專利名稱：克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器泵浦聚焦系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器泵浦聚焦系統。
背景技術：
超短脈沖激光技術的發展為人們探索自然、發現新的現象和規律提供了高時間分辨和高場強的有力工具。克爾透鏡鎖模(簡稱KLM)鈦寶石激光器是目前近紅外區性能最好、用途最廣的一種可調諧激光器，以其波長調諧范圍寬(650～1100nm)、結構簡單、性能穩定、能產生短的飛秒脈沖而備受人們關注。KLM鈦寶石激光器一般采用“X”型四鏡折疊腔結構，其光學圖如圖1所示。鈦寶石激光晶體置于兩個球面反射鏡M1、M2組成的亞腔之中間，采用倍頻的Nd:YLF固體激光器或氬離子激光泵浦，泵浦光由透鏡F和球面反射鏡M2會聚后入射到激光晶體中。M3和M4是平面端鏡，其中M4為全反鏡，M3為輸出耦合鏡；P1、P2為石英棱鏡對，用來補償腔內群速度色散。實現泵浦光與腔內激光的最佳耦合是提高激光器穩定性，降低泵浦閾值和實現自鎖模的關鍵。傳統的聚焦方案為泵浦光在凸透鏡中心正入射，經球面反射鏡M2進入激光器的亞腔，入射到激光晶體上。這種方法對泵浦光引入的離軸像差較小，能獲得較小的聚焦光斑，但是它并沒有將泵浦聚焦系統的像差和激光器折疊腔和布儒斯特角鈦寶石棒引入之像差聯系起來進行綜合的考慮。泵浦光與腔模的耦合，除了要保證兩者空間重合外，同時還要考慮泵浦光與腔模的光斑模式的匹配。像差使聚焦光斑的形狀發生畸變，橫截面上的能量分布不均勻，這將會降低泵浦光與激光腔模的模式匹配，泵浦閾值升高，嚴重時會導致激光器無法正常運轉。
發明內容
本發明的目的是提供一種改進的KLM鈦寶石激光器泵浦聚焦系統，該系統能較好地實現泵浦光與“X”型四鏡折疊腔結構的模式匹配和像差補償，提高了激光器的性能。
為了達到上述目的，本發明克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器泵浦聚焦系統所用的克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器采用“X”型四鏡折疊腔結構，其特征是1)泵浦光束主光線偏離聚焦透鏡F軸線入射，在透鏡入射面上入射光束主光線偏離透鏡軸線的垂直距離y＝1±0.5mm；入射角β＝4±0.5°；2)聚焦透鏡F相對于激光器折疊鏡M2有一錯位，折疊鏡M2前表面中心到聚焦透鏡F軸線的垂直距離d2＝-1.7±0.1mm，M2軸線相對于F軸線的傾角＝1.1±0.5°。
比較理想的狀態是1)泵浦光束主光線偏離聚焦透鏡F軸線入射，在透鏡入射面上入射光束主光線偏離透鏡軸線的垂直距離y＝lmm；入射角β＝-4°；2)聚焦透鏡F相對于激光器折疊鏡M2有錯位，折疊鏡M2前表面中心到聚焦透鏡F軸線的垂直距離d2＝-1.7mm，M2軸線相對于F軸線的傾角＝1.1°。
本發明的光路圖如圖2所示。下面說明這一發明的具體內容KLM鈦寶石激光器泵浦聚焦系統要求泵浦光與腔內激光在鈦寶石棒中有好的耦合，這首先要求他們在鈦寶石棒中的折射角相同。腔模激光束以布氏角入射鈦寶石棒，鈦寶石對腔內激光(中心波長800nm)和泵浦光(514.5nm)的折射率分別為n1＝1.76，np＝1.77，腔模激光對鈦寶石的布氏角θ1＝60.4°，折射角θ2＝39.6°，則泵浦光的入射角θ3＝61.0°。根據其幾何關系，只有泵浦光主光線在通過折疊鏡M2折射后與凹面交點處的法線的夾角θr＝8.7°時，才能保證泵浦光與腔模在鈦寶石內空間重合。
模式匹配還要求泵浦光與腔模激光具有相近的像差。因為鈦寶石棒對于腔內激光和泵浦光所產生的像差差別不大。為討論問題方便，我們忽略兩者在鈦寶石棒中的像差的差別，只考慮光學元件的像差匹配。同時，激光器折疊腔的設計己使腔模激光因折疊鏡反射所產生的像差在布角入射的鈦寶石棒中得到補償，因此，對泵浦激光而言，只要使其因聚焦透鏡F和折疊鏡M2組成的泵浦聚焦系統引入的像差與腔模激光因折疊鏡反射所產生的像差相同，則可以同樣在布角入射的鈦寶石棒中得到補償而達到模式的匹配。這是本發明的設計依據。己知折疊鏡M2產生的像散值可以用下式表示Asti=R2cosθ-Rcosθ2,---(2)]]>其中R為折疊鏡M2的曲率半徑，R＝102mm，θ為折疊角，θ＝8.4°。由(2)式得折疊鏡M2產生的像散值Asti＝1.1mm。單個折疊鏡M2產生的慧差值可以用下式表示Coma＝6R(sinθ)δ2，(3)
其中δ是腔模激光束主光線和上光線與鏡面交點處鏡面法線夾角的二分之一。代入數據R＝102mm，θ＝8.4°，δ＝0.0026(弧度)，得M2產生的慧差Coma＝0.604μm。與像散相比，慧差要小的多，我們著重考慮像散的匹配。
