具有良好的光束質(zhì)量(M2〈l.1)，相比于以往的塊狀固體激光器，功率得到了明顯的提升。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb:YAG薄片激光器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖中:1、泵浦源；2、Yb = YAG薄片激光晶體；3、泵浦模塊；4、第二 GTI鏡；5、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡；6、第一凹面鏡；7、石英片；8、第三凹面鏡；9、第一 GTI鏡；10、第二凹面鏡；
11、輸出鏡；
[0025]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一個(gè)實(shí)施例的激光器得到的穩(wěn)定鎖模輸出的脈沖信號(hào)不意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一個(gè)實(shí)施例的激光器用強(qiáng)度自相關(guān)儀測(cè)得的脈沖寬度信號(hào)示意圖；
[0027]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的一個(gè)實(shí)施例的激光器用光譜儀測(cè)得的輸出光譜信號(hào)示意圖；
[0028]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的激光器用頻譜分析儀測(cè)得的頻譜圖；
[0029]圖中:(a)是分辨率IkHz時(shí)的頻譜；(b)是分辨率為10kHz時(shí)的頻譜。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0031]本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模的高功率Yb: Y AG薄片激光器光路如下:從泵浦源發(fā)出的940nm泵浦激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)，通過(guò)泵浦模塊聚焦到Y(jié)b:YAG薄片激光晶體上，由Yb = YAG薄片激光晶體產(chǎn)生的1.03 ym增益激光入射到第一 GTI鏡，并被第二GTI鏡和第三凹面鏡反射，入射到半導(dǎo)體可飽和吸收鏡上，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡將激光原路返回，到達(dá)第一凹面鏡，透過(guò)布儒斯特角放置的石英片，并被第二凹面鏡反射到輸出鏡，起振后通過(guò)輸出鏡輸出高功率、高功率的鎖模激光脈沖。
[0032]下面