專利名稱：一種全固態(tài)皮秒激光再生放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光脈沖放大技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全固態(tài)皮秒激光再生放大器。
背景技術(shù)：
激光是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，對人類社會發(fā)展具有重要深遠(yuǎn)的影響。自1960年，第一臺激光器出現(xiàn)以后，激光器走過了氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、全固態(tài)激光器(DPL)等歷程。隨著全固態(tài)激光器的發(fā)展，激光器的工程化、穩(wěn)定性、體積、壽命等得到大幅度的優(yōu)化，隨著全固態(tài)激光器在不同領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，全固態(tài)激光技術(shù)已成為激光技術(shù)研究的重大方向。皮秒激光器指的是輸出脈沖寬度在皮秒至百皮秒量級(1(Γ12 I(TkiS)的超短脈沖激光器。作為全固態(tài)激光技術(shù)的一個重要研究方向，高功率、高效率、高光束質(zhì)量全固態(tài)皮秒激光器在國防、微加工、醫(yī)療和激光變頻等方面都有廣泛的應(yīng)用但是一般全固態(tài)皮秒鎖模激光器直接輸出的單脈沖能量只有納焦量級，為了適應(yīng)各種需要，往往要對脈沖能量進(jìn)行放大。激光放大與激光振蕩都是基于受激輻射的光放大原理基礎(chǔ)上的。即是當(dāng)工作物質(zhì)在光泵激勵下，處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，當(dāng)有外來的光信號通過它時，則激發(fā)態(tài)的粒子在外來光信號的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈的受激輻射，這種輻射疊加到外來光信號上使之得到放大。常見的激光放大類型有單程放大、多通放大和再生放大。單程放大中種子光只通過增益介質(zhì)一次，所以提取的能量很有限。多通放大是利用幾面反射鏡使種子光多次往返·經(jīng)過增益介質(zhì)，以提取更多的能量。由于多通放大器不存在諧振腔，因此結(jié)構(gòu)較簡單，但是多通放大器不能保證每次種子光與泵浦光較好地共線耦合，會影響放大效率和光束質(zhì)量，同時穩(wěn)定性也得不到很好的保證。再生放大是利用偏振特性把種子光導(dǎo)入放大諧振腔內(nèi)，待種子脈沖在腔內(nèi)多次往復(fù)被放大吸收足夠能量后，再將脈沖從腔中導(dǎo)出。由于再生放大器由一個穩(wěn)定的諧振腔構(gòu)成，因此對種子光的放大效率高、運(yùn)行穩(wěn)定，輸出光束質(zhì)量好。但是在現(xiàn)有的半導(dǎo)體直接泵浦的全固態(tài)皮秒千赫茲再生放大器中，由于放大晶體的發(fā)熱而產(chǎn)生自聚焦，很難高效率的利用泵浦光，并輸出高光束質(zhì)量的大能量脈沖。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種全固態(tài)皮秒激光再生放大器，能夠補(bǔ)償晶體的熱效應(yīng)，從而使再生放大器對熱效應(yīng)不靈敏，且能夠輸出高能量、高質(zhì)量的光束。本發(fā)明提供一種全固態(tài)皮秒激光再生放大器，包括種子光源，用于提供水平偏振的種子光；光學(xué)隔離系統(tǒng)，包括第一偏振選擇器件(7)、法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)和半波片(9)，被設(shè)置為使水平偏振光透過該第一光學(xué)隔離系統(tǒng)后變成垂直偏振光，其中第一偏振選擇鏡片器件(7)，可透過水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；第二偏振選擇器件(10)，可透過水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；
電光普克爾盒(11)，被設(shè)置為未加高電壓時光每穿過電光普克爾盒(11) 一次、偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，加高電壓時光每穿過電光普克爾盒(11) 