一种基于克尔透镜锁模的固体激光器

技术领域

本发明属于固体激光技术领域，更具体地，涉及一种基于克尔透镜锁模的固体激光器。

背景技术

超快激光由于具有高峰值功率和窄脉宽的特性成为激光技术领域一个重要的研究方向，在基础科研、生物医疗、工业加工以及国防军事等领域都有着十分广泛且重要的应用。产生超快激光的方式主要有主动锁模和被动锁模，其中主动锁模技术产生的脉冲宽度一般为皮秒量级，为获得飞秒量级的超短脉冲，则通常采用被动锁模技术。被动锁模的锁模机制是可饱和吸收效应，这种效应既可以通过真实的可饱和吸收体来实现，如半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管、或者石墨烯，也可以通过虚拟的可饱和吸收体来产生，如克尔透镜锁模。被动锁模激光器具有结构紧凑、性能稳定、成本低的优势，可以产生皮秒乃至飞秒量级的超短脉冲，可以广泛地应用在科研、医疗以及工业生产等领域。

目前产生超短脉冲的主要方式以半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模和克尔透镜锁模的发展较为成熟。SESAM锁模需要制备一种将半导体可饱和吸收体和反射镜结合在一起的锁模器件，对激光波长有严格的选择，且在产生高功率激光时容易损伤，成本高；而克尔透镜锁模等效于形成了虚拟的可饱和吸收体，那么则不需要专门地生长和制造锁模器件，仅需要具有非线性效应的克尔介质并结合谐振腔的设计即可实现锁模，因此克尔透镜锁模的抗损伤阈值更高，价格更便宜，同时克尔透镜锁模的调制深度更大，这有利于产生脉冲宽度更短的超快激光。因此克尔透镜锁模是一种适合产生高功率、窄脉宽超快激光的锁模方式。

然而，克尔透镜锁模需要精细的设计谐振腔的结构并仔细调节，且克尔透镜锁模通常不能自启动，实验中一般需要工作人员施加一个机械扰动以启动锁模状态，操作较为复杂，且长期使用对谐振腔镜进行机械振动的方式，容易导致光路偏移，稳定性较差，这在实际的工业应用中无疑是限制克尔透镜锁模超快激光发展的一个重要问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于克尔透镜锁模的固体激光器，用以解决现有的基于克尔透镜锁模的激光器无法自启动的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于克尔透镜锁模的固体激光器，包括：泵浦源、激光晶体、谐振腔和外腔反射镜；

其中，泵浦源输出的泵浦激光经泵浦光路聚焦到激光晶体上；激光晶体产生的激光在谐振腔所提供的往返光路中来回振荡；

外腔反射镜用于将谐振腔透射出的激光反射回谐振腔，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

进一步优选地，当固体激光器为除碟片激光器之外的固体激光器时，上述谐振腔包括：

设置在谐振腔两个端部的第一端镜和第二端镜，用于反射谐振腔内的振荡激光，为振荡激光提供往返光路；其中，第一端镜为平面高反镜；第二端镜为输出镜；

设置在往返光路上的第一凹面镜和第二凹面镜，第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦结构，用于将谐振腔内的振荡激光聚焦到激光晶体上，以实现克尔透镜锁模；其中，激光晶体位于第一凹面镜与第二凹面镜之间；

设置在往返光路上的高色散镜，用于补偿激光晶体和构成谐振腔的各光学元件引入的色散。

进一步优选地，当固体激光器为碟片激光器时，上述谐振腔包括：

设置在谐振腔两个端部的第一端镜和第二端镜，用于反射谐振腔内的振荡激光，为振荡激光提供往返光路；其中，第一端镜为平面高反镜；第二端镜为输出镜；

设置在往返光路上的第一凹面镜和第二凹面镜，第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦结构，用于将谐振腔内的振荡激光聚焦到克尔介质上，以实现克尔透镜锁模；其中，克尔介质位于第一凹面镜与第二凹面镜之间；

