半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮秒蓝光激光器

摘要

本发明公开了一种半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮秒蓝光激光器，包括半导体激光器、单模光纤、光学聚焦耦合器、复合激光介质、第一平面反射镜M

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别是一种复合激光介质光学谐振腔腔内锁模的 低重复频率全固态皮秒946nm波长激光器以及超短脉冲激光变频技术。

背景技术

半导体激光器(Diode laser，简称LD)泵浦的全固态皮秒激光器可以取代 当今使用范围较为广泛的液体染料皮秒激光器，解决了以染料作为可饱和吸收 体锁模时重复性差的缺陷，也从根本上解决了有毒染料对于环境的污染，是集 环保、低能耗为一体化的高科技激光产品。

当前，全固态皮秒激光器在工业、医疗、材料加工、科学研究、非线性频 率变换等领域具有广泛的用途，尤其是具有高峰值功率、低重复频率的皮秒蓝 光激光器在生物医疗、超大规模集成电路元件封装、芯片光刻、高密度光盘存 储、超快过程研究以及军事等领域有着重要的应用。因此，低重复频率全固态 皮秒蓝光激光器在使用上有着良好的市场前景。

另外，基于半导体激光器泵浦技术发展起来的全固体激光器具有体积小、 效率高、结构紧凑、性能稳定、工作安全等优点，成为了当今激光技术发展的 主流，发展半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮秒蓝光激光器具有重要的 应用价值。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮秒 蓝光激光器，该激光器采用了复合激光介质光学谐振腔腔内锁模技术以及超短 脉冲激光频率变换技术，不仅保障了连续锁模激光器具有重复频率低、光束质 量高等特点，而且保障了激光器整机具有结构紧凑、体积小、性能稳定的特点。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮秒蓝光激光器，其特征在于， 包括半导体激光器、单模光纤、光学聚焦耦合器、复合激光介质、第一平面反 射镜M₁、第二平面反射镜M₂、第一凹面反射镜M₃、第三平面反射镜M₄、第 四平面反射镜M₅、第二凹面反射镜M₆、半导体可饱和吸收反射镜、耦合输出 镜、格兰泰勒棱镜、法拉第旋光器、45°λ/4旋光片、凸透镜以及I类非临界匹配 LBO晶体；其中：

第一条光路为半导体激光器泵浦复合激光介质光路，半导体激光器出射的 泵浦光耦合进入单模光纤，由单模光纤的尾端出射，经光学聚焦耦合器，穿过 第一平面反射镜M₁后，聚焦于复合激光介质的泵浦面；

第二条光路为光学谐振腔内基模振荡光路，所述的光学谐振腔由第一平面 反射镜M₁、第二平面反射镜M₂、第一凹面反射镜M₃、第三平面反射镜M₄、 第四平面反射镜M₅、第二凹面反射镜M₆、半导体可饱和吸收反射镜以及耦合 输出镜构成；该光学谐振腔为多镜折叠腔，基模谐振光束在反射镜处折叠，控 制光学谐振腔的各折叠角都应小于5°；当复合激光介质吸收泵浦光能量后产生 受激辐射，辐射光在光学谐振腔内来回反射，形成驻波；辐射每当穿过复合激 光介质时，其光强便会增强；随着光学谐振腔内基模功率的增加，达到半导体 可饱和吸收反射镜的调制深度时，半导体可饱和吸收反射镜的吸收体被漂白， 将光学谐振腔内振荡的基模模式锁定，使半导体激光器泵浦的低重复频率全固 态激光器处于连续锁模状态；光学谐振腔内锁模皮秒脉冲激光束经耦合输出镜 出射；

第三条光路为非线性晶体倍频光路，连续锁模皮秒脉冲激光经耦合输出镜 输出，经过格兰泰勒棱镜、法拉第旋光器以及45°λ/4旋光片构成了光束单向传 输器后，被凸透镜聚焦于I类非临界匹配LBO晶体上，由其非线性极化倍频效 应，产生蓝光皮秒脉冲激光输出。

