一種全固態皮秒雷射再生放大器的製作方法
2023-08-07 13:34:11
專利名稱：一種全固態皮秒雷射再生放大器的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射脈衝放大技術領域，特別涉及一種全固態皮秒雷射再生放大器。
背景技術：
雷射是二十世紀最偉大的發明之一，對人類社會發展具有重要深遠的影響。自1960年，第一臺雷射器出現以後，雷射器走過了氣體雷射器、液體雷射器、半導體雷射器、全固態雷射器(DPL)等歷程。隨著全固態雷射器的發展，雷射器的工程化、穩定性、體積、壽命等得到大幅度的優化，隨著全固態雷射器在不同領域應用的不斷擴展，全固態雷射技術已成為雷射技術研究的重大方向。皮秒雷射器指的是輸出脈衝寬度在皮秒至百皮秒量級(1(Γ12 I(TkiS)的超短脈衝雷射器。作為全固態雷射技術的一個重要研究方向，高功率、高效率、高光束質量全固態皮秒雷射器在國防、微加工、醫療和雷射變頻等方面都有廣泛的應用但是一般全固態皮秒鎖模雷射器直接輸出的單脈衝能量只有納焦量級，為了適應各種需要，往往要對脈衝能量進行放大。雷射放大與雷射振蕩都是基於受激輻射的光放大原理基礎上的。即是當工作物質在光泵激勵下，處於粒子數反轉分布狀態，當有外來的光信號通過它時，則激發態的粒子在外來光信號的作用下產生強烈的受激輻射，這種輻射疊加到外來光信號上使之得到放大。常見的雷射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·經過增益介質，以提取更多的能量。由於多通放大器不存在諧振腔，因此結構較簡單，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量，同時穩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入放大諧振腔內，待種子脈衝在腔內多次往復被放大吸收足夠能量後，再將脈衝從腔中導出。由於再生放大器由一個穩定的諧振腔構成，因此對種子光的放大效率高、運行穩定，輸出光束質量好。但是在現有的半導體直接泵浦的全固態皮秒千赫茲再生放大器中，由於放大晶體的發熱而產生自聚焦，很難高效率的利用泵浦光，並輸出高光束質量的大能量脈衝。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種全固態皮秒雷射再生放大器，能夠補償晶體的熱效應，從而使再生放大器對熱效應不靈敏，且能夠輸出高能量、高質量的光束。本發明提供一種全固態皮秒雷射再生放大器，包括種子光源，用於提供水平偏振的種子光；光學隔離系統，包括第一偏振選擇器件(7)、法拉第旋轉器(8)和半波片(9)，被設置為使水平偏振光透過該第一光學隔離系統後變成垂直偏振光，其中第一偏振選擇鏡片器件(7)，可透過水平偏振的光，並反射垂直偏振的光；第二偏振選擇器件(10)，可透過水平偏振的光，並反射垂直偏振的光；
電光普克爾盒(11)，被設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90° ;第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)；雷射晶體(15);平面鏡(14)，對種子光反射、對泵浦光透射；泵浦光源，用於發射泵浦光並將泵浦光穿過平面鏡(14)並聚焦到雷射晶體(15)上；其中種子光輸出後依次穿過第一隔離系統中的第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉器(8)和半波片(9)，入射到第二偏振選擇鏡片(10)，並被反射穿過到電光普克爾盒(11)後入射到平面反射鏡(12)並被平面反射鏡(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)併入射到第一凹面反射鏡(13)，然後依次被第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)反射穿過雷射晶體(15)，然後依次被第二凹面鏡(16)和平面反射鏡反射，平面反射鏡(17)的角度被設置為使光原路返回，透過第二偏振選擇鏡片(10)後穿過未加高電壓的電光普克爾盒(11)並被平面反射鏡(12)反射然後再次穿過電光普克爾盒(11)，當電光普克爾盒(11)加上高電壓後，種子雷射在平面反射鏡(12)、第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)、雷射晶體(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，放大後的雷射通過未加高電壓的電光普克爾盒(11 )，並被平面反射鏡(12 )反射然後再次穿過電光普克爾盒(11 )，偏振方向由水平變為垂直偏振，然後被第二偏振選擇器件(10)反射到隔離系統，依次穿過半波片
(9)和法拉第旋轉器(8)後被第一偏振選擇鏡片(7)反射輸出。根據本發明提供的全固態皮秒雷射再生放大器，還包括位於種子光源與第一隔離系統之間的第二隔離系統。根據本發明提供的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第一偏振選擇器件(7)為格