设置在往返光路上的高色散镜，用于补偿激光晶体和构成谐振腔的各光学元件引入的色散；

上述激光晶体为碟片状激光晶体，除了用于作为增益介质产生激光，还用作折返镜反射振荡激光。

进一步优选地，上述谐振腔还包括：设置在往返光路上的一个光阑，用于提高谐振腔内的衍射损耗。

在一种优选方式一下：外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于第一端镜背向谐振腔的一侧；第一端镜用于部分透射和部分反射谐振腔内的振荡激光；外腔反射镜用于对第一端镜透射出的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

外腔反射镜为平面镜或凹面镜；外腔反射镜靠近第一端镜的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％。

进一步优选地，外腔反射镜与第一端镜构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与第一端镜之间的距离；当外腔反射镜为平面镜时，外腔长度与谐振腔的长度呈整数倍关系；当外腔反射镜为凹面镜时，外腔长度与外腔反射镜的焦距相等。

进一步优选地，第一端镜远离外腔反射镜的一侧镀有对振荡激光的部分反射和部分透过膜，透过率范围为0.5％～20％；第一端镜靠近外腔反射镜的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.5％。

在一种优选方式二下：外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于第二端镜背向谐振腔的一侧；此时，上述固体激光器还包括位于第二端镜与外腔反射镜之间的分光镜，用于将第二端镜透射出的激光部分透射出去，以及部分反射到外腔反射镜上，还用于将外腔反射镜反射回来的激光部分透射出去，以及部分反射回第二端镜；

第二端镜用于部分透射和部分反射谐振腔内的振荡激光；外腔反射镜用于对分光镜反射过来的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

其中，外腔反射镜为平面镜；外腔反射镜靠近第二端镜的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％。

进一步优选地，外腔反射镜与第二端镜构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与第二端镜之间的距离；外腔长度与谐振腔的长度呈整数倍关系。

在一种优选方式三下：外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于所选凹面镜背向谐振腔的一侧；

所选凹面镜用于部分透射和部分反射谐振腔内的振荡激光；外腔反射镜用于对所选凹面镜透射出的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

其中，所选凹面镜为第一凹面镜或第二凹面镜；

外腔反射镜为凹面镜，外腔反射镜靠近所选凹面镜的一侧对镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％；外腔反射镜的焦距大于所选凹面镜的焦距；

第一端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％。

进一步优选地，所选凹面镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的部分反射和部分透过膜，透过率范围为0.5％～5％；所选凹面镜背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.5％。

进一步优选地，外腔反射镜与所选凹面镜构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与所选凹面镜间的距离；外腔长度为外腔反射镜的焦距与所选凹面镜焦距之差。

在一种优选方式四下：当固体激光器为除碟片激光器之外的固体激光器时，外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于激光晶体背向谐振腔的一侧；激光晶体与谐振腔呈布儒斯特角放置，用于将部分振荡激光反射到外腔反射镜上；外腔反射镜用于对激光晶体反射的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

其中，外腔反射镜为凹面镜；外腔反射镜靠近激光晶体的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％；

第一端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％。

进一步优选地，外腔反射镜与激光晶体构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与激光晶体之间的距离；外腔长度与外腔反射镜的焦距相等。

在一种优选方式五下：当固体激光器为碟片激光器时，外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于克尔介质背向谐振腔的一侧；克尔介质与谐振腔呈布儒斯特角放置，用于将部分振荡激光反射到外腔反射镜上；外腔反射镜用于对克尔介质反射的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

其中，外腔反射镜为凹面镜；外腔反射镜靠近激光晶体的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％；

第一端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％。

进一步优选地，外腔反射镜与克尔介质构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与克尔介质之间的距离；外腔长度与外腔反射镜的焦距相等。

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：

1、本发明提供了一种基于克尔透镜锁模的固体激光器，通过在谐振腔外设置外腔反射镜，将谐振腔透射出的激光反射回谐振腔，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模，实现了克尔透镜锁模的自启动，避免了常规的机械振动方式启动锁模，同时也避免了在长期使用过程中由于需要对谐振腔进行的机械振动所导致的光路偏移问题，具有较高的稳定性。

