CN106921108A - 一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器 - Google Patents

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张耘钒
李力
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Abstract

本发明公开了一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，利用调Q准连续激光束对激光工作物质特有的增益开光特性进行泵浦，利用克尔介质工作物质的自聚焦非线性特性，实现自锁模振荡，利用第一棱镜、双折射干涉滤波器实现光波长的可调谐和色散补偿，利用脉宽扩展器对调谐激光器的特定波长光束的脉宽进行扩展，利用相位调制器对经过脉宽扩展器扩展的光束进行线宽的适当扩展，利用外部再生放大器，对经过相位调制器扩展的激光束进行功率放大，利用脉冲压缩器，把功率放大的激光束进行脉宽的压缩，光束在空腔自锁模系统中震荡后，从第六凹球面镜射出。本发明解决了单级功率放大倍数不高及激光的波长不可谐调。

Description

一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器。
背景技术
可调谐激光器可作为光通信系统中的关键器件。可调谐激光器的输出波长可调，通用性强，可代替固定波长的分布反馈式激光器，使用时调节至工作波长即可。因此仅需配备少量数目的可调谐激光器，即可提供不同工作环境中的激光光源，设备管理得以简化，利用效率得以提高。此外，对实现光脉冲压缩、功率放大等，可调谐激光器所输出的脉冲光。
可调谐激光器其波长调谐的广度和输出功率的高低，在实际应用中至关重要，也是调谐激光器重要的品质衡量标准。调谐激光器波长的调谐广度对于实现特定波长的功率放大有着根本性约束作用。实现单个激光器的大功率输出，是目前激光器技术的瓶颈，而利用光放大系统对激光进行功率放大的技术，在光纤激光器和光纤通讯中早已经成熟。可见，对调谐激光中特定波长进行光放大具有可行性。在此过程中，需要考虑调谐激光器输出光束的能量密度、脉宽、线宽等特性。因此，基于激光调谐的成熟技术，可设计后续的光放大系统，脉宽、线宽的扩展、压缩系统，实现通讯波长（1550nm）的大功率、窄脉宽和线宽的激光功率放大。Jeff Squier, Françoise Salin在OPTICS LETTERS提出过一种将锁模激光脉宽展宽后再进行放大的激光放大系统，飞秒锁模激光器作为种子源，脉冲展宽后的激光光束经再生放大器放大，再经过脉冲压缩器后输出，得到能量被放大数千倍的单激光脉冲。但经过再生放大器后的激光光束的功率不高，同时激光的波长不可调谐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，解决了单级功率放大倍数不高及激光的波长不可谐调。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，包括第一调Q准连续Nd:YAG激光器、第二调Q准连续Nd:YAG激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第一分光镜、第二分光镜、第一光隔离器、第四分光镜、第二光隔离器、第三光隔离器、自锁模激光器、脉冲扩展器、相位调制器、再生放大器、脉冲压缩器和空腔自锁模系统；
自锁模激光器采用基本z型谐振腔，包括依次设置的第一全反射镜、双折射干涉滤波器、第二凹球面镜、克尔介质工作物质、第一凹球面镜、第一棱镜对和耦合输出镜；第一凸透镜位于第一调Q准连续Nd:YAG激光器与第一凹球面镜之间，第二凸透镜位于第二调Q准连续Nd:YAG激光器与第二凹球面镜之间；
所述脉宽扩展器包括第一光栅对、第三凸透镜、第四凸透镜、第二全反射镜；所述第一光栅对包括第一光栅和第二光栅，第一光栅倾斜放置，第二光栅水平放置；第三凸透镜、第四凸透镜沿第一光栅的反射光路设置在第一光栅对之间；第二全反射镜设置在第二光栅的反射光路上；
再生放大器包括共光轴依次设置的第三调Q准连续Nd:YAG激光器、第三凹球面镜、第三分光镜、激光增益介质、第四凹球面镜；
空腔自锁模系统包括沿光路依次设置的第五凹球面镜、第六凹球面镜、SESAM、第四全反射镜；
所述第一光隔离器和第一分光镜依次设置在自锁模激光器的耦合输出镜和脉宽扩展器的第一光栅对的第一光栅之间，且第一分光镜与相位调制器共光轴；
所诉第二分光镜设置在相位调制器和再生放大器的第三分光镜之间，且第二分光镜与脉冲压缩器的第五凸透镜共光轴，第二分光镜和第五凸透镜之间依次设有第二光隔离器和第四分光镜；所述第四分光镜与空腔自锁模系统的第五凹球面镜共光轴；第二分光镜和相位调制器之间设有第三光隔离器；
所述脉冲压缩器包括沿光路依次设置的第五凸透镜、光纤、第六凸透镜、第二棱镜对和第三全反射镜，第五凸透镜的焦点处耦合进光纤的一端，第六凸透镜的焦点处耦合进光纤的另一端。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）利用克尔介质工作物质（Cr4+:YAG）的自聚焦的非线性光学特性和其较宽的荧光光谱，通过双折射干涉滤波器和第一棱镜对实现较宽调谐范围的激光的ps级激光输出。
