一种超短脉冲飞秒碟片激光器

本发明属于碟片激光器领域，更具体地，涉及一种超短脉冲飞秒碟片激光器。

背景技术：

1、镱离子（yb3+）掺杂的激光材料是高功率超快激光领域最为重要的增益介质之一，主要原因为：1.yb3+不存在激发态吸收、上能级转化等现象，避免了有效发射截面的内部效应，提高能量的利用率；2. yb3+掺杂的材料没有浓度猝灭现象，因此支持高浓度的离子掺杂；3. yb3+掺杂材料的强吸收谱线位于940nm和980nm附近，非常适合高功率高亮度的ingaas半导体光源直接泵浦；4. yb3+掺杂材料上能级寿命长，利于存储能量；5. yb3+材料量子效率高，从根本上减少了热的产生，有利于产生高功率的激光。

2、yb:yag晶体的增益谱线有两个发射峰，主发射峰位于1030nm波长处，发射带宽约为9nm，相应的吸收截面为2.1×10-20cm2，次发射峰位于1060nm附近，具有约40nm的带宽，相应的吸收截面是0.3×10-20cm2。通常情况下，yb:yag激光器产生的激光脉冲均位于1030nm处，但其9nm的荧光谱宽的相应的傅里叶变换极限脉宽为120fs，无法产生fs量级以下的超短脉冲，这限制了yb:yag激光器在超快激光领域的应用。

3、为了获得更窄脉宽的激光脉冲，有研究人员提出在块状固体激光器中增加yb:yag晶体的长度以抑制1030nm波长，但该方案中激光晶体同时作为克尔介质，无法分别独立调节增益和克尔效应，导致克尔透镜锁模后的光谱不能单独优化，最终产生的光谱中有明显的连续峰，此外，晶体长度的增加，也会导致明显的能量损耗。

4、yb:yag晶体因其各向同性、高导热性以及出色的抗拉伸性被广泛视为最为成熟的碟片材料，同时，由于yb3+离子的高度掺杂，yag晶体能够制备成极薄的片状，从而有效地抑制热透镜和热光畸变等不良热效应的产生。这些都使得yb:yag晶体被广泛用作碟片激光器中的增益介质。

5、对于碟片激光器而言，为了获得更窄脉宽的激光脉冲，一种方法是开发其他新型的碟片激光材料。但目前这些新型碟片材料仍在发展中，晶体生长困难，工艺技术也尚未成熟。与yb:yag碟片激光器相比，利用新型碟片材料所实现的超快激光功率水平存在较大差距。另一种方法是在激光输出后通过具有非线性效应的装置，使激光脉冲的光谱在自相位调制作用下展宽，经啁啾镜补偿色散后获得更窄的脉冲宽度，如充稀有气体的空心光纤、多通池等。但是这种方法需要在腔外增加额外的装置，存在一定的效率损失。此外，系统的复杂度增加，操作更为困难，成本也会提高。

6、目前最简单的系统配置是在激光器内设置一系列的非线性晶体，以增加腔内的自相位调制效应，这种级联克尔透镜锁模的方法突破了1030nm处的光谱带宽限制，可以实现百飞秒量级以下的超短脉冲，并且在一定程度上简化了实验装置，但由于在腔内增加了额外的晶体，会造成严重的能量损耗。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种超短脉冲飞秒碟片激光器，其目的在于，提供一种结构简单、能量损耗低，并且可产生百飞秒量级以下超短脉冲序列的激光器。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超短脉冲飞秒碟片激光器，包括：泵浦源，碟片激光晶体，泵浦模块和谐振腔；

3、泵浦模块设置于泵浦源的出射光路上；碟片激光晶体为yb:yag晶体，其设置于泵浦模块内；泵浦模块使泵浦源发出的泵浦激光多次穿过碟片激光晶体后激发碟片激光晶体产生振荡激光；