2、本发明所提供的基于克尔透镜锁模的固体激光器，一方面，成本低、价格便宜，适合工业加工、生产等大规模工业器件领域，另一方面，克尔透镜锁模调制深度大，可以实现脉冲宽度较窄的激光脉冲。因此，本发明所提供的克尔透镜锁模固体激光器具有窄脉宽、易工业化的优势，可以实现结构简单、易操作、可重复组装的高稳定性、窄脉宽的飞秒激光器。

3、本发明所提出的基于克尔透镜锁模的固体激光器包括但不限于块状固体激光器、碟片激光器，适用于各种形状的激光晶体。可以满足不用的使用需求，如块状固体激光器适用于结构紧凑、小型化的工业需求，碟片激光器适用于高功率、高光束质量的工业需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为平面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为凹面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为平面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为凹面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的当外腔置于凹面镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的当外腔置于凹面镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的当外腔置于第二端镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；

图8为本发明实施例提供的当外腔置于第二端镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；

图9为本发明实施例提供的当外腔置于激光晶体外时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；

图10为本发明实施例提供的当外腔置于克尔介质外时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于克尔透镜锁模的固体激光器，用于实现稳定的自启动克尔透镜锁模飞秒脉冲输出，包括：泵浦源、激光晶体、谐振腔和外腔反射镜；

泵浦源将其产生的泵浦激光经过泵浦光路聚焦到激光晶体上，激光晶体用作增益介质以产生激光，同时利用晶体的克尔效应结合谐振腔的设计形成克尔透镜锁模的激光脉冲。外腔反射镜将谐振腔透射出的激光反射回谐振腔内以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

当固体激光器为除碟片激光器之外的固体激光器时，上述谐振腔包括：

设置在谐振腔两个端部的第一端镜和第二端镜，用于反射谐振腔内的振荡激光，为振荡激光提供往返光路；其中，第一端镜为平面高反镜；第二端镜为输出镜；具体地，第二端镜为平面镜，两侧镀有不同的介质膜；第二端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的部分反射和部分透过膜，透过率范围为0.5％～20％(优选为1％～20％)。第二端镜背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.9％；

设置在往返光路上第一凹面镜和第二凹面镜，第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦结构，用于将谐振腔内的振荡激光聚焦到激光晶体上，以实现克尔透镜锁模；其中，激光晶体位于第一凹面镜与第二凹面镜之间；

设置在往返光路上的高色散镜，用于补偿激光晶体和构成谐振腔的各光学元件引入的色散；

其中，当激光晶体端面垂直于谐振腔摆放时，两侧镀有对振荡激光的增透膜；当激光晶体端面与谐振腔成布儒斯特角摆放时，两侧不镀膜；激光晶体包括但不限于Yb:KYW、Yb:KGW、Yb:CALGO、Yb:Lu

当固体激光器为碟片激光器时，上述谐振腔包括：

设置在谐振腔两个端部的第一端镜和第二端镜，用于反射谐振腔内的振荡激光，为振荡激光提供往返光路；其中，第一端镜为平面高反镜；第二端镜为输出镜；具体地，第二端镜为平面镜，两侧镀有不同的介质膜；第二端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的部分反射和部分透过膜，透过率范围为0.5％～20％(优选为1％～20％)。第二端镜背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.9％；

设置在往返光路上第一凹面镜和第二凹面镜，第一凹面镜和第二凹面镜构成紧聚焦结构，用于将谐振腔内的振荡激光聚焦到克尔介质上，以实现克尔透镜锁模；其中，克尔介质位于第一凹面镜与第二凹面镜之间；

设置在往返光路上的高色散镜，用于补偿谐振腔内各个光学元件引入的色散；

上述激光晶体为碟片状激光晶体，除了用于作为增益介质产生激光，还用作折返镜反射振荡激光；碟片状激光晶体面向谐振腔的一侧镀有泵浦激光和振荡激光的增透膜，碟片状激光晶体背向谐振腔的一侧镀有泵浦激光和振荡激光的高反膜；在一种可选实施方式下，碟片状激光晶体呈圆盘状或椭圆盘状，厚度为10μm～1mm，直径为3～30mm；碟片状激光晶体的材料包括但不限定Yb:YAG、Ho:YAG、Tm:YAG、Ho:KYW、Yb:CALGO,Cr:ZnSe、Yb:LuScO

