用於皮秒雷射脈衝放大的高增益雙程行波放大器的製作方法

2023-05-28 04:18:06 2

專利名稱：用於皮秒雷射脈衝放大的高增益雙程行波放大器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，屬於固體雷射放大技術領域。
背景技術：
高能量皮秒雷射器以其高的峰值功率、窄的脈衝寬度，在材料精細微加工，LED劃片，太陽能光伏，科學研究等領域得到了廣泛的應用。相對於納秒雷射，採用皮秒雷射加工材料，具有精度尚、熱影響區域極小、加エ邊緣無毛刺等優點。為了滿足上述應用，一般要求皮秒雷射峰值功率達到MW量級，目前產生MW量級峰值功率皮秒雷射的原理是從幾十MHz鎖模種子源雷射器通，過電光調製的方法，選出kHz到 百kHz種子光脈衝，然後經過放大實現瓦級功率輸出。種子光脈衝放大的方式有兩種，再生放大及行波放大。再生放大技術優點是，放大器増益高，可以達到IO6-IO9,但是再生放大腔結構複雜，對脈衝時序要求非常嚴格，同時需要加入電光腔倒空功能，製作難度非常大。行波放大技術的優點是，不需要再生放大腔，結構簡單，穩定可靠，且容易獲得較高功率輸出，缺點是單級放大增益小，一般可以達到103_104。目前，國際上大多數公司都採用再生放大器放大皮秒脈衝，例如High Q laser,Ekspla, Trumpf, Coherent等公司，最高輸出功率可以達到百kHz頻率下50W以上。國外也有研究用於皮秒脈衝放大的行波放大器。例如,2006年義大利Antonio Agnesi等人,採用兩級板條雷射器實現將O. InJ單脈衝能量放大到10uJ，放大增益為IO5 ；2009日本K. Nawata等人採用2mW皮秒種子源雷射兩次通過楔形板條Nd: YV04構成的行波放大器，實現輸出功率25W，放大增益為12500。為了獲得高的増益和高的峰值功率，行波放大器的増益介質ー般為板條結構，但是板條結構需要對放大雷射進行多次整形會造成雷射光斑質量變差。採用端面泵浦Nd: YV04方式可以解決此問題，但是由於Nd: YV04端面熱應カ影響，不能承受高的泵浦功率(小於40W)，放大增益很小。近年來研究發現，採用888. 5nm泵浦光代替808nm泵浦光可以有效的降低晶體熱效應40%以上，因此晶體端面可以承受更高的泵浦功率(大於 150W)。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器。本實用新型的目的通過以下技術方案來實現用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，特點是包括半導體ニ極管泵浦源、雷射晶體和皮秒種子源，半導體ニ極管泵浦源銜接第一透鏡，第一透鏡銜接第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接雷射晶體，雷射晶體銜接第三透鏡，第三透鏡銜接第二平面鏡，所述皮秒種子源銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器銜接第六透鏡，第六透鏡銜接第五透鏡，第五透鏡銜接第四透鏡，第四透鏡與第一平面鏡相銜接；皮秒種子源的脈衝薄膜偏振片後保持偏振態不變，通過法拉第旋光器後偏振態旋轉45°，再經過第六透鏡和第五透鏡進行擴束，擴束後的脈衝雷射器經過第四透鏡和第一平面鏡聚焦到雷射晶體內部；半導體ニ極管泵浦源發出的泵浦光經過第一透鏡和第ニ透鏡聚焦到雷射晶體內部，種子光在雷射晶體內部第一次放大後，種子光以及未被晶體吸收的泵浦光經過第三透鏡準直，再經過第二平面鏡反射回到雷射晶體中，對種子光二次放大及剩餘泵浦光再次利用；二次放大後的雷射脈衝經過第一平面鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡到達法拉第旋光器，經過法拉第旋光器後的放大雷射偏振態再次旋轉45°，偏振態與第一次入射到薄膜偏振片的偏振態垂直，雙程放大的雷射從薄膜偏振片反射出。進ー步地，上述的用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，其中，所述半導體ニ極管泵浦源為150W功率、888. 5nm波段ニ極管端面泵浦，其尾纖纖芯直徑為400微米，數值孔徑NA=O. 22。更進一歩地，上述的用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，其中，所述雷射晶體為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位於25 50mm。 本實用新型技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在本實用新型採用兩個透鏡對種子源雷射先擴束，然後用單個透鏡再聚焦的方式，實現種子雷射與泵浦光的最大限度重疊，提高放大器的提取效率；採用單個透鏡及單個平面反射鏡組合方式實現對剩餘泵浦光的再次利用，同時將第一次放大後的種子雷射反射回雷射晶體內部，完成雷射的二次放大；本實用新型放大器具有放大增益高，輸出光斑質量優異，穩定性好等優點。
