一種時域包絡形貌可調的猝發脈衝雷射再生放大器的製作方法

2024-03-04 21:20:15

本發明涉及雷射器技術領域，尤其涉及一種時域包絡形貌可調的雷射再生放大固體雷射器。

背景技術：

猝發脈衝雷射是指時域上具有一定脈衝包絡形貌，包絡內部脈衝數目可調的超快脈衝序列。猝發脈衝雷射可以應用於控制薄膜的形態進行化學沉積，高能量的猝發脈衝應用於軍事等領域的研究也在不斷展開：比如湯姆遜散射實驗、光聲顯微、核加速器、雷射雷達等。因此，猝發脈衝技術一直是雷射領域的研究熱點。

目前獲得高能量的猝發脈衝雷射的方法主要是多通固體放大技術或者是光纖放大技術實現的。這些方法並沒有對猝發脈衝的時域形貌進行幹預，因此獲得的猝發脈衝形貌的單一的，不可調製的。這些形貌不可調製的猝發脈衝雷射嚴重影響其應用領域和應用範圍。

另外，在目前報導的再生放大器中，進入再生放大腔的並非猝發脈衝，而是單一脈衝。主要通過脈衝選單技術，選出單一脈衝進入再生放大腔，通過再生放大技術獲得高能量的單脈衝輸出。這種高能量、高峰值功率雷射，容易帶來諧振腔內部的晶體、鏡片等光學器件的損傷，因此，帶來很大應用的局限性。

因此，如果將單一脈衝能量變化為猝發脈衝串，將單一脈衝的能量分解為猝發脈衝包絡內多個脈衝能量的疊加，增加脈衝能量並不會帶來峰值功率的提升，有效避免器件損傷問題，大幅增加雷射器的穩定性和使用壽命。在此基礎上，根據不同的應用需求，對其時域包絡形貌進行調整，這將大大拓寬這種特殊脈衝雷射的應用範圍。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

鑑於上述技術問題，為了克服上述現有技術的不足，本發明提出了一種時域包絡形貌可調的猝發脈衝雷射再生放大器。

(二)技術方案

根據本發明的一個方面，提供了一種時域包絡形貌可調的猝發脈衝雷射再生放大器，包括：猝發脈衝雷射信號源，輸出猝發脈衝；放大系統，接收所述猝發脈衝並放大，輸出高能猝發脈衝；隔離系統，設置於所述猝發脈衝雷射信號源與所述放大系統之間，防止高能猝發脈衝返回至猝發脈衝雷射信號源；控制系統，對猝發脈衝雷射信號源進行調製並控制放大系統，使所述高能猝發脈衝的時域包絡形貌可調。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

(1)一種時域包絡形貌可調的猝發脈衝雷射再生放大器包括任意形貌脈衝包絡發生系統、猝發脈衝信號源、隔離系統及放大系統，實現時域包絡形貌可調的高能猝發脈衝雷射的輸出。

(2)任意形貌脈衝包絡發生系統包括兩任意脈衝發生器分別調製猝發脈衝信號源和放大系統中泵浦源，調節猝發脈衝雷射的包絡形貌。

(3)放大系統中設置普克爾盒用於控制雷射在方法系統諧振腔中的鎖存和輸出。

附圖說明

圖1是本發明實施例中時域包絡形貌可調的猝發脈衝雷射再生放大器的結構示意圖；

圖2是圖1中再生放大器輸出為高能高斯形猝發脈衝時域形貌的波形圖；

圖3是圖1中再生放大器輸出為高能方波形高斯形猝發脈衝時域形貌的波形圖；

圖4是圖1中再生放大器輸出為高能上斜線形猝發脈衝時域形貌的波形圖。

圖5是圖1中再生放大器輸出為高能下斜線形猝發脈衝時域形貌的波形圖。

具體實施方式

本發明某些實施例於後方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但並非全部的實施例將被示出。實際上，本發明的各種實施例可以許多不同形式實現，而不應被解釋為限於此數所闡述的實施例；相對地，提供這些實施例使得本發明滿足適用的法律要求。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

本發明實施例提供一種時域包絡形貌可調的猝發脈衝雷射再生放大器，包括控制系統、猝發脈衝雷射信號源、信號隔離系統及放大系統。

其中猝發脈衝雷射信號源提供再生放大器所需的猝發脈衝信號，放大系統提供猝發脈衝信號往返振蕩，獲得高能量輸出，信號隔離系統防止放大系統中的光返回到猝發脈衝雷射信號源中，造成猝發脈衝雷射信號源的損壞，控制系統，提供調製時域形貌的調製信號對猝發脈衝雷射信號源進行調製並對放大系統中的泵浦源進行驅動。