克尔介质与谐振腔呈布儒斯特角放置。在一种可选实施方式下，克尔介质为厚度0.1mm～10mm的蓝宝石或熔融石英等具有非线性克尔效应的材料。优选地，克尔介质为1mm～3mm厚的蓝宝石薄片。

优选地，上述谐振腔还包括：设置在往返光路上的一个光阑，用于提高谐振腔内的衍射损耗。具体地，根据谐振腔内的模式分布，可以采用不同大小的光阑设置在腔内不同的位置，用于提高腔内的衍射损耗，以辅助克尔透镜锁模。在一种可选实施方式下，光阑孔径为0.5mm～5mm。

具体地，在一种可选实施方式一中：

外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于第一端镜背向谐振腔的一侧；第一端镜用于部分透射和部分反射谐振腔内的振荡激光；外腔反射镜用于对第一端镜透射出的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

外腔反射镜为平面镜或凹面镜；外腔反射镜靠近第一端镜的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％；

进一步优选地，外腔反射镜与第一端镜构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与第一端镜之间的距离；当外腔反射镜为平面镜时，外腔长度与谐振腔的长度呈整数倍关系；此时，谐振腔内的连续光所形成的随机脉冲在外部同步脉冲的叠加下强度增强，在这些随机脉冲中，可以达到锁模阈值的几率增加，进而提高启动锁模的能力；

当外腔反射镜为凹面镜时，外腔长度与外腔反射镜的焦距相等，此时，扰动光在第一端镜处为束腰位置，进而使扰动光与谐振腔内的激光横模模式匹配，提高启动锁模的能力；其中，扰动光为外腔反射镜反射回谐振腔的激光。

优选地，第一端镜远离外腔反射镜的一侧镀有对振荡激光的部分反射和部分透过膜，透过率范围为0.5％～20％；第一端镜靠近外腔反射镜的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.5％。

在一种可选实施方式二中：

外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于第二端镜背向谐振腔的一侧；此时，上述固体激光器还包括位于第二端镜与外腔反射镜之间的分光镜，用于将第二端镜透射出的激光部分透射出去，以及部分反射到外腔反射镜上，还用于将外腔反射镜反射回来的激光部分透射出去，以及部分反射回第二端镜；

第二端镜用于部分透射和部分反射谐振腔内的振荡激光；外腔反射镜用于对分光镜反射过来的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

其中，外腔反射镜为平面镜；外腔反射镜靠近第二端镜的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％。

优选地，外腔反射镜与第二端镜构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与第二端镜之间的距离；外腔长度与谐振腔的长度呈整数倍关系，此时，谐振腔内的连续光所形成的随机脉冲在外部同步脉冲的叠加下强度增强，在这些随机脉冲中，可以达到锁模阈值的几率增加，进而提高启动锁模的能力；扰动光为外腔反射镜反射回谐振腔的激光。

在一种可选实施方式三中：

外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于所选凹面镜背向谐振腔的一侧；所选凹面镜用于部分透射和部分反射谐振腔内的振荡激光；外腔反射镜用于对所选凹面镜透射出的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

其中，所选凹面镜为第一凹面镜或第二凹面镜；

外腔反射镜为凹面镜，外腔反射镜靠近所选凹面镜的一侧对镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％；外腔反射镜的焦距大于所选凹面镜的焦距；

第一端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％。

优选地，所选凹面镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的部分反射和部分透过膜，透过率范围为0.5％～5％；所选凹面镜背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的增透膜，透过率大于99.5％。

优选地，外腔反射镜与所选凹面镜构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与所选凹面镜间的距离；外腔长度为外腔反射镜的焦距与所选凹面镜焦距之差；此时，扰动光在激光晶体(克尔介质)处为束腰位置，进而使扰动光与谐振腔内的激光横模模式匹配，提高启动锁模的能力；其中，扰动光为外腔反射镜反射回谐振腔的激光。