以下結合附圖
對本實用新型技術方案作進ー步說明圖I :本實用新型的原理示意圖。
具體實施方式
本實用新型設計適用於皮秒雷射脈衝的高増益雙程行波放大器，其放大增益可以達到1000倍，可將雷射器的峰值功率由kW放大到MW量級，輸出放大雷射穩定，光束質量優異，結構簡單。如圖I所示，用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，包括半導體ニ極管泵浦源I、雷射晶體5和皮秒種子源13，半導體ニ極管泵浦源I銜接第一透鏡2，第一透鏡2銜接第二透鏡3，第二透鏡3銜接第一平面鏡4，第一平面鏡4銜接雷射晶體5，雷射晶體5銜接第三透鏡6，第三透鏡6銜接第二平面鏡7，皮秒種子源13銜接薄膜偏振片12，薄膜偏振片12銜接法拉第旋光器11，法拉第旋光器11銜接第六透鏡10，第六透鏡10銜接第五透鏡9，第五透鏡9銜接第四透鏡8，第四透鏡8與第一平面鏡4相銜接；皮秒種子源13的脈衝經過薄膜偏振片12後保持偏振態不變，通過法拉第旋光器11後偏振態旋轉45°，再經過第六透鏡10和第五透鏡9進行擴束，擴束後的脈衝經過第四透鏡8和第一平面鏡4聚焦到雷射晶體5內部，調整第六透鏡10和第五透鏡9之間的距離使得聚焦光斑大概為SOOum ；半導體ニ極管泵浦源I發出的泵浦光經過第一透鏡2和第二透鏡3聚焦到雷射晶體內部5，聚焦光斑也保持在800um，種子光在雷射晶體5內部第一次放大後，種子光以及未被晶體吸收的泵浦光經過第三透鏡6準直，再經過第二平面鏡7反射回到雷射晶體5中，對種子光二次放大及剩餘泵浦光再次利用；二次放大後的雷射脈衝經過第一平面鏡4、第四透鏡8、第五透鏡9和第六透鏡10到達法拉第旋光器11，經過法拉第旋光器11後的放大雷射偏振態再次旋轉45° ,偏振態與第一次入射到薄膜偏振片12的偏振態垂直,雙程放大的雷射從薄膜偏振片12反射出。行波放大器採用888. 5nm ニ極管端面泵浦Nd:YV04方式實現種子光脈衝的放大。用於皮秒雷射的放大器有板條放大、光纖放大、側面泵浦晶體放大等形式。光纖放大器的優點是放大増益高，但是不能承受很高的峰值功率；板條放大的方式可以獲得比較高的増益，同時可以承受很高的峰值功率，但是需要對雷射脈衝做多次整形，且種子光和泵浦光重疊不夠好；側面泵浦方式放大增益不夠大，同時由於種子光和泵浦光重合不好，輸出光束質量差。本實用新型放大器採用端面泵浦方式泵浦雷射晶體，從而增加泵浦光和種子雷射的重 疊率以提高光束質量，同時可以承受很高的峰值功率。採用888. 5nm光泵浦Nd:YV04晶體的優勢是，將粒子直接從基態激發到雷射上能級，有效的減小了量子虧損，使得雷射晶體可以承受大於150W泵浦功率，在高功率泵浦下，放大器具有非常高的増益。採用行波放大方式實現種子光脈衝的放大。皮秒脈衝放大的方式有兩種，再生放大及行波放大。再生放大技術優點是，放大器増益高，可以達到IO6-IO9,但是再生放大腔結構複雜，對脈衝時序要求非常嚴格，同時需要加入電光腔倒空功能，製作難度非常大。行波放大技術的優點是不需要再生放大腔，結構簡単，穩定可靠，且容易獲得較高功率輸出，缺點是單級放大增益小，一般可以達到103-104。採用法拉第旋光器11配合薄膜偏振片12實現雷射的雙程放大。採用雙程放大方式，可以有效的提升放大器的放大增益。實現雙程放大的方式為種子光經過薄膜偏振片12後，經過法拉第旋光器11，偏振態旋轉45°，經過第一次放大後，種子光被反射回雷射晶體5內部做二次放大，再次經過法拉第旋光器11時偏振態再次旋轉45°，相對於放大前雷射偏振態旋轉90°，所以經過偏振片可以反射輸出，從而實現雷射雙程放大。採用對皮秒種子源13雷射先擴束再聚焦的方式，實現種子雷射與泵浦光的最大限度重疊，提高放大器的提取效率。泵浦光經過聚焦後進入雷射晶體5然後發散，而種子源輸出雷射發散角很小，近乎於平行光，如果種子光直接通過晶體，由於重疊率低，無法獲得高的提取效率。將種子源擴束再聚焦，可以有效提升提取效率。採用凸透鏡加上反射鏡的方式實現對於剩餘泵浦光的再次利用，提高放大器增益，同時可以完成種子光第一次放大後被反射回雷射晶體內部做第二次放大的作用。由於Nd: YV04晶體對888. 5nm處的光吸收率低，採用30mm長，摻雜O. 6%的晶體，仍然有近20%的泵浦光未被晶體吸收，採用這ー措施可以實現95%以上的泵浦光被晶體吸收。半導體ニ極管泵浦源I為150W功率、888. 