一次、偏振方向旋轉(zhuǎn)90° ;第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)；激光晶體(15);平面鏡(14)，對種子光反射、對泵浦光透射；泵浦光源，用于發(fā)射泵浦光并將泵浦光穿過平面鏡(14)并聚焦到激光晶體(15)上；其中種子光輸出后依次穿過第一隔離系統(tǒng)中的第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)和半波片(9)，入射到第二偏振選擇鏡片(10)，并被反射穿過到電光普克爾盒(11)后入射到平面反射鏡(12)并被平面反射鏡(12)沿原來的光路反射到第二偏振選擇鏡片·(10)，透過第二偏振選擇鏡片(10)并入射到第一凹面反射鏡(13)，然后依次被第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)反射穿過激光晶體(15)，然后依次被第二凹面鏡(16)和平面反射鏡反射，平面反射鏡(17)的角度被設(shè)置為使光原路返回，透過第二偏振選擇鏡片(10)后穿過未加高電壓的電光普克爾盒(11)并被平面反射鏡(12)反射然后再次穿過電光普克爾盒(11)，當(dāng)電光普克爾盒(11)加上高電壓后，種子激光在平面反射鏡(12)、第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)、激光晶體(15)、第二凹面鏡(16)和平面反射鏡(17)組成的再生放大腔中多次振蕩，直至將電光普克爾盒(11)上的高電壓去掉，放大后的激光通過未加高電壓的電光普克爾盒(11 )，并被平面反射鏡(12 )反射然后再次穿過電光普克爾盒(11 )，偏振方向由水平變?yōu)榇怪逼?，然后被第二偏振選擇器件(10)反射到隔離系統(tǒng)，依次穿過半波片
(9)和法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)后被第一偏振選擇鏡片(7)反射輸出。根據(jù)本發(fā)明提供的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，還包括位于種子光源與第一隔離系統(tǒng)之間的第二隔離系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明提供的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一偏振選擇器件(7)為格
蘭棱鏡。根據(jù)本發(fā)明提供的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第二偏振選擇器件(10)為薄膜偏振片。根據(jù)本發(fā)明提供的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)的曲率半徑為750mm。根據(jù)本發(fā)明提供的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16 )共焦放置。根據(jù)本發(fā)明提供的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)共同的焦點(diǎn)位于激光晶體與凹面鏡16之間的光路上。根據(jù)本發(fā)明提供的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中通過控制電光普克爾盒(11)上的電壓，來控制是否輸出放大的激光。本發(fā)明提供的再生放大器的結(jié)構(gòu)能夠補(bǔ)償晶體的熱效應(yīng)，輸出能量高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、腔內(nèi)激光模式對熱效應(yīng)變化不靈敏。
以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中
圖I為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的再生放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的再生放大器輸出的放大脈沖能量與泵浦能量之間的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本實(shí)施例提供一種全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括全固態(tài)皮秒鎖模激光振蕩器1，為Nd = YVO4鎖模振蕩器,用于提供水平偏振的皮秒脈沖種子光LI，波長為1064nm，脈沖寬度15ps、重復(fù)頻率89. 3MHz、單脈沖能量3. 2nJ ；第一光學(xué)隔離系統(tǒng)，適于隔離放大激光與振蕩器，避免放大激光返回進(jìn)入振蕩器打壞元件，包括格蘭棱鏡2、法拉第旋轉(zhuǎn)器3、半波片4，半波片4的方向被設(shè)置為使水平偏振光透過該第一光學(xué)隔離系統(tǒng)后仍為水平偏振光；第二光學(xué)隔離系統(tǒng)，包括格蘭棱鏡7、法拉第旋轉(zhuǎn)器8、半波片9，半波片9的方向被設(shè)置為使水平偏振光透過該第二光學(xué)隔離系統(tǒng)后變成垂直偏振光；薄膜偏振片10，可透過水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；電光普克爾盒11，被設(shè)置為未加高電壓時光每穿過電光普克爾盒11 一次、偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，加高電壓時光每穿過電光普克爾盒(11) 一次、偏振方向旋轉(zhuǎn)90° ;平面反射鏡5、6、12、17 ;凹面反射鏡13和16，曲率半徑R=750mm ；激光晶體15，通光面鍍有對808nm和1064nm兩個波段的高閾值增透膜；平面鏡14，對1064nm光反射、對808nm光透射；光纖耦合輸出的808nm的半導(dǎo)體泵浦激光器19，用于輸出泵浦光L2 ；1:2的透鏡耦合系統(tǒng)18，用于使泵浦光L2穿過平面鏡14并聚焦到激光晶體15上；其中水平偏振的種子光LI從激光振蕩器I輸出后，穿過上述第一隔離系統(tǒng)，再依次經(jīng)過平面反射鏡5、6的反射而入射到第二隔離系統(tǒng)，穿過第二隔離系統(tǒng)后(此時偏振方向變?yōu)榇怪逼?