在一种可选实施方式四中：

当固体激光器为除碟片激光器之外的固体激光器时，外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于激光晶体背向谐振腔的一侧；激光晶体与谐振腔呈布儒斯特角放置，用于将部分振荡激光反射到外腔反射镜上；外腔反射镜用于对激光晶体反射的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

其中，外腔反射镜为凹面镜；外腔反射镜靠近激光晶体的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％；

第一端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％。

优选地，外腔反射镜与激光晶体构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与激光晶体之间的距离；外腔长度与外腔反射镜的焦距相等；此时，扰动光在激光晶体处为束腰位置，进而使扰动光与谐振腔内的激光横模模式匹配，提高启动锁模的能力；其中，扰动光为外腔反射镜反射回谐振腔的激光。

在一种可选实施方式五中：

当固体激光器为碟片激光器时，外腔反射镜设置在谐振腔之外，且位于克尔介质背向谐振腔的一侧；克尔介质与谐振腔呈布儒斯特角放置，用于将部分振荡激光反射到外腔反射镜上；外腔反射镜用于对克尔介质反射的激光进行反射，使其原路返回到谐振腔中，从而以光扰动的形式启动克尔透镜锁模；

其中，外腔反射镜为凹面镜；外腔反射镜靠近激光晶体的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％；

第一凹面镜和第二凹面镜面向谐振腔的一侧均镀有对振荡激光的高反膜，且反射率大于99.9％；

第一端镜面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的高反膜，反射率大于99.9％。

优选地，外腔反射镜与克尔介质构成外腔，外腔长度为外腔反射镜与克尔介质之间的距离；外腔长度与外腔反射镜的焦距相等；此时，扰动光在克尔介质处为束腰位置，进而使扰动光与谐振腔内的激光横模模式匹配，提高启动锁模的能力；其中，扰动光为外腔反射镜反射回谐振腔的激光。

为了进一步说明本发明所提供的固体激光器，下面基于四种光扰动启动克尔透镜锁模固体激光器的具体实施例进行详述，需要说明的是，本发明将固体激光器分为碟片激光器和除碟片激光器之外的固体激光器；除碟片激光器之外的固体激光器包括：块状固体激光器、半导体激光器等。

本发明所提供的除碟片激光器之外的固体激光器均以块状固体激光器为例进行说明，本实施例中的块状固体激光器的激光晶体为边长为1mm～20mm的块状固体形状。具体地，图1～图10分别为外腔在不同位置时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器及碟片激光器的光路图。其中，图1为当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为平面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；图2为当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为凹面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；图3为当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为平面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；图4为当外腔置于第一端镜外，且外腔反射镜为凹面镜时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；图5为当外腔置于凹面镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；图6为当外腔置于凹面镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；

图7为当外腔置于第二端镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；图8为当外腔置于第二端镜外时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图；图9为当外腔置于激光晶体外时的光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器的光路结构示意图；图10为当外腔置于克尔介质外时的光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器的光路结构示意图。

从图1、图2、图5、图7和图9可以看出，光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器主要包括给激光晶体提供泵浦激光的泵浦源1、用于将泵浦激光聚焦到激光晶体上的泵浦光路2、用作增益介质的激光晶体3、由各个光学元件限定的谐振腔11，用于提供往返的振荡激光，及提供光扰动的外腔13。

从图3、图4、图6、图8和图10可以看出，光扰动启动克尔透镜锁模碟片激光器主要包括给碟片状激光晶体提供泵浦激光的泵浦源1、将泵浦激光聚焦到碟片状激光晶体上的泵浦光路2、用作增益介质的碟片状激光晶体7、用于克尔透镜锁模且与振荡激光呈布儒斯特角放置的克尔介质3、由各个光学元件所限定的谐振腔11，用于提供往返的振荡激光，及提供光扰动的外腔13。

从图1～图10可以看出，谐振腔11大致相同，注意区别在于外腔13的设计。在本发明所提供的实施例中，谐振腔11包括：第一端镜9、第二端镜6、用于提供色散的高色散镜8、用于将振荡激光聚焦到激光晶体(克尔介质)上的第一凹面镜4和第二凹面镜5以及用于提高腔内衍射损耗的光阑10。对于块状固体激光器，

