[发明专利]一种大能量腔倒空Yb飞秒激光器

说明书

本发明属于飞秒激光技术领域，公开了一种大能量腔倒空Yb飞秒激光器，包括：泵浦源、光学耦合系统、平面双色镜、Yb激光晶体、第一凹面镜、第二凹面镜、输出镜、第一GTI镜、第二GTI镜、第三GTI镜、第三凹面镜、非线性介质、第四凹面镜、TFP、电光调制器、平面反射镜。本发明的腔倒空激光器是基于高功率克尔透镜锁模振荡器的，不需要借助易损坏的SESAM器件启动锁模，保证了腔内锁模脉冲拥有较短的脉宽宽度与较高的单脉冲能量；在腔内的大能量短脉宽脉冲稳定振荡后，使用电光调制器改变激光偏振状态，结合TFP能有效地导出并实现大于0.5μJ，脉冲宽度小于100 fs的脉冲激光。

技术领域

本发明属于飞秒激光技术领域，尤其涉及一种大能量腔倒空Yb飞秒激光器。

背景技术

目前：大能量飞秒激光器在前沿科学研究和工业加工领域有着广泛的应用，然而飞秒振荡器直接输出的激光单脉冲能量一般在数纳焦（nJ）或者数十nJ量级，无法满足如飞秒成丝、高次谐波产生以材料微加工等方面的需求。腔倒空飞秒激光器是一种基于腔倒空技术，实现对振荡器输出单脉冲能量进行直接扩展的激光器。相对于激光放大器，其结构更加紧凑，成本更低。

基于克尔透镜锁模（KLM）钛宝石振荡器是腔倒空激光器的其中一种方案。1993年Opt. Lett 18，pp. 1822-1824上M. Ramaswamy首次报道这种腔倒空飞秒激光器，输出的单脉冲能量为100 nJ，脉冲宽度为50 飞秒（fs），重复频率为950 kHz。1994年Opt. Lett 19，pp. 572-574上Maxim S. Pshenichnikov实现了10 fs量级腔倒空输出，单脉冲能量为60nJ，重复频率为200 kHz。早期基于KLM的钛宝石晶体的腔倒空飞秒激光器拥有脉冲宽度窄的优点，但是由于当时克尔透镜锁模技术的腔内平均功率受限的问题，导致腔倒空激光器输出的单脉冲能量无法达到数百nJ甚至微焦（μJ）量级。再由于钛宝石系统固有的泵浦成本过高的问题，腔倒空激光器转向了基于半导体可保和吸收镜（SESAM）锁模的掺镱（Yb）振荡器。

SESAM锁模的Yb振荡器能够被高功率LD直接泵浦，保障了腔内充足的可倒空的功率以及单脉冲能量。2004年，首次实现LD泵浦的SESAM锁模Yb:glass的腔倒空激光器（A.Killi et al. Proceedings of SPIE Vol. 5460），便得到了400 nJ的单脉冲能量，对应脉冲宽度和重复频率分别为520 fs与200 kHz。利用单块或多块Yb:KYW晶体，腔倒空激光器的输出单脉冲能量提高到了μJ量级（Palmer G et al. Opt. Express 15, 16017-16021（2007），Palmer G et al. Opt. Express 18, 19095-19100 (2010)）。虽然以上腔倒空激光器可以输出高单脉冲能量，但是他们输出的脉冲宽度都在数百飞秒量级，而且腔内的关键启动锁模器件SESAM在高功率所导致的高热负荷下，寿命容易降低，甚至会发生损坏，不利于激光器长时间的稳定工作。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前的基于KLM的钛宝石为增益介质或SESAM锁模的Yb为增益介质的腔倒空激光器，无法同时获得短脉宽、大能量、长寿命、低成本的飞秒激光输出。因此如何建立一种集以上优点为一身的腔倒空激光器成为急需解决的问题。

解决以上问题及缺陷的难度为：就目前的各种腔倒空飞秒激光器，利用SESAM锁模的腔倒空飞秒激光器不能实现短脉宽的飞秒激光输出，激光器运转过程中也极有可能导致关键锁模器件的损坏，需要定期维护或更换；利用传统KLM锁模的腔倒空飞秒激光器无法使用高功率LD作为泵浦源，导致腔倒空飞秒激光器的输出能量过低。解决以上问题具有一定的器件工艺与腔型设计难度。