具體的，如圖1所示，控制系統包括控制裝置11、放大系統驅動電源111和任意脈衝發生器112，控制裝置11用於控制放大系統驅動電源111和任意脈衝發生器112，優選採用可編程控制電路，任意脈衝發生器112可以產生不同形貌的電調製信號，這種電調製信號可以是高斯形、可以是方波形、還可以是上斜線形和下斜線形。

猝發脈衝雷射信號源114半導體超快雷射器，由任意脈衝發生器112調製驅動，可以產生時域形貌可調的猝發脈衝。其猝發脈衝包絡的寬度為μs～ms量級，包絡的重複頻率為1Hz～100kHz；包絡內脈衝重複頻率可以通過猝發脈衝雷射信號源114自身的電源進行調節，從500MHz～100GHz，包絡內脈衝個數可以調節，調節範圍5～1000個，包絡內脈衝的脈衝寬度可以是皮秒、飛秒和納秒量級。猝發脈衝雷射信號源114根據信號源增益介質的不同，其輸出波長可以是1064nm、1050nm、1550nm還可以是2000nm。

信號隔離系統包括順序排布的平面反射鏡133、第二偏振片172、法拉第旋轉器18、半(λ2)波片162和第一偏振片171，其中：平面反射鏡133鍍有振蕩光的高反膜；第一偏振片171和第二偏振片172為1064nm，1050nm，1550nm或者是2000nm波長偏振片，偏振比大於10000∶1；法拉第旋轉器18為45度法拉第旋轉器；半(λ2)波片162為1064nm，1050nm，1550nm或者是2000nm的半(λ/2)波片。

放大系統包括泵浦源113、整形裝置12、雙色鏡131和平面反射鏡132、增益介質14、四分之一(λ/4)波片161和普克爾盒15，雙色鏡131和平面反射鏡132構成雷射諧振腔，其中：泵浦源113由放大系統驅動電源111驅動，可以產生泵浦光，輸出波長為808nm、880nm、888nm，或者是940nm、980nm波長，還可以是793nm；泵浦源113，採用光纖耦合輸出的半導體雷射光源，耦合輸出光纖參數為100～800μm；整形裝置12為1∶1～8泵浦光整形裝置，泵浦光經整形裝置12到達增益介質14的光斑約為200～1500μm；雙色鏡131鍍有泵浦光808、880nm或者888nm的增透膜和振蕩光1064nm、1030nm或者1050nm高反的雙色膜，平面反射鏡132鍍有1064nm、1030nm或者1050nm高反射膜；增益介質14優選為雷射晶體，可以為摻Nd的Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：YLF雷射晶體、摻Yb的Yb：YAG，Yb：KGW，Yb：KYW雷射晶體或摻Er的Er：YAG雷射晶體，摻Tm的Tm：YAG雷射晶體。四分之一(λ/4)波片161為1064nm，1030nm，1050nm，1550nm或者是2000nm波長的四分之一(λ/4)波片；普克爾盒15為電光普克爾盒，通光孔徑4～10mm，半波(λ/2)電壓為5～10kV，四分之一波(λ/4)電壓為2.5～5kV。

時域包絡形貌可調的猝發脈衝雷射再生放大器工作時，控制裝置11首先驅動放大系統驅動電源111，輸出電流驅動信號驅動放大系統的泵浦源113，泵浦源113作用於增益介質14，增益介質14開始儲能。控制裝置11控制放大系統驅動電源111與驅動任意脈衝發生器112之間的延時，經過200～300μs的時間後，增益介質14儲能最高時，控制裝置11驅動任意脈衝發生器112，在任意脈衝發生器112的控制下，猝發脈衝雷射信號源114可以產生不同時域包絡形貌的猝發脈衝，以高斯形貌的包絡形貌為例，任意脈衝發生器112產生高斯形貌的電信號驅動猝發脈衝雷射信號源114產生具有高斯包絡形貌的猝發脈衝，以下以猝發脈衝為水平偏振為例進行說明，此時下述的偏振片171、172為水平偏振片，它們透射水平偏振光，反射垂直偏振光。猝發脈衝經過平面反射鏡133反射後，順序通過偏振片172、法拉第旋轉器18及半波片162變為垂直偏振，經偏振片171反射引入放大系統，引入放大系統的猝發脈衝經四分之一波片161和電壓為0的普克爾盒15偏振方向旋轉45度到達平面反射鏡132，由平面反射鏡132反射返回後經過電壓為0普克爾盒15和四分之一波片161，變為水平偏振透過偏振片171，在經過偏振片171的瞬間，普克爾盒15加四分之一波電壓，將猝發脈衝鎖定在放大系統的雙色鏡131與平面反射鏡132之間的雷射諧振腔內。猝發脈衝經過增益介質14提取由泵浦光13提供的能量，並經雙色鏡131返回，在雙色鏡131和平面反射鏡132之間多次往返振蕩，猝發脈衝提取更多的能量，當猝發脈衝達到能量飽和後，當其穿過偏振片171射向平面反射鏡132時，普克爾盒15降為0電壓，高能量的猝發脈衝經四分之一波片161和電壓為0的普克爾盒15偏振方向旋轉45度到達平面反射鏡132，由平面反射鏡132反射返回後經過電壓為0普克爾盒15和四分之一波片161，變為垂直偏振，經過偏光片171反射從放大系統中輸出，高能量的猝發脈衝順序通過及半波片162、法拉第旋轉器18後經偏振片172反射輸出。