本发明的半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮秒蓝光激光器，是基于 半导体激光器泵浦复合激光介质光学谐振腔腔内锁模技术以及非线性晶体光学 谐振腔外倍频技术上研制出的全固态激光系统，使得低重复频率的皮秒激光器 无需受机械制造工艺的限制便可获得稳定的连续锁模脉冲激光输出，而I类非临 界匹配LBO晶体的使用极大地提高了超短脉冲激光的倍频转换效率。全固态皮 秒蓝光激光器不仅有重复频率低，蓝光转换效率高，光束质量好等特点，而且 具有结构紧凑、性能稳定的特点。整机使用操作简便，在生物医疗、超大规模 集成电路元件封装、芯片光刻、高密度光盘存储、超快过程研究以及军事等领 域有着重要的应用。

使用复合激光介质的优点在于：第一，使用了单端扩散键合(YAG-Nd:YAG) 或双端扩散键合(YAG-Nd:YAG-YAG)两种复合激光介质；第二，YAG与Nd:YAG 扩散键合时进行了楔角的加工与处理；第三，复合激光介质的通光端面也进行 了楔角的加工与处理；第四，复合激光介质的两个通光面镀有特制的膜系结构； 第五，复合激光介质被放置于紫铜夹块之中。在激光器正常工作时，对复合激 光介质进行了强制冷却措施。其作用在于减小复合激光介质热效应对于锁模皮 秒激光器的影响，以及抑制光学谐振腔内出现法布里珀罗谐振腔给锁模带来的 影响。

所使用的光学谐振腔，优点在于：第一，连续锁模皮秒激光由耦合输出镜 沿单一方向输出；第二，光学谐振腔经过多次折叠，其总长约达到3m～5m，有 效地降低了皮秒激光器的重复频率；第三，光学谐振腔的每个腔镜，其表面的 镀膜都有着严格的要求，以保证腔内946nm波长激光振荡，同时有效地抑制了 1064nm波长和1342nm波长的起振；第四，光学谐振腔的各折叠角都需严格的 控制，其折叠角应小于5°，减小由于光学谐振腔的折叠引起的像散。

对于使用的半导体可饱和吸收反射镜，其优点在于：第一，半导体可饱和 吸收反射镜有着特殊的参数要求；第二，半导体可饱和吸收反射镜被焊接在紫 铜冷却块上，在激光器正常工作时，对其强制了冷却措施。有效地消除了光学 谐振连续锁模时高峰值功率脉冲激光对半导体可饱和吸收反射镜的损坏；第三， 半导体可饱和吸收反射镜、紫铜冷却块以及其三位调整镜架被安放于一个一维 精密平移台上，可严格控制入射至半导体可饱和吸收反射镜上基模光斑的大小。

对于使用的格兰泰勒棱镜、法拉第旋光器以及45°λ/4旋光片，其三者配合 使用，构成了光束单向传输器，有效地消除了非线性晶体倍频时其表面反射回 溯激光对于光学谐振腔内锁模状态的影响。

对于使用的I类非临界匹配LBO晶体，其优点在于：第一，LBO晶体按照 I类非临界匹配方式进行了切割，切割角度为θ＝90°，第二，LBO 晶体两个通光面镀有946nm波长和473nm波长的双色增透膜；第三，LBO晶体 安放于套筒支架中，由热管炉加热，并由精密控温仪控制其温度。此倍频方式， 不仅可以使得全固态皮秒蓝光激光器获得较高的倍频转换效率，较高的蓝光激 光光束质量，而且具有操作方便、简单易行的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是光学聚焦耦合器安装结构图。

图3是复合激光介质结构图。其中，图(a)表示梯形单端扩散键合 YAG-Nd:YAG复合激光介质，图(b)表示平行四边形单端扩散键合YAG-Nd:YAG 复合激光介质，图(c)表示梯形双端扩散键合YAG-Nd:YAG-YAG复合激光介 质，图(d)表示平行四边形双端扩散键合YAG-Nd:YAG-YAG复合激光介质。