谐振腔11还包括高反镜7；且第一凹面镜4面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光的高反膜，对泵浦激光的增透膜；第一凹面镜4面向泵浦光路的一侧镀有对泵浦激光的增透膜。

对于碟片激光器，谐振腔11还包括同时用作增益介质和折返镜的碟片状激光晶体7；且碟片状激光晶体面向谐振腔的一侧镀有对振荡激光和泵浦激光的高透膜，背向谐振腔的一侧镀有对振荡激光和泵浦激光的高反膜。

图1和图3中，外腔13由第一端镜9和外腔平面反射镜12组成。

图2和图4中，外腔13由第一端镜9和外腔凹面反射镜12组成。

图5和图6中，外腔13由第二凹面镜5和外腔凹面反射镜12组成。

图7和图8中，外腔13由第二端镜6、分光镜14和外腔平面反射镜12组成。

图9和图10中，外腔13由激光晶体(克尔介质)3和外腔凹面反射镜12组成。

具体地，光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器及碟片激光器的光路主要分为谐振腔11和外腔13。谐振腔11包括第一端镜9、第二端镜6、高色散镜8、第一凹面镜4、第二凹面镜5、高反镜(碟片激光晶体)7、激光晶体(克尔介质)3以及光阑10。其中第一端镜9和第二端镜6作为谐振腔11的两个端镜为振荡激光提供往返光路。高色散镜8用作补偿腔内各个光学元件引入的色散。第一凹面镜4和第二凹面镜5构成紧聚焦结构，使腔内的振荡激光聚焦在激光晶体(克尔介质)3上。光阑10通过提高腔内的衍射损耗以辅助克尔透镜锁模，摆放位置不受限制。对于块状固体激光器，激光晶体3端面与谐振腔11垂直放置时，两侧镀有对振荡激光的增透膜，激光晶体3端面与谐振腔11以布儒斯特角放置时，两侧不镀膜。高反镜7用作折返镜反射振荡激光。对于碟片激光器，克尔介质3以布儒斯特角放置在第一凹面镜4和第二凹面镜5的焦点附近处。碟片状激光晶体7既可以作增益介质以产生激光又作为谐振腔的折返镜用于反射振荡激光。

外腔13根据摆放的位置可以分为四种情况：

(一)当外腔置于第一端镜外时(如图1～4)，外腔13包括第一端镜9和外腔反射镜12，第一端镜9面向谐振腔11的一侧镀有对振荡激光的部分透过和部分反射膜，第一端镜9面向外腔13的一侧镀有对振荡激光的增透膜。外腔反射镜12面向外腔13的一侧镀有对振荡激光的高反膜。外腔的长度不受限制，当外腔反射镜12为平面镜时，优选地，外腔长度与谐振腔长度为整数倍关系；当外腔反射镜12为凹面镜时，优选地，外腔长度与凹面镜焦距一致。

(二)当外腔置于凹面镜外时(如图5～6)，外腔13包括第二凹面镜5(或第一凹面镜4)和外腔反射镜12，第二凹面镜5面向谐振腔11的一侧镀有对振荡激光的部分透过和部分反射膜，第二凹面镜5面向外腔13的一侧镀有对振荡激光的增透膜。外腔反射镜12面向外腔13的一侧镀有对振荡激光的高反膜。外腔反射镜12为凹面镜，且焦距大于第二凹面镜5的焦距。外腔13的长度为外腔凹面反射镜12的焦距与第二凹面镜5的焦距之差。

(三)当外腔置于第二端镜外时(如图7～8)，外腔13包括第二端镜6、分光镜14以及外腔反射镜12，第二端镜6面向谐振腔11的一侧镀有对振荡激光的部分反射和部分透过膜，第二端镜6面向外腔13的一侧镀有对振荡激光的增透膜。外腔反射镜12面向外腔13的一侧镀有对振荡激光的高反膜，且外腔反射镜为平面镜。外腔长度不受限制，优选地，外腔长度与谐振腔长度为整数倍关系。