入射到薄膜偏振片10，并被反射到未加高電壓的電光普克爾盒11，穿過電光普克爾盒11后入射到平面反射鏡12并被平面反射鏡12沿原來的光路反射到薄膜偏振片10，由于種子光LI穿過電光普克爾盒11兩次，因此偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°而變成水平偏振，所以能夠透過薄膜偏振片10，并入射到凹面反射鏡13，然后被凹面反射鏡13反射到平面鏡14，再被平面鏡14反射并穿過激光晶體15依次被凹面鏡16和平面反射鏡17反射，平面反射鏡17的角度被設(shè)置為使光原路返回，原路返回的光透過薄膜偏振片10后穿過電光普克爾盒11并被平面反射鏡12反射然后再次穿過電光普克爾盒11，當(dāng)電光普克爾盒(11)加上高電壓后，種子激光在平面反射鏡(12)、第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)、激光晶體
(15)、第二凹面鏡(16)和平面反射鏡(17)組成的再生放大腔中多次振蕩，并被放大，直至將電光普克爾盒(11)電光晶體上的高電壓去掉，放大后的激光通過未加高電壓的電光普克爾盒(11)，并被平面反射鏡(12)反射然后再次穿過電光普克爾盒(11)，由于兩次穿過未加高電壓的電光普克爾盒11，偏振方向此時變成垂直偏振，因此被薄膜偏振片10反射到第二隔離系統(tǒng)，依次穿過半波片9和法拉第旋轉(zhuǎn)器8后依然為垂直偏振，再入射到格蘭棱鏡7時被反射輸出。通過控制電光普克爾盒(11)上的電壓，來控制是否輸出放大的激光。在使用中，先擋住種子脈沖，打開半導(dǎo)體泵浦激光器，然后調(diào)節(jié)平面反射鏡17，實(shí)現(xiàn)激光的振蕩，在平面反射鏡12后面放置一個光電二極管，用示波器觀察腔內(nèi)脈沖的演化。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)平面反射鏡17，使示波器上看到的脈沖盡量向前，直到脈沖再也不能向前，說明諧振腔已經(jīng)優(yōu)化到最佳狀態(tài)了。接下來把種子脈沖注入再生諧振腔中，微調(diào)平面反射鏡6使得在示波器上觀察到被放大的脈沖序列，優(yōu)化平面反射鏡6的姿態(tài)，使得放大序列在時間上也盡量地提前，然后調(diào)節(jié)普克爾盒11的門信號寬度，使得其下降沿正好卡到放大序列的峰值附近，這時放大的種子脈沖就能從腔內(nèi)倒出。附圖2示出的是該實(shí)施例中的再生放大器輸出的放大脈沖能量與泵浦能量之間 的關(guān)系曲線。在重復(fù)頻率為1kHz，泵浦光單脈沖能量為IOmJ下最大輸出2. 32mJ的放大激光，光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)23. 5%。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其中凹面反射鏡13和16優(yōu)選為共焦放置，其共同的焦點(diǎn)位于激光晶體與凹面鏡16之間的光路上。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其中第一隔離系統(tǒng)可以省略，或采用其他類型的光學(xué)隔尚系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其中全固態(tài)皮秒鎖模激光振蕩器I發(fā)出的水平偏振光可直接入射到第二隔離系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，其中第二隔尚系統(tǒng)中的格蘭棱鏡7、薄膜偏振片10為偏振選擇器件，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容選擇其他類型的偏振選擇器件。本發(fā)明提供的再生放大器的結(jié)構(gòu)能夠補(bǔ)償晶體的熱效應(yīng)，輸出能量高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、腔內(nèi)激光模式對熱效應(yīng)變化不靈敏。