图4是复合激光介质与其紫铜夹块结构示意图。

图5是半导体可饱和吸收反射镜以及其紫铜冷却块结构示意图。

图6是半导体可饱和吸收反射镜以及其紫铜冷却块安装结构图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

众所周知，光学谐振腔的腔长是决定锁模脉冲激光重复频率的重要因素之 一。连续锁模皮秒激光器输出的脉冲激光要有低的重复频率，其光学谐振腔的 腔长要增加，也就增加了激光器的体积。另外，对于锁模激光器而言，要获得 稳定的锁模输出，就必须保障光学谐振腔内的光束具有基模运转状态。随着激 光器体积增加，环境温度变化以及机械扰动等因素对于光学谐振腔内基模运转 的影响便较为灵敏，使得腔内谐振的模式发生改变，影响了锁模的不稳定。金 属随环境温度的热胀冷缩，是机械制造中无法克服的事实，这无疑给皮秒激光 器的制造提出了严格地要求。

参见附图1～4，本实施例给出一种半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮 秒蓝光激光器，包括半导体激光器1、单模光纤2、光学聚焦耦合器3、复合激 光介质5、第一平面反射镜M₁(4)、第二平面反射镜M₂(6)、第一凹面反射 镜M₃(11)、第三平面反射镜M₄(7)、第四平面反射镜M₅(8)、第二凹面反 射镜M₆(9)、半导体可饱和吸收反射镜10、耦合输出镜12、格兰泰勒棱镜13、 法拉第旋光器14、45°λ/4旋光片15、凸透镜16以及I类非临界匹配LBO晶体 17，其中：

第一条光路为半导体激光器1泵浦复合激光介质5光路，半导体激光器1 出射的泵浦光耦合进入单模光纤2，经光学聚焦耦合器3，穿过第一平面反射镜 M₁(4)后聚焦于复合激光介质5端面；

第二条光路为光学谐振腔内基模振荡光路，光学谐振腔由第一平面反射镜 M₁(4)、第二平面反射镜M₂(6)、第一凹面反射镜M₃(11)、第三平面反射 镜M₄(7)、第四平面反射镜M₅(8)、第二凹面反射镜M₆(9)、半导体可饱 和吸收反射镜10、耦合输出镜12构成；该光学谐振腔为多镜折叠腔，基模谐振 光束在反射镜处折叠，为了减小由于折叠所产生的像散，应严格控制光学谐振 腔的各折叠角都应小于5°。当复合激光介质5吸收泵浦光能量后产生受激辐射， 辐射光在光学谐振腔内来回反射，形成驻波；辐射每当穿过复合激光介质5时， 其光强便会增强；随着光学谐振腔内基模功率的增加，达到半导体可饱和吸收 反射镜10的调制深度时，半导体可饱和吸收反射镜10的吸收体被漂白，将光 学谐振腔内振荡的基模模式锁定，使半导体激光器泵浦的低重复频率全固态激 光器处于连续锁模状态；光学谐振腔内锁模皮秒脉冲激光束经耦合输出镜12出 射。

第三条光路为非线性晶体倍频光路，连续锁模皮秒脉冲激光经耦合输出镜 12输出，经过格兰泰勒棱镜13、法拉第旋光器14以及45°λ/4旋光片15构成了 光束单向传输器后，被凸透镜16聚焦于I类非临界匹配LBO晶体17上，由其 非线性极化倍频效应，产生蓝光皮秒脉冲激光输出。

本实施例中，用于连接半导体激光器1的为单模光纤2，单模光纤2的芯径 选择范围为400μm～600μm，数值孔径为0.22。

本实施例中，光学聚焦耦合器3用于将单模光纤2出射的泵浦光束聚焦于 复合激光介质5上。光学聚焦耦合器3为一个平凸透镜与一个胶合透镜组成的 成像比2∶3的光学系统，其聚焦焦距连续可调，可调范围为50mm～80mm之间。 平凸透镜与胶合透镜的焦距选取范围为30mm～80mm，平凸透镜与胶合透镜之间 的调整距离为5mm～10mm；为提高光学聚焦耦合器3的传输效率，平凸透镜与 胶合透镜的两通光面镀有808nm高透膜(透过率T＞99.9％)。

