[發明專利]一種大能量腔倒空Yb飛秒激光器

在審

• 申請號: 202110483911.4
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113346339A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 田文龍;徐瑞;朱江峰;張大成;魏志義
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01S3/06
• 分類號: H01S3/06;H01S3/081;H01S3/094;H01S3/0941;H01S3/10;H01S3/098
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發明屬于飛秒激光技術領域，公開了一種大能量腔倒空Yb飛秒激光器，包括：泵浦源、光學耦合系統、平面雙色鏡、Yb激光晶體、第一凹面鏡、第二凹面鏡、輸出鏡、第一GTI鏡、第二GTI鏡、第三GTI鏡、第三凹面鏡、非線性介質、第四凹面鏡、TFP、電光調制器、平面反射鏡。本發明的腔倒空激光器是基于高功率克爾透鏡鎖模振蕩器的，不需要借助易損壞的SESAM器件啟動鎖模，保證了腔內鎖模脈沖擁有較短的脈寬寬度與較高的單脈沖能量；在腔內的大能量短脈寬脈沖穩定振蕩后，使用電光調制器改變激光偏振狀態，結合TFP能有效地導出并實現大于0.5μJ，脈沖寬度小于100 fs的脈沖激光。

技術領域

本發明屬于飛秒激光技術領域，尤其涉及一種大能量腔倒空Yb飛秒激光器。

背景技術

目前：大能量飛秒激光器在前沿科學研究和工業加工領域有著廣泛的應用，然而飛秒振蕩器直接輸出的激光單脈沖能量一般在數納焦（nJ）或者數十nJ量級，無法滿足如飛秒成絲、高次諧波產生以材料微加工等方面的需求。腔倒空飛秒激光器是一種基于腔倒空技術，實現對振蕩器輸出單脈沖能量進行直接擴展的激光器。相對于激光放大器，其結構更加緊湊，成本更低。

基于克爾透鏡鎖模（KLM）鈦寶石振蕩器是腔倒空激光器的其中一種方案。1993年Opt. Lett 18，pp. 1822-1824上M. Ramaswamy首次報道這種腔倒空飛秒激光器，輸出的單脈沖能量為100 nJ，脈沖寬度為50 飛秒（fs），重復頻率為950 kHz。1994年Opt. Lett 19，pp. 572-574上Maxim S. Pshenichnikov實現了10 fs量級腔倒空輸出，單脈沖能量為60nJ，重復頻率為200 kHz。早期基于KLM的鈦寶石晶體的腔倒空飛秒激光器擁有脈沖寬度窄的優點，但是由于當時克爾透鏡鎖模技術的腔內平均功率受限的問題，導致腔倒空激光器輸出的單脈沖能量無法達到數百nJ甚至微焦（μJ）量級。再由于鈦寶石系統固有的泵浦成本過高的問題，腔倒空激光器轉向了基于半導體可保和吸收鏡（SESAM）鎖模的摻鐿（Yb）振蕩器。

SESAM鎖模的Yb振蕩器能夠被高功率LD直接泵浦，保障了腔內充足的可倒空的功率以及單脈沖能量。2004年，首次實現LD泵浦的SESAM鎖模Yb:glass的腔倒空激光器（A.Killi et al. Proceedings of SPIE Vol. 5460），便得到了400 nJ的單脈沖能量，對應脈沖寬度和重復頻率分別為520 fs與200 kHz。利用單塊或多塊Yb:KYW晶體，腔倒空激光器的輸出單脈沖能量提高到了μJ量級（Palmer G et al. Opt. Express 15, 16017-16021（2007），Palmer G et al. Opt. Express 18, 19095-19100 (2010)）。雖然以上腔倒空激光器可以輸出高單脈沖能量，但是他們輸出的脈沖寬度都在數百飛秒量級，而且腔內的關鍵啟動鎖模器件SESAM在高功率所導致的高熱負荷下，壽命容易降低，甚至會發生損壞，不利于激光器長時間的穩定工作。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：目前的基于KLM的鈦寶石為增益介質或SESAM鎖模的Yb為增益介質的腔倒空激光器，無法同時獲得短脈寬、大能量、長壽命、低成本的飛秒激光輸出。因此如何建立一種集以上優點為一身的腔倒空激光器成為急需解決的問題。

解決以上問題及缺陷的難度為：就目前的各種腔倒空飛秒激光器，利用SESAM鎖模的腔倒空飛秒激光器不能實現短脈寬的飛秒激光輸出，激光器運轉過程中也極有可能導致關鍵鎖模器件的損壞，需要定期維護或更換；利用傳統KLM鎖模的腔倒空飛秒激光器無法使用高功率LD作為泵浦源，導致腔倒空飛秒激光器的輸出能量過低。解決以上問題具有一定的器件工藝與腔型設計難度。