蘭稜鏡。根據本發明提供的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第二偏振選擇器件(10)為薄膜偏振片。根據本發明提供的全固態皮秒雷射再生放大器，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。根據本發明提供的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16 )共焦放置。根據本發明提供的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)共同的焦點位於雷射晶體與凹面鏡16之間的光路上。根據本發明提供的全固態皮秒雷射再生放大器，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雷射。本發明提供的再生放大器的結構能夠補償晶體的熱效應，輸出能量高、光束質量好、結構穩定、腔內雷射模式對熱效應變化不靈敏。
以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中
圖I為根據本發明的一個實施例的再生放大器的結構示意圖；圖2為根據本發明的一個實施例的再生放大器輸出的放大脈衝能量與泵浦能量之間的關係曲線。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本實施例提供一種全固態皮秒雷射再生放大器，其結構如圖I所示，包括全固態皮秒鎖模雷射振蕩器1，為Nd = YVO4鎖模振蕩器,用於提供水平偏振的皮秒脈衝種子光LI，波長為1064nm，脈衝寬度15ps、重複頻率89. 3MHz、單脈衝能量3. 2nJ ；第一光學隔離系統，適於隔離放大雷射與振蕩器，避免放大雷射返回進入振蕩器打壞元件，包括格蘭稜鏡2、法拉第旋轉器3、半波片4，半波片4的方向被設置為使水平偏振光透過該第一光學隔離系統後仍為水平偏振光；第二光學隔離系統，包括格蘭稜鏡7、法拉第旋轉器8、半波片9，半波片9的方向被設置為使水平偏振光透過該第二光學隔離系統後變成垂直偏振光；薄膜偏振片10，可透過水平偏振的光，並反射垂直偏振的光；電光普克爾盒11，被設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90° ;平面反射鏡5、6、12、17 ;凹面反射鏡13和16，曲率半徑R=750mm ；雷射晶體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的半導體泵浦雷射器19，用於輸出泵浦光L2 ；1:2的透鏡耦合系統18，用於使泵浦光L2穿過平面鏡14並聚焦到雷射晶體15上；其中水平偏振的種子光LI從雷射振蕩器I輸出後，穿過上述第一隔離系統，再依次經過平面反射鏡5、6的反射而入射到第二隔離系統，穿過第二隔離系統後(此時偏振方向變為垂直偏振)入射到薄膜偏振片10，並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後入射到平面反射鏡12並被平面反射鏡12沿原來的光路反射到薄膜偏振片10，由於種子光LI穿過電光普克爾盒11兩次，因此偏振方向旋轉了 90°而變成水平偏振，所以能夠透過薄膜偏振片10，併入射到凹面反射鏡13，然後被凹面反射鏡13反射到平面鏡14，再被平面鏡14反射並穿過雷射晶體15依次被凹面鏡16和平面反射鏡17反射，平面反射鏡17的角度被設置為使光原路返回，原路返回的光透過薄膜偏振片10後穿過電光普克爾盒11並被平面反射鏡12反射然後再次穿過電光普克爾盒11，當電光普克爾盒(11)加上高電壓後，種子雷射在平面反射鏡(12)、第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)、雷射晶體
(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，並被放大，直至將電光普克爾盒(11)電光晶體上的高電壓去掉，放大後的雷射通過未加高電壓的電光普克爾盒(11)，並被平面反射鏡(12)反射然後再次穿過電光普克爾盒(11)，由於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，依次穿過半波片9和法拉第旋轉器8後依然為垂直偏振，再入射到格蘭稜鏡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雷射。在使用中，先擋住種子脈衝，打開半導體泵浦雷射器，然後調節平面反射鏡17，實現雷射的振蕩，在平面反射鏡12後面放置一個光電二極體，用示波器觀察腔內脈衝的演化。調節調節平面反射鏡17，使示波器上看到的脈衝儘量向前，直到脈衝再也不能向前，說明諧振腔已經優化到最佳狀態了。接下來把種子脈衝注入再生諧振腔中，微調平面反射鏡6使得在示波器上觀察到被放大的脈衝序列，優化平面反射鏡6的姿態，使得放大序列在時間上也儘量地提前，然後調節普克爾盒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，這時放大的種子脈衝就能從腔內倒出。附圖2示出的是該實施例中的再生放大器輸出的放大脈衝能量與泵浦能量之間 的關係曲線。在重複頻率為1kHz，泵浦光單脈衝能量為IOmJ下最大輸出2. 32mJ的放大雷射，光光轉換效率高達23. 5%。根據本發明的其他實施例，其中凹面反射鏡13和16優選為共焦放置，其共同的焦點位於雷射晶體與凹面鏡16之間的光路上。根據本發明的其他實施例，其中第一隔離系統可以省略，或採用其他類型的光學隔尚系統。