本实施例中，光学聚焦耦合器3安装于一个光学调整支架18上(图2)，并 固定在一个一维精密平移台19上。通过平移台19移动旋钮的调节，调整光学 聚焦耦合器3与复合激光介质5的距离，距离范围为50mm～80mm。这样做的目 的在于使得光学聚焦耦合器3传输的泵浦光斑与复合激光介质5内基模振荡光 斑之间有好的模式匹配。

本实施例中，复合激光介质5为激光介质，进行了楔角的加工与处理(图3)。 复合激光介质5采用单端扩散键合介质(YAG-Nd:YAG)或双端扩散键合 (YAG-Nd:YAG-YAG)介质，泵浦光由YAG一侧进入复合激光介质5内；其中， YAG厚度为2mm至3mm，而Nd:YAG厚度为3mm至4mm；其中的Nd:YAG 部分钕离子的掺杂质量百分数为0.3％至1.0％之间，这样做的目的在于减小激光 介质热效应对于锁模皮秒激光器的影响。复合激光介质5中YAG的入射泵浦面 的楔角加工角度为α，另一端为与Nd:YAG扩散键合面的楔角加工角度为β，而 Nd:YAG的一端与YAG相键合连接，另一端做楔角加工，楔角加工角度为α， 其中α与β的角度范围为2°～5°之间，在复合激光介质5内α与β不能相等，复合 激光介质5的整体切割外形为梯形或平行四边形。这样做的目的在于抑制锁模 激光器光学谐振腔内出现法布里珀罗光学谐振腔给锁模带来的影响。

复合激光介质5的两个通光面均镀有膜系结构为808nm波长、946nm波长、 1064nm、1342nm的四色膜，其中，808nm波长高透膜(透过率T＞90％)、946nm 波长高透膜(透过率T＞99.8％)、1064nm波长高透膜(透过率T＞80％)、1342nm 波长高透膜(透过率T＞80％)。

在实施过程中，复合激光介质5被放置于紫铜夹块20之中(图4)。在放置 之前，应在复合激光介质5周边均匀涂抹导热硅脂，用铟膜包裹，再放置于水 冷却紫铜夹块20之中。并用循环水冷机抽运方式，对紫铜夹块20进行冷却， 水温设定于15℃左右。这样做的目的在于通过冷却紫铜夹块的方式，达到进一 步减小复合激光介质5热效应的目的，保障皮秒激光器的正常工作。

本实施例中，光学谐振腔中的第一平面反射镜M₁(4)朝向光学聚焦耦合 器(3)的一侧镀808nm波长高透膜(透过率T＞90％)、1064nm波长高透膜(透 过率T＞80％)、1342nm波长高透膜(透过率T＞80％)，朝向复合激光介质5 一侧镀808nm波长高透膜(透过率T＞90％)、1064nm波长高透膜(透过率T ＞80％)、1342nm波长高透膜(透过率T＞80％)、946nm波长高反膜(反射率R ＞95％)；其中，第二平面反射镜M₂(6)、第三平面反射镜M₄(7)、第四平面 反射镜M₅(8)的反射面镀946nm波长的高反膜(反射率R＞95％)、1064nm 波长高透膜(透过率T＞80％)和1342nm波长高透膜(透过率T＞80％)；其中 的第一凹面反射镜M₃(11)和第二凹面反射镜M₆(9)的反射面镀946nm波 长的高反膜(反射率R＞95％)、1064nm波长高透膜(透过率T＞80％)和1342nm 波长高透膜(透过率T＞80％)；半导体可饱和吸收反射镜10可对波长范围为 920nm～990nm波长的激光高反。

在实施过程中，耦合输出镜12为平面镜，该耦合输出镜12的两面镀946nm 波长5％输出、95％反射膜。耦合输出镜12安装于光学调整镜架上，并放置在一 个一维精密平移台上，用于控制光学谐振腔输出946nm波长皮秒脉冲激光束的 光斑大小。