5nm波段ニ極管端面泵浦，其尾纖纖芯直徑為400微米，數值孔徑NA=O. 22。雷射晶體5為Nd:YV04，晶體尺寸為3X3X30mm3，晶體具有1. 5°楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位於25 50mm。防止高功率泵浦下晶體自激振蕩，通循環水對晶體進行精確冷卻控溫。為了提高放大器的提取效率，種子源雷射經過雷射晶體時的偏振態為45°偏振，所以雷射晶體的放置滿足其偏振在45°方向。為了增加種子光和泵浦光在晶體內的重疊率，必須設計調整好第一透鏡2、第二透鏡3、第四透鏡8、第五透鏡9、第六透鏡10的焦距。根據上述技術方案，構建皮秒雷射脈衝放大的高增益雙程行波放大器裝置。在抽運光功率150w時，獲得不同種子光頻率下雷射器的輸出功率，脈衝重複率為IOOkHz時，放大器輸出功率為5. 14W，此時對應的種子源雷射功率5mW，得到放大器增益大於1000。在雷射功率5. 14W時，用光束質量分析儀測得光束質量因子M2〈l. 5，放大器運行8小時的穩定度小於3%。從結果可以看出，本實用新型行波放大器具有放大增益高，光束質量好，運行穩定等優點，可以廣泛用於皮秒雷射應用領域。綜上所述，本實用新型採用兩個透鏡對種子源雷射先擴束，然後用單個透鏡再聚焦的方式，實現種子雷射與泵浦光的最大限度重疊，提高放大器的提取效率；採用單個透鏡及單個平面反射鏡組合方式實現對剩餘泵浦光的再次利用，同時將第一次放大後的種子雷射反射回雷射晶體內部，完成雷射的二次放大；本實用新型放大器具有放大增益高，輸出光斑質量優異，穩定性好等優點。 需要理解到的是以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，其特徵在於包括半導體ニ極管泵浦源、雷射晶體和皮秒種子源，半導體ニ極管泵浦源銜接第一透鏡，第一透鏡銜接第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接雷射晶體，雷射晶體銜接第三透鏡，第三透鏡銜接第二平面鏡，所述皮秒種子源銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器銜接第六透鏡，第六透鏡銜接第五透鏡，第五透鏡銜接第四透鏡，第四透鏡與第一平面鏡相銜接；皮秒種子源的脈衝經過薄膜偏振片後保持偏振態不變，通過法拉第旋光器後偏振態旋轉45°，再經過第六透鏡和第五透鏡進行擴束，擴束後的脈衝經過第四透鏡和第一平面鏡聚焦到雷射晶體內部；半導體ニ極管泵浦源發出的泵浦光經過第一透鏡和第二透鏡聚焦到雷射晶體內部，種子光在雷射晶體內部第一次放大後，種子光以及未被晶體吸收的泵浦光經過第三透鏡準直，再經過第二平面鏡反射回到雷射晶體中，對種子光二次放大及剩餘泵浦光再次利用；二次放大後的雷射脈衝經過第一平面鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡到達法拉第旋光器，經過法拉第旋光器後的放大雷射偏振態再次旋轉45°，偏振態與第一次入射到薄膜偏振片的偏振態垂直，雙程放大的雷射從薄膜偏振片反射出。
2.根據權利要求I所述的用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，其特徵在於所述半導體ニ極管泵浦源為150W功率、888. 5nm波段ニ極管端面泵浦，其尾纖纖芯直徑為400微米，數值孔徑NA=O. 22。
3.根據權利要求I所述的用於皮秒雷射脈衝放大的高増益雙程行波放大器，其特徵在於所述雷射晶體為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位於.25 50mmo
專利摘要本實用新型涉及用於皮秒雷射脈衝放大的高增益雙程行波放大器，半導體二極體泵浦源銜接第一透鏡，第一透鏡銜接第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接雷射晶體，雷射晶體銜接第三透鏡，第三透鏡銜接第二平面鏡，所述皮秒種子源銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器銜接第六透鏡，第六透鏡銜接第五透鏡，第五透鏡銜接第四透鏡，第四透鏡與第一平面鏡相銜接。利用透鏡組合對種子雷射進行擴束聚焦，實現種子光泵浦光在晶體內的重疊，同時利用透鏡及反射鏡的組合將剩餘的泵浦光反射回晶體內部進行再次利用。具有放大增益高、輸出光斑質量優異、穩定性好等優點。
文檔編號H01S3/00GK202405610SQ20112056228
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者李立衛, 趙裕興 申請人:蘇州德龍雷射有限公司