GCS-PSL 全固态皮秒激光器折叠腔设计与锁模技术实验

为了让激光变得更快、更强，调 Q 与锁模技术被发明并不断向前发展，这些新的激光技术需要将一些特殊器件 插入到谐振腔当中，而往往这些特殊器件在腔内需要高的激光能量密度来激发其最佳的物理性能，这样传统的直腔 设计（只有一个束腰）就不能满足需要。另外对于一些超短脉冲激光谐振腔，受重复频率的限制，往往需要很长， 这样对于提高稳定性的激光工程化研究就是一个很大的难题。基于以上两方面考虑，折叠形激光谐振腔成为现代主 流的激光腔型。本实验平台即围绕着激光折叠腔与皮秒超窄脉冲锁模这两个激光技术主题展开，既可以分别了解到

此两项技术的原理特点与技术核心，又可以深入将二者结合起来，激发使用学生的探索兴趣，设计搭建并优化属于 自己的基于折叠腔型的超短脉冲激光模型，提前感受到当前激光产业的技术核心。

◆ 知识点：

激光折叠谐振腔、谐振腔设计与参数优化、全固态 Nd：YVO4 激光被动锁模、半导体可饱和吸收镜、皮秒超短

脉冲

◆ 涉及课程：

光学、激光原理、激光技术、激光光学

◆ 实验内容：

·激光晶体对泵浦光吸收效率研究

·直线型谐振腔设计与参数研究

·V 型折叠腔设计与参数研究

·Z 型折叠腔设计与参数研究

·W 型折叠腔设计与参数研究

·SESAM 半导体可饱和吸收镜参数研究

·基于 SESAM 的被动锁模皮秒脉冲激光谐振腔设计与参数研究

·脉宽测量实验（需增配自相关仪）

◆ 实验原理：

直腔是伴随激光的发明第一时间产生的，折叠腔是由 H.W.Logelnik 于 l972 年在研究染料激光器时首次提出的， 各自具备不同的特点。

本实验平台采用半导体可饱和吸收镜（SESAM）作为锁模核心器件，该项锁模技术是随着半导体技术及材料的 发展而发展起来的。

SESAM 最基本的原理结构就是把反射镜和可饱和吸收体结合在一起，底层一般为半导体反射镜其上生长一层 可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的界面作为反射镜，这上下两个反射镜就 形成了一个 F-P 腔结构，改变吸收体的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽， 两个反射镜和中间的可饱和吸收体共同决定整个结构的反射率。

◆ 原理示意图：

SESAM 锁模 Nd:YVO4 皮秒激光光路图

◆ 效果图：

◆ 技术指标：

·半导体激光器泵浦组件：光纤耦合输出半导体激光器（泵源），中心波长 808nm，波长偏差 ±3nm，105um 光纤芯径，

NA0.22，出纤功率可调 Pmax>3.5W，温度可调 T 25-35℃

·激光全反镜组件：根据实验选择不同曲率的反射镜，包括 R ∞，R400，Φ12.7×5mm，反射率 >99.9%@1064nm，0° 入射高损伤阈值介质高反膜；激光部分反射输出镜，反射率 97%，1064nm 高损伤阈值介质膜；

·光纤输出聚焦镜组件，适用波长 800-1100nm，光纤输入接口 SMA，1：1 倍率，工作距离 46mm；

·吸收镜组件：SESAM 半导体可饱和吸收镜，工作波长 1064nm，工作面积 4×4mm；

·激光增益介质组件：a-cut Nd:YVO4 激光晶体，外形 3×3×6mm，通光面镀 1064nm 高反膜及 808nm 高透膜，采用软 性金属材料包裹侧面与热沉保护隔开；

·平移台组件：移动调整架手动升降台行程 25mm、手动平移台行程 25mm、电控平移台行程 200mm、控制器与电脑 USB 通信连接；

·光电探测器组件：快速光电探测器，响应波长范围 900-1700nm，响应时间 <1ns；

·激光功率计组件：最大量程 20W，热电探头 +5 寸彩色液晶全触屏主机，波长范围 200-25000nm 任意纳米整数波长；

·护目镜组件：防护波长 1064nm&532nm，转换片将红外激光转换成绿色荧光，光斑位置及形状清晰可辨，光学元件清 洁工具箱及元件收纳箱；

·实验外箱：标准光学底板 900（L）×600（L）×12.7（H）mm，M6 点阵孔距，间距 25mm，透明有机玻璃材质顶盖；

·精密机械调整架：角度精度 ±4′，分辨率 0.005mm，调节机构保证等双轴等高，横向偏差 1′，纵向偏差 1′；

·光学元件：BK7 A 级精密退火材料，焦距 ±2%，直径 -0.2mm，中心偏差 3′，光圈 1-5；局部误差 0.2-0.5，面粗糙度 60/40（Scratch/Dig），氟化镁增透膜镀膜，有效孔径 90%；

◆ 设备成套性：

实验箱、半导体激光泵浦源、多维可调光纤聚焦镜头、激光晶体腔镜等谐振腔元件、功率计快速探测器等辅助 探测设备、护目镜转换片等安全辅助工具。

◆ 必备设备：

示波器

◆ 选配清单：

光学平台、光学清洁箱、激光防护眼镜、光学存储干燥箱、实验设备展板

◆ 建议课时：

4 课时