第一凹面反射镜M₃(11)和第二凹面反射镜M₆(9)，其曲率半径选取范围 为100mm～500mm之间。

半导体可饱和吸收反射镜10的参数为：中心波长940nm，高反射带宽 920～990nm，吸收率为2％，驰阈时间小于等于10皮秒，能量饱和密度70μJ/cm²。

本实施例中，半导体可饱和吸收反射镜10被焊接在紫铜冷却块21上(图5)。 在焊接之前，应对半导体可饱和吸收反射镜10酸洗，清除表面杂质，然后用银 焊的工艺技术，将半导体可饱和吸收反射镜10焊接紫铜冷却块21上。紫铜冷 却块21固定于三维调整镜架18上，并用循环水冷机抽运方式，对紫铜夹块21 进行冷却，水温设定于15℃左右。这样做的目的在于消除激光器光学谐振腔内 锁模时，高峰值功率脉冲激光对半导体可饱和吸收反射镜10的损坏，保障皮秒 激光器能够正常工作。

本实施例中，半导体可饱和吸收反射镜10、紫铜冷却块21以及其三维调整 镜架18被安放于一个一维精密平移台19上(图6)。通过一维精密平移台19调 整半导体可饱和吸收反射镜10与凹面反射镜M₆(9)之间的距离。这样做的目 的在于可以严格控制入射到半导体可饱和吸收反射镜10上的基模光斑大小。不 至于使得入射到半导体可饱和吸收反射镜10上的基模光斑过大，造成调制深度 不够，而影响锁模的不稳定。也不至于使得入射到半导体可饱和吸收反射镜10 上的基模光斑过小，入射激光功率密度过高，超出半导体可饱和吸收反射镜10 破坏阈值，对半导体可饱和吸收反射镜10镜面造成的永久损坏。

格兰泰勒棱镜13、法拉第旋光器14以及45°λ/4旋光片15，三者构成了一 个光束单向传输器。此光束单向传输器的作用在于防止I类非临界匹配LBO晶 体17表面反射的激光回溯到光学谐振腔内，引起锁模状态紊乱的现象。

本实施例中，格兰泰勒棱镜13的通光孔径为8mm，镀有946nm波长高透 膜(T＞99.8％)、1064nm波长高透膜(T＞80％)以及1342nm波长高透膜(T ＞80％)。为了方便使用，本实施例设计了一个可以旋转的套筒，将给格兰泰勒 棱镜13安放于套筒之中。并将套筒装配在二维光学调整支架上，使激光束垂直 穿过格兰泰勒棱镜8。

本实施例中，法拉第旋光器14中TGG晶体(铽镓石榴石)的直径为3mm， 外磁体直径为38mm。法拉第旋光器10长为45mm。为了方便调节，将法拉第 旋光器14安装于一个三维调整支架上。其目的在于使得激光束能够从TGG晶 体中心穿过。为了提高TGG晶体透光率，其两个通光面镀946nm波长的高透膜 (T＞99.8％)。

45°λ/4旋光片15为946nm波长的λ/4波晶片，两通光面镀有946nm波长的 高透膜(T＞99.8％)。实施过程中，将45°λ/4旋光片15安装于光学调整镜架上， 目的在于使得激光束垂直穿过此45°λ/4旋光片15。

凸透镜16的作用在于，将946nm波长的激光束聚焦于I类非临界匹配LBO 晶体17之中，由于增加了入射I类非临界匹配LBO晶体17内单位体积内的功 率密度，使得I类非临界匹配LBO晶体17倍频转换效率得以提高。凸透镜16 镀有946nm波长高透膜(T＞99.8％)，其聚焦焦距为30mm～50mm。

本实施例中，I类非临界匹配LBO晶体17选择LBO(三硼酸锂)晶体。为 保障LBO晶体可以获得较高的倍频转换效率，LBO晶体按照I类非临界匹配方 式进行了切割，切割角度为θ＝90°，LBO晶体的两个通光面均镀有 膜系结构，其膜系结构为946nm波长和473nm波长的双色增透膜。在实施过程， 由于其I类非临界匹配方式的要求，需保障其倍频时的工作环境温度。先将LBO 晶体17安放于一个套筒支架中，再将LBO晶体17及其套筒支架一起放入热管 炉中。用精密控温仪器控制热管炉温度，使其满足LBO晶体(17)的I类非临 界匹配工作温度的要求。当LBO晶体(17)得温度达到其I类非临界匹配倍频 温度时，可获得较高的倍频转换效率以及光束质量。