根據本發明的其他實施例，其中全固態皮秒鎖模雷射振蕩器I發出的水平偏振光可直接入射到第二隔離系統。根據本發明的其他實施例，其中第二隔尚系統中的格蘭稜鏡7、薄膜偏振片10為偏振選擇器件，本領域技術人員可以根據本發明公開的內容選擇其他類型的偏振選擇器件。本發明提供的再生放大器的結構能夠補償晶體的熱效應，輸出能量高、光束質量好、結構穩定、腔內雷射模式對熱效應變化不靈敏。應當說明，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進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的鏡片的鍍膜波長等參數都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種全固態皮秒雷射再生放大器，包括 種子光源，用於提供水平偏振的種子光； 光學隔離系統，包括第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉器(8)和半波片(9)，被設置為使水平偏振光透過該第一光學隔離系統後變成垂直偏振光； 第二偏振選擇鏡片(10)，可透過水平偏振的光，並反射垂直偏振的光； 電光普克爾盒(11)，被設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90° ; 第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)； 雷射晶體(15)； 平面鏡(14)，對種子光反射、對泵浦光透射； 泵浦光源，用於發射泵浦光並將泵浦光穿過平面鏡(14)並聚焦到雷射晶體(15)上； 其中種子光輸出後依次穿過第一隔離系統中的第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉器(8)和半波片(9)，入射到第二偏振選擇鏡片(10)，並被反射穿過到未加高電壓的電光普克爾盒(11)後入射到平面反射鏡(12 )並被平面反射鏡(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)併入射到第一凹面反射鏡(13)，然後依次被第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)反射穿過雷射晶體(15)，然後依次被第二凹面鏡(16)和平面反射鏡(17)反射，平面反射鏡(17)的角度被設置為使光原路返回，透過第二偏振選擇鏡片(10)後穿過未加高電壓的電光普克爾盒(11)並被平面反射鏡(12)反射然後再次穿過電光普克爾盒(11)，當電光普克爾盒(11)加上高電壓後，種子雷射在平面反射鏡(12)、第一凹面反射鏡(13)、平面鏡(14)、雷射晶體(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，放大後的雷射通過未加高電壓的電光普克爾盒(11)，並被平面反射鏡(12)反射然後再次穿過電光普克爾盒(11)，偏振方向由水平變為垂直偏振，然後被第二偏振選擇器件(10)反射到隔離系統，依次穿過半波片(9)和法拉第旋轉器(8)後被第一偏振選擇鏡片(7)反射輸出。
2.根據權利要求I所述的全固態皮秒雷射再生放大器，還包括位於種子光源與第一隔離系統之間的第二隔離系統。
3.根據權利要求I所述的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第一偏振選擇器件(7)為格蘭稜鏡。
4.根據權利要求I所述的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第二偏振選器件(10)為薄膜偏振片。
5.根據權利要求I所述的全固態皮秒雷射再生放大器，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.根據權利要求I所述的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)共焦放置。
7.根據權利要求6所述的全固態皮秒雷射再生放大器，其中第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)共同的焦點位於雷射晶體與凹面鏡16之間的光路上。
8.根據權利要求I所述的全固態皮秒雷射再生放大器，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雷射。
全文摘要
本發明提供一種全固態皮秒雷射再生放大器，包括種子光源，用於提供水平偏振的種子光；光學隔離系統，包括第一偏振選擇鏡片(7)、法拉第旋轉器(8)和半波片(9)，被設置為使水平偏振光透過該第一光學隔離系統後變成垂直偏振光；第二偏振選擇鏡片(10)，可透過水平偏振的光，並反射垂直偏振的光；電光普克爾盒(11)，被設置為光每穿過電光普克爾盒(11)一次、偏振方向旋轉45°；第一凹面反射鏡(13)和第二凹面反射鏡(16)；雷射晶體(15)；平面鏡(14)，對種子光反射、對泵浦光透射；泵浦光源，用於發射泵浦光並將泵浦光穿過平面鏡(14)並聚焦到雷射晶體(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 優先權日2012年9月24日
發明者魏志義, 王兆華, 王慶, 沈忠偉, 樊仲維, 麻雲鳳 申請人:中國科學院物理研究所, 北京國科世紀雷射技術有限公司