(四)当外腔置于激光晶体(克尔介质)外时(如图9～10)，外腔13包括激光晶体(克尔介质)3和外腔反射镜12，激光晶体(克尔介质)3以布儒斯特角放置在谐振腔11内，将部分腔内振荡激光反射到外腔反射镜12上，外腔反射镜12面向外腔13的一侧镀有对振荡激光的高反膜，且外腔反射镜为凹面镜，外腔的长度与外腔凹面反射镜12的焦距一致。

在上述四种光扰动启动克尔透镜锁模固体激光器的实施例中，谐振腔11部分的设计基本一致，主要不同之处在于外腔13的设计，因此下面结合图1～图10的具体实例先介绍谐振腔11的振荡过程，再分别介绍外腔13的光扰动启动锁模过程。

首先结合图1～图10的具体实例来说明光扰动启动克尔透镜锁模块状固体激光器及碟片激光器的振荡过程。

对于固体激光器，本发明选用光纤耦合输出的半导体激光器作为泵浦源1，泵浦波长为940nm，经泵浦光路2聚焦到激光晶体3上，激光晶体为5×5×5mm的Yb:KGW晶体。Yb:KGW产生的1030nm激光入射到第二凹面镜5上，经第二凹面镜5反射到高反镜7，高反镜7将激光反射到高色散镜8上，经高色散镜8反射到第一端镜9上，第一端镜9将激光原路返回，再次到达激光晶体3上并透过激光晶体3入射第一凹面镜4上，最终被反射到第二端镜6上，其中部分激光被第二端镜6原路返回并在谐振腔11内形成振荡，部分激光透过第二端镜6并输出稳定的锁模脉冲激光。

对于碟片激光器，本发明选用光纤耦合输出的半导体激光器作为泵浦源1，泵浦波长为940nm，经泵浦光路2聚焦到碟片状激光晶体7上，碟片晶体为直径10mm、厚度220μm的圆盘形Yb:YAG(掺杂浓度为7％)激光晶体。碟片状激光晶体背向谐振腔的一侧固定在热沉上，产生的热量通过水冷冲击的方式被带走。Yb:YAG激光晶体产生的1030nm激光入射到高色散镜8上，经高色散镜8反射到第一端镜9上，第一端镜9将激光原路返回，再次到达碟片激光晶体2上并被反射到第二凹面镜5上，第二凹面镜5将激光反射后透过克尔介质3入射到第一凹面镜4上，最终被第一凹面镜4反射到第二端镜6上，其中部分激光被第二端镜6反射并原路返回在谐振腔11内形成振荡，部分激光透过第二端镜6输出稳定的高功率锁模脉冲激光。

然后分别对图1～图10的外腔13部分介绍光扰动启动锁模的光路。

在图1～图4中，反射到第一端镜9的激光分为两部分，一部分被原路返回并在谐振腔11内振荡，一部分透过第一端镜9并到达外腔反射镜12上，被外腔反射镜12反射并原路返回到谐振腔11内，以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

在图5～图6中，反射到第二凹面镜5上的激光被分为两部分，一部分被反射到激光晶体(克尔介质)3上，一部分透过第二凹面镜5并到达外腔反射镜12上，被外腔反射镜12反射并原路返回到谐振腔11内，以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

在图7～图8中，透过第二端镜6的激光入射到分光镜14上，达到分光镜14的激光被分为两部分，一部分透过分光镜14并用于输出，一部分被反射达到外腔反射镜12上，被外腔反射镜12反射并原路返回到谐振腔11内，以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

在图9～图10中，经第二凹面镜5反射并到达激光晶体(克尔介质)3上的激光分为两部分，一部分透过激光晶体(克尔介质)3并入射到第一凹面镜4上，在谐振腔11内振荡，一部分被激光晶体(克尔介质)3反射到外腔反射镜12上，被外腔反射镜12反射并原路返回到谐振腔11内，以光扰动的形式启动克尔透镜锁模。

