[發(fā)明專利]高可靠鎖模激光器

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310320510.2
• 申請(qǐng)日: 2013-07-29
• 公開（公告）號(hào): CN104348075A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡志強(qiáng);陸富源;殷帥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科涵龍順激光設(shè)備有限公司;殷帥
• 主分類號(hào): H01S3/098
• 分類號(hào): H01S3/098
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種激光器，特別是一種能高可靠工作于鎖模狀態(tài)的鎖模激光器。

背景技術(shù)

激光是由處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光增益介質(zhì)產(chǎn)生受激輻射而反射出的能量高度集中，方向性極強(qiáng)，單色性好的光束，在各種工業(yè)加工，醫(yī)療，軍事和科研等中得到廣泛的應(yīng)用。

在激光增益介質(zhì)的增益譜線范圍內(nèi)，根據(jù)諧振腔鏡所確立的激光光波在諧振腔內(nèi)來回反射而要服從的邊界條件即激光電磁光波的電場(chǎng)分量在諧振腔鏡表面為零，在激光器的諧振腔中可以存在許多頻率略有不同的縱模，其頻率的差別是它們?cè)趦蓚€(gè)諧振腔鏡中傳播時(shí)的電磁正弦波個(gè)數(shù)相互差別為1。

在一般的激光器中，縱模間并無固定的相位關(guān)系。而在鎖模激光器中，通過在緊鄰諧振腔鏡處安置入適當(dāng)?shù)逆i模器件，此鎖模器件可以在某特定時(shí)間從高損耗狀態(tài)突然轉(zhuǎn)入低損耗狀態(tài)，從而允許所有的縱模同時(shí)由諧振腔鏡處起振，使得所有的縱模間的相位得以鎖定。“鎖模”激光器之名也由此而來。這許多頻率間隔相同的縱模同相位起振電磁正弦波迭加的結(jié)果是脈沖寬度極窄的激光脈沖。如有越多的縱模被嚴(yán)格鎖定，鎖模激光器的激光脈沖寬度就越窄。故激光增益介質(zhì)的增益譜線越寬，鎖模器件從高損耗狀態(tài)轉(zhuǎn)入低損耗狀態(tài)的速度越快，鎖模激光脈沖寬度就越窄。典型的激光增益介質(zhì)為Nd:YVO₄的鎖模激光器的激光脈沖寬度在5至25皮秒(ps)間。

脈沖寬度窄至皮秒甚至飛秒量級(jí)的鎖模激光器的出現(xiàn)，迅速推動(dòng)了許多超快領(lǐng)域的突飛猛進(jìn)。同時(shí)由于其激光脈沖寬度極窄，一定能量的激光脈沖可以實(shí)現(xiàn)極高的峰值功率，所以鎖模激光器在眾多要求超快或超高激光功率的場(chǎng)合基本成了不二之選。在激光加工領(lǐng)域，皮秒甚至飛秒量級(jí)的鎖模激光脈寬加上超大的激光峰值功率，可以實(shí)現(xiàn)極為精細(xì)，幾乎無熱效應(yīng)的高質(zhì)量加工。

鎖模激光器的鎖模器件有主動(dòng)和被動(dòng)兩種。

主動(dòng)鎖模器件，如聲光鎖模器件，是靠其控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制其是處在高損耗狀態(tài)還是在低損耗狀態(tài)，通過對(duì)激光腔內(nèi)的損耗進(jìn)行周期性調(diào)制鎖定各個(gè)縱模之間的相位而實(shí)現(xiàn)鎖模。其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)鎖模工作可靠，但開關(guān)速度較低故鎖模激光器的激光脈沖寬度較寬，裝置較復(fù)雜，用得較少。

被動(dòng)鎖模器件，如半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(英文簡(jiǎn)稱SESAM)，器件是處在高損耗狀態(tài)還是在低損耗狀態(tài)是被動(dòng)的由激光本身的強(qiáng)度決定的。當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到一定水平，SESAM中的吸收體對(duì)激光脈沖的吸收呈現(xiàn)飽和，SESAM進(jìn)入低損耗狀態(tài)。脈沖強(qiáng)度越強(qiáng)，損耗越小，強(qiáng)度越弱，損耗越大。SESAM的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)在吸收體呈現(xiàn)吸收飽和后，對(duì)激光為高反。在具體使用時(shí)，它既作為被動(dòng)鎖模器件，也同時(shí)直接被用為鎖模激光器的諧振腔鏡，不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且鎖模性能提高。

被動(dòng)鎖模的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，恢復(fù)時(shí)間快故鎖模激光器的激光脈沖寬度較窄，但其在高損耗狀態(tài)和低損耗狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換開關(guān)是被動(dòng)的取決于自發(fā)輻射的光信號(hào)強(qiáng)度，而在開機(jī)后激光是否出現(xiàn)具有足夠強(qiáng)度的脈沖僅取決于量子噪聲等偶然事件。其結(jié)果是一旦激光器件進(jìn)入鎖模狀態(tài)，它可以穩(wěn)定保持于鎖模工作狀態(tài)，但是如果激光器開機(jī)后自發(fā)輻射的光信號(hào)強(qiáng)度較弱，鎖模不能從中建立，那么激光器將保持運(yùn)行在此連續(xù)工作狀態(tài)，而無法自動(dòng)進(jìn)入到鎖模工作。尤其是在低重復(fù)頻率(1MHz～20MHz)鎖模激光器中該現(xiàn)象較為明顯，鎖模往往不能自啟動(dòng)。

半導(dǎo)體可飽和吸收鏡或SESAM在目前被廣泛采用，德國(guó)LUMERA公司的Rapid品系列是目前世界上采用SESAM被動(dòng)鎖模器件的鎖模激光器的典型。但SESAM被動(dòng)鎖模器件有一個(gè)弱點(diǎn)就是它本質(zhì)上是一個(gè)基于半導(dǎo)體可飽和吸收材料的多層膜系結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期應(yīng)用會(huì)在工作點(diǎn)上產(chǎn)生破壞或性能衰減，原本能自啟動(dòng)的鎖模變得不能自啟動(dòng)或者根本就不能啟動(dòng)鎖模，影響了鎖模激光器的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠性。一個(gè)解決的方法是定期更改SESAM的工作點(diǎn)，但挪動(dòng)SESAM又不破壞諧振腔的準(zhǔn)直，是一個(gè)不小的技術(shù)挑戰(zhàn)，增加了鎖模激光器的復(fù)雜程度和成本。