我們設定泵浦光主光線在通過折疊鏡M2折射后與凹面交點處的法線夾角θr＝8.7°，通過改變聚焦透鏡F與折疊鏡M2的距離d1、M2相對于F的位錯d2、M2相對于F軸線的傾角以及泵浦光在凸透鏡F入射位置y和入射角β，進行計算機光線追跡運算，使泵浦聚焦系統與折疊腔的像差相匹配，即令Astil=Astip...---(4)]]>其中Astil為腔模激光的像散值，Astip為泵浦光的像散值。最后確定聚焦系統的各項參數列于表1和表2。
表1凸透鏡F和折疊鏡M2的各項參數通光孔徑 有效焦距中心厚度 表面曲率半徑1 表面曲率半徑2 材料F20mm 76mm3mm 80.4mm -80.4mmBK7M220mm 51mm(反射) 8mm ∞ 102mm QUARTZ表2泵浦聚焦系統各項結構參數y β d1d21±0.5mm -4±0.5°31.1±0.1mm-1.7±0.1mm 1.1±0.5°圖3示出在M2后51mm處腔模的聚焦光斑、本發明泵浦光的聚焦光斑和傳統聚焦系統的聚焦光斑的計算機光線追跡光斑圖樣，說明本發明聚焦系統具有與腔模相近的像散，能夠實現泵浦光與腔模的模式匹配，具體見
。
本發明是在綜合考慮了諧振腔與聚焦系統像差的基礎上，設計了新型的泵浦聚焦系統，它能夠實現泵浦光與腔模的最佳耦合，即空間重合和模式匹配。在KLM鈦寶石激光器中按以上方案調節泵浦聚焦系統和諧振腔至最佳工作狀態，可以實現輸出功率350mW(氬離子激光全線5W泵浦)，中心波長800nm附近可調的TEM00模輸出。并獲得了脈沖半高全寬為8.5飛秒的最短激光脈沖，為國內同類激光器產生之飛秒脈沖的最好紀錄。
圖1KLM鈦寶石激光器諧振腔結構圖。
圖2KLM鈦寶石激光器泵浦聚焦系統示意圖。
圖3泵浦光與腔模激光聚焦光斑圖樣比較。
圖1中，鈦寶石激光晶體置于兩個球面反射鏡M1、M2組成的亞腔之中間，采用倍頻的Nd:YLF固體激光器或氬離子激光全線泵浦，泵浦光由聚焦透鏡F和球面反射鏡M2會聚后入射到激光晶體中。M3和M4是平面端鏡，其中M4為全反鏡，M3為輸出耦合鏡；P1、P2為石英棱鏡對用來補償腔內色散。
圖2中，鈦寶石激光晶體Ti置于兩個球面反射鏡M1、M2組成的亞腔之中間，采用倍頻的Nd:YLF固體激光器或氬離子激光全線泵浦，泵浦光由聚焦透鏡F和球面反射鏡M2會聚后入射到激光晶體中，y和β分別為泵浦光束主光線偏離聚焦透鏡F軸線的垂直距離和入射角，d1為聚焦透鏡F后表面與折疊鏡M2前表面的距離，d2為球面反射鏡M2前表面中心到聚焦透鏡F軸線的垂直距離，為球面反射鏡M2軸線相對于F軸線的傾角，符號規定是M2的中心在F軸線以上d2為正，反之為負；M2的軸線順時針旋轉與F的軸線重合(＜90°)時為正值，反之為負；泵浦光入射方向順時針旋轉與F的軸線重合(＜90°)時β為正，反之為負，在軸線以上入射y為正，反之為負)。M3和M4是平面端鏡，其中M4為全反鏡， M3為輸出耦合鏡；P1、P2為石英棱鏡對用來補償腔內色散。
圖3中，A為腔模的聚焦光斑圖樣，B為泵浦光在焦點前后250μm和500μm處的計算機光線追跡光斑圖樣，我們發現兩者都能按照要求在M2后51mm處聚焦，并且具有相近的像散和慧差值，能夠實現泵浦光與腔模的模式匹配。如果我們按傳統方式設定聚焦系統，F和M2共線放置，泵浦光正入射，雖然也能實現泵浦光與腔模的空間重合，卻難以實現好的模式匹配(如圖3C所示)。
權利要求
1.一種克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器泵浦聚焦系統，克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器采用“X”型四鏡折疊腔結構，其特征是1)泵浦光束主光線偏離聚焦透鏡F軸線入射，在透鏡入射面上入射光束主光線偏離透鏡軸線的垂直距離y＝1±0.5mm；入射角β＝4±0.5°；2)聚焦透鏡F相對于激光器折疊鏡M2有錯位，折疊鏡M2前表面中心到聚焦透鏡F軸線的垂直距離d2＝-1.7±0.1mm，M2軸線相對于F軸線的傾角＝1.1±0.5°。
2.一種克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器泵浦聚焦系統，其特征是1)泵浦光束主光線偏離聚焦透鏡F軸線入射，在透鏡入射面上入射光束主光線偏離透鏡軸線的垂直距離y＝1mm；入射角β＝4°；2)聚焦透鏡F相對于激光器折疊鏡M2有錯位，折疊鏡M2前表面中心到聚焦透鏡F軸線的垂直距離d2＝-1.7mm，M2軸線相對于F軸線的傾角＝1.1°。
全文摘要
本發明涉及一種克爾透鏡鎖模(KLM)鈦寶石激光器泵浦聚焦系統。它所用的克爾透鏡鎖模鈦寶石激光器采用“X”型四鏡折疊腔結構，其特征是泵浦光束主光線偏離聚焦透鏡F軸線入射，在透鏡入射面上入射光束主光線偏離透鏡軸線；聚焦透鏡F相對于激光器折疊鏡M
文檔編號H01S3/00GK1555113SQ200310117530
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年12月26日
發明者林位株, 劉魯寧, 賴天樹, 鄧莉, 文錦輝 申請人:中山大學