本发明提出的光扰动启动克尔透镜锁模固体激光器目的在于实现光扰动启动克尔透镜锁模，谐振腔的设计不受限制，腔内具体光学元件的参数根据谐振腔的设计选取。在此，仅以重复频率为100MHz的碟片激光器为具体实施例，详细介绍谐振腔和外腔的关系。按照同样的方法，可对任意具体腔型设计出相应的外腔结构以实现光扰动启动克尔透镜锁模并获得稳定的飞秒脉冲输出。

按照上述实施例，对于重复频率为100MHz的碟片激光器，谐振腔腔长即第一端镜9和第二端镜6间的距离为1.5m，第一凹面镜4和第二凹面镜5的曲率半径均为150mm，第一凹面镜4和第一端镜9的距离为谐振腔的长臂端，第二凹面镜5和第二端镜6的距离为短臂端，长臂端与短臂端长度之比约为3.3：1。第一凹面镜4和第二凹面镜5间的距离在150mm～156mm之间时，谐振腔处于第一稳区，第一凹面镜4和第二凹面镜5间的距离在175mm～181mm之间时，谐振腔处于第二稳区。当第一凹面镜4和第二凹面镜5间的距离在150.5mm、155.5mm、175.5mm和180.5mm这四个位置附近处可实现克尔透镜锁模。优选地，第一凹面镜4和第二凹面镜5间的距离为155.5mm附近处最易实现克尔透镜锁模。克尔介质3优选为2mm厚度的蓝宝石片，谐振腔11内的总负色散量优选为-14000fs2。第二端镜6面向谐振腔11的一侧镀有对振荡激光的部分透过膜，透过率范围1％～20％，优选地，透过率为8％～10％，第二端镜6背向谐振腔11的一侧镀有增透膜，透过率大于99.9％。

在此仅介绍当谐振腔11处于以上实施例时的外腔设计。当外腔设计图3所示时，第一端镜9面向谐振腔11的一侧镀有对振荡激光的部分透过膜，透过率范围0.5％～5％，优选地，透过率为0.5％～1.5％，第一端镜9面向外腔13的一侧镀有增透膜，透过率大于99.9％。外腔长度不受限制，优选为与1.5mm成整数倍关系的数值；当外腔设计如图4所示时，第一端镜9面向谐振腔11的一侧镀有对振荡激光的部分透过膜，透过率范围0.5％～5％，优选地，透过率为0.5％～1.5％，第一端镜9面向外腔13的一侧镀有增透膜，透过率大于99.9％。外腔长度不受限制，外腔凹面反射镜12的曲率半径不受限制，优选地，当外腔反射镜12曲率半径为300mm时，外腔长度为150mm；当外腔设计如图6所示时，第二凹面镜5面向谐振腔11的一侧镀有对振荡激光的部分透过膜，透过率范围0.5％～5％，优选地，透过率为0.5％～1.5％，第二凹面镜5面向外腔13的一侧镀有增透膜，透过率大于99.9％。外腔凹面反射镜12曲率半径大于第二凹面镜5的曲率半径，外腔长度为外腔凹面反射镜焦距与第二凹面镜焦距之差，优选地，当外腔凹面反射镜12的曲率半径为300mm时，外腔长度为75mm；当外腔设计如图8所示时，外腔长度不受限制，优选地，外腔长度为与1.5m成整数倍关系。当外腔设计如图10所示时，外腔长度和外腔凹面反射镜曲率半径不受限制，优选地，当外腔反射镜12的曲率半径为300mm时，外腔长度为150mm。

本发明解决了传统克尔透镜锁模需要工作人员施加机械扰动的方式启动锁模的问题，这种光扰动启动克尔透镜锁模的方法具有较高的稳定性，避免了因长期使用需推动谐振腔镜所导致的光路偏移问题，可以获得光扰动启动克尔透镜锁模的高稳定性飞秒激光脉冲，进而可以实现结构简单、易操作、可重复组装的高稳定性、窄脉宽的飞秒激光器。本发明所提出的光扰动启动克尔透镜锁模固体激光器具有结构简单、较好的实用性和可操作性、可批量化生产、可重复组装等优势，可广泛应用于科学研究、工业生产以及生物医学等领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。