4、谐振腔设置于振荡激光自碟片激光晶体输出的一侧，谐振腔包括第一分支和第二分支；

5、第一分支包括沿光路依次设置的消色散单元和端镜；振荡激光沿第一分支传输至端镜后沿原路返回至碟片激光晶体，并被反射至至第二分支；

6、第二分支包括沿光路依次设置的第一凹面镜、非线性晶体、第二凹面镜和输出镜；第一凹面镜和第二凹面镜的焦点重合；非线性晶体掺杂了yb3+，用于抑制1030nm激光的产生并形成克尔效应；振荡激光沿第二分支传输至输出镜后，部分透过输出镜输出，形成稳定的超短激光脉冲序列，剩余部分沿原路返回至碟片激光晶体，并被反射至第一分支。

7、进一步地，非线性晶体为yb:yag片。

8、进一步地，yb:yag片表面两侧镀有对1060nm波段的增透膜，透过率大于99.9%，且yb:yag片的厚度小于3mm。

9、进一步地，yb:yag片垂直于光路设置。

10、进一步地，yb:yag片中，yb3+的掺杂浓度为7%。

11、进一步地，消色散单元包括沿光路依次设置的两个高色散镜。

12、进一步地，高色散镜的迎光面上镀有对振荡激光的高反膜。

13、进一步地，输出镜的迎光面上镀有对振荡激光部分反射、部分透过的膜层，透过率范围为0.5%~20%；输出镜的出光面上镀有对振荡激光的增透膜。

14、进一步地，碟片激光晶体面向谐振腔的一侧镀有对泵浦激光和振荡激光的增透膜，在背向谐振腔的一侧镀有对泵浦激光和振荡激光的高反膜。

15、进一步地，碟片激光晶体中镀有高反膜的表面固定在水冷热沉上。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

17、（1）本发明提供的超短脉冲飞秒碟片激光器，作为增益介质的碟片激光晶体为yb:yag晶体，在此基础上，直接在谐振腔内设置掺杂了yb3+的非线性晶体，该非线性晶体一方面作为克尔介质，基于克尔效应实现振荡激光的克尔透镜锁模，另一方面通过对低能级yb3+的重吸收实现对1030nm波段增益的抑制，等效于提高了对1030nm波段的损耗，由于主发射峰1030nm波段的激光被抑制，使得次发射峰1064nm附近的激光被激发，最终产生1064nm附近的稳定的激光脉冲序列，脉宽为30fs左右，在百飞秒量级以下。这种将克尔介质和yb:yag片集成于一体的方案既不需要在腔外设置额外的装置，也无需在腔内设置级联的非线性晶体，结构简单且能量损耗低。总体而言，本发明提供的超短脉冲飞秒碟片激光器，可产生百飞秒量级以下超短脉冲序列，且结构简单，能量损耗低。

18、（2）本发明提供的超短脉冲飞秒碟片激光器，在其优选方案中，用于实现克尔透镜锁模并抑制1030nm波段增益的非线性晶体具体为yb:yag片，其材料与作为增益介质的碟片激光晶体相同，使得激光器整体结构更为简单，且对于1030nm波段增益的抑制作用更为明显。

19、（3）本发明提供的超短脉冲飞秒碟片激光器，在其优选方案中，在使用yb:yag片作为谐振腔内非线性晶体的基础上，yb:yag片表面镀有对1060nm波段的增透膜，且其厚度小于3mm，通过这样的设置，在保证实现相应功能的情况下，避免了因增加晶体厚度而导致能量损耗增加。在其进一步优选的方案中，yb:yag片垂直于光路设置，实验结果表明，该设置方式不影响输出激光的质量，且相比于按照布儒斯特角设置，具有更低的能量损耗。

20、（4）本发明提供的超短脉冲飞秒碟片激光器，在其优选方案中，消色散单元由两个高色散镜实现，高色散镜因其较高的反射率和极大的色散补偿量，在大功率激光器中可以取代常用的光栅和棱镜实现色散补偿，且相比于光栅和棱镜，高色散镜更容易集成化、小型化，且光路调节更加方便。在其进一步的优选方案中，高色散镜的荧光面上镀有对振荡激光的高反膜，由此可以进一步提高色散补偿效果。

21、（5）本发明提供的的超短脉冲飞秒碟片激光器，在其优选方案中，输出镜和碟片激光晶体上均进行了相应的镀膜处理，可以在保证输出的激光脉冲序列的质量的基础上，进一步减少谐振腔内的能量损耗。