應(yīng)當(dāng)說明，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，比如使用類似的腔型，以及在類似的腔型中替換增益晶體以及相應(yīng)的鏡片的鍍膜波長等參數(shù)都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種全固態(tài)皮秒激光再生放大器，包括 種子光源，用于提供水平偏振的種子光； 光學(xué)隔離系統(tǒng)，包括第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)和半波片(9)，被設(shè)置為使水平偏振光透過該第一光學(xué)隔離系統(tǒng)后變成垂直偏振光； 第二偏振選擇鏡片(10)，可透過水平偏振的光，并反射垂直偏振的光； 電光普克爾盒(11)，被設(shè)置為未加高電壓時光每穿過電光普克爾盒(11) 一次、偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，加高電壓時光每穿過電光普克爾盒(11) 一次、偏振方向旋轉(zhuǎn)90° ; 第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)； 激光晶體(15)； 平面鏡(14)，對種子光反射、對泵浦光透射； 泵浦光源，用于發(fā)射泵浦光并將泵浦光穿過平面鏡(14)并聚焦到激光晶體(15)上； 其中種子光輸出后依次穿過第一隔離系統(tǒng)中的第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)和半波片(9)，入射到第二偏振選擇鏡片(10)，并被反射穿過到未加高電壓的電光普克爾盒(11)后入射到平面反射鏡(12 )并被平面反射鏡(12 )沿原來的光路反射到第二偏振選擇鏡片(10)，透過第二偏振選擇鏡片(10)并入射到第一凹面反射鏡(13)，然后依次被第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)反射穿過激光晶體(15)，然后依次被第二凹面鏡(16)和平面反射鏡(17)反射，平面反射鏡(17)的角度被設(shè)置為使光原路返回，透過第二偏振選擇鏡片(10)后穿過未加高電壓的電光普克爾盒(11)并被平面反射鏡(12)反射然后再次穿過電光普克爾盒(11)，當(dāng)電光普克爾盒(11)加上高電壓后，種子激光在平面反射鏡(12)、第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)、激光晶體(15)、第二凹面鏡(16)和平面反射鏡(17)組成的再生放大腔中多次振蕩，直至將電光普克爾盒(11)上的高電壓去掉，放大后的激光通過未加高電壓的電光普克爾盒(11)，并被平面反射鏡(12)反射然后再次穿過電光普克爾盒(11)，偏振方向由水平變?yōu)榇怪逼瘢缓蟊坏诙襁x擇器件(10)反射到隔離系統(tǒng)，依次穿過半波片(9)和法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)后被第一偏振選擇鏡片(7)反射輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，還包括位于種子光源與第一隔離系統(tǒng)之間的第二隔離系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一偏振選擇器件(7)為格蘭棱鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第二偏振選器件(10)為薄膜偏振片。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)的曲率半徑為750mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)共焦放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)共同的焦點(diǎn)位于激光晶體與凹面鏡16之間的光路上。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的全固態(tài)皮秒激光再生放大器，其中通過控制電光普克爾盒(11)上的電壓，來控制是否輸出放大的激光。
全文摘要
本發(fā)明提供一種全固態(tài)皮秒激光再生放大器，包括種子光源，用于提供水平偏振的種子光；光學(xué)隔離系統(tǒng)，包括第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉(zhuǎn)器(8)和半波片(9)，被設(shè)置為使水平偏振光透過該第一光學(xué)隔離系統(tǒng)后變成垂直偏振光；第二偏振選擇鏡片(10)，可透過水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；電光普克爾盒(11)，被設(shè)置為光每穿過電光普克爾盒(11)一次、偏振方向旋轉(zhuǎn)45°；第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)；激光晶體(15)；平面鏡(14)，對種子光反射、對泵浦光透射；泵浦光源，用于發(fā)射泵浦光并將泵浦光穿過平面鏡(14)并聚焦到激光晶體(15)上。
文檔編號H01S3/0941GK102904155SQ20121036002
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者魏志義, 王兆華, 王慶, 沈忠偉, 樊仲維, 麻云鳳 申請人:中國科學(xué)院物理研究所, 北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司