輸出的高能猝發脈衝，其時域脈衝包絡形貌可以通過調製放大器驅任意脈衝發生器112進行調節，本實施例中輸出的高能猝發脈衝保持了猝發脈衝信號源114產生猝發脈衝的時域形貌，包絡均為高斯形。猝發脈衝信號源114產生時域包絡形貌為高斯形的猝發脈衝，猝發脈衝包絡的寬度為10μs，包絡的重複頻率為1～10kHz；包絡內脈衝重複頻率1～10GHz，包絡內脈衝個數可以由猝發脈衝雷射信號源114自身的驅動電源調節，調節範圍1000～10000個，包絡內脈衝的脈衝寬度為10～100ps。猝發脈衝的能量為整個包絡內超快脈衝能量的疊加。再生放大器的輸出功率為50W，重複頻率為10kHz，高斯形貌的猝發脈衝能量為1mJ，雷射波長為1064nm。本實施例中再生放大器輸出的高能猝發脈衝的時域包絡形貌如圖2所示。

還可以通過控制裝置11調製任意脈衝發生器112進行調節猝發脈衝雷射信號源114實現其他時域脈形貌的脈衝輸出。如圖3所示為方波形時域形貌的高能猝發脈衝；如圖4為上斜線和下斜線形時域形貌的高能猝發脈衝。圖5為下斜線形時域形貌的高能猝發脈衝。

本領域技術人員應當理解，上述實施例中以初始猝發脈衝為水平偏振為例進行說明，本發明的保護範圍不限於此，初始猝發脈衝為線偏振即可，例如可以為垂直偏振，此時偏振片171，172為垂直偏振片。

本領域技術人員應當理解，本發明不僅僅局限於重複頻率為1～10kHz，還可以是其他脈衝重複頻率，同時放大器中的增益介質也可以採用其他雷射晶體，相應的泵浦源也可以是其他波長的泵浦源，輸出的雷射波長也可以是其他波長。

本發明中放大器普克爾盒15電壓的變化與任意脈衝發生器112的之間具有一定延時關係，以確保猝發脈衝獲得最大的提取效率。

本發明中高能猝發脈衝，其猝發脈衝包絡的脈衝寬度μs～ms量級，包絡的重複頻率為1Hz～100kHz；包絡內脈衝重複頻率可以通過114自身所帶電源進行調節，從500MHz～100GHz，相應的，包絡內脈衝個數可以調節，調節範圍5～1000個，包絡內脈衝的脈衝寬度可以是皮秒、飛秒和納秒量級。單脈衝能量為包絡內脈衝個數的總和。

上述方案中高能猝發脈衝，其時域包絡的形貌可以通過調製任意脈衝發生器112實現。這種包絡形貌可以是方波、可以是高斯形、還可以是上斜線形、下斜線形等其他波形。

應注意，附圖中各部件的形狀和尺寸不反映真實大小和比例，而僅示意本發明實施例的內容。

實施例中提供包含特定值的參數的示範，但這些參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應值。

除非特別描述或必須依序發生的步驟，上述步驟的順序並無限制於以上所列，且可根據所需設計而變化或重新安排。

實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向，並非用來限制本發明的保護範圍。並且上述實施例可基於設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特徵可以自由組合形成更多的實施例。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，並未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義並不僅限於實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)本發明中的平面反射鏡可以採用反射稜鏡來代替。

(2)本發明中的普克爾盒可以用其他高速電光器件代替。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。