（2）利用第一光栅对、第二凸透镜、第三凸透镜和第二全反射镜组成的望远镜系统，实现光束的脉宽展宽，展宽数千倍。使其峰值功率降低，防止再生放大器损伤放大器。
（3）利用相位调制器，使其频谱的中心频率附近展宽，从而实现相差很小的边频在再生放大器中被放大，同时又不产生较大的模式竞争，经过再生放大器放大，实现其大功率输出。
（4）利用脉冲压缩器和空腔自锁模系统，对放大后的光束的频谱进行锁模压缩，实现其功率放大后的脉宽压缩和线宽压窄，实现短脉冲光束输出。
附图说明
图1是本发明的一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明的一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器的工作原理如下：
第一调Q准连续Nd:YAG激光器1和第二调Q准连续Nd:YAG激光器2泵浦光经过第一凸透镜3和第二凸透镜4聚焦后泵浦克尔晶体（Cr4+:YAG） 7，利用其特有的自聚焦的非线性光学特性产生短脉冲激光，在 z型腔中里实现可调谐较宽范围的激光输出。输出的激光光束，通过第一分光镜12进入由第一光栅对13、第三凸透镜14、第四凸透镜15和第二全反镜 16组成的脉宽扩展器对脉宽进行扩展，降低峰值功率防止在经过再生放大器使其损伤。之后通过相位调制器30，使其在输出激光中心频率两边进行适当的频谱扩展，其实线宽扩展，随后线宽和脉宽被扩展的激光束进去再生放大器中通过第二分光镜17入射到第三分光镜19，在第三调Q准连续Nd:YAG激光器泵浦下由再生放大器放大后，通过第二分光棱镜17和第三分光棱镜19,再通过第二光隔离器35后进入第四分光棱镜24，由第五凸透镜25、第六凸透镜27、光纤26、第二棱镜对28、第二全反镜29组成的脉宽压缩器，同时进入由第五凹球面镜31、第六凹球面镜33、SESAM 32和第四全反镜34组成空腔自锁模系统，最后由第六凹球面镜33耦合输出功率放大的短脉冲激光。
结合图1，一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，包括第一调Q准连续Nd:YAG激光器1、第二调Q准连续Nd:YAG激光器2、第一凸透镜3、第二凸透镜4、第一分光镜12、第二分光镜17、第一光隔离器18、第四分光镜24、第二光隔离器35、第三光隔离器36、自锁模激光器、脉冲扩展器、相位调制器30、再生放大器、脉冲压缩器和空腔自锁模系统。
自锁模激光器采用基本z型谐振腔，包括依次设置的第一全反射镜8、双折射干涉滤波器9、第二凹球面镜6、克尔介质工作物质7、第一凹球面镜5、第一棱镜对10和耦合输出镜11。第一凸透镜3位于第一调Q准连续Nd:YAG激光器1与第一凹球面镜5之间，第二凸透镜4位于第二调Q准连续Nd:YAG激光器2与第二凹球面镜6之间；第一凹球面镜5与经过第一凸透镜3的调Q泵浦准连续激光束成8o角入射；第二凹球面镜6与经过第二凸透镜4的调Q泵浦准连续激光束成-8o角入射。所述克尔介质工作物质7两端切成布儒斯特角，与第一凹球面镜5中心的距离为L2，与第二凹球面镜6中心的距离为L1。第一棱镜对10的入射略入角为40o，第一棱镜对10选用SF14，其中两个棱镜的顶点相距57cm，平行放置，略角为8o。
所述脉宽扩展器包括第一光栅对13、第三凸透镜14、第四凸透镜15、第二全反射镜16；所述第一光栅对13中的第一光栅13-1倾斜放置，入射角度为25o，第二光栅13-2水平放置，入射角为20o-30o。第三凸透镜14、第四凸透镜15沿第一光栅13-1的反射光路设置在第一光栅对13之间。第二全反射镜16设置在第二光栅13-2的反射光路上。
所述相位调制器30用于实现激光光束的线宽展宽。
所述脉冲压缩器包括沿光路依次设置的第五凸透镜25、光纤26、第六凸透镜27、第二棱镜对28和第三全反射镜29，第五凸透镜25的焦点处耦合进光纤26的一端，第六凸透镜27的焦点处耦合进光纤26的另一端，第二棱镜对28采用SF59，其中两个棱镜顶点距离为53cm，平行放置，略角为5o。
再生放大器包括共光轴依次设置的第三调Q准连续Nd:YAG激光器23、第三凹球面镜20、第三分光镜19、激光增益介质21、第四凹球面镜22；所述第三凹球面镜20和第四凹球面镜22间距80cm，第三分光镜19倾角为45o。激光增益介质21两端切成布儒斯特角。
空腔自锁模系统包括沿光路依次设置的第五凹球面镜31、第六凹球面镜33、半导体可饱和吸收镜SESAM32、第四全反射镜34。
所述第一光隔离器18和第一分光镜12依次设置在自锁模激光器的耦合输出镜11和脉宽扩展器的第一光栅对13的第一光栅13-1之间，且第一分光镜12与相位调制器30共光轴。
所诉第二分光镜17设置在相位调制器30和再生放大器的第三分光镜19之间，且第二分光镜17与脉冲压缩器的第五凸透镜25共光轴，第二分光镜17和第五凸透镜25之间依次设有第二光隔离器35和第四分光镜24。所述第四分光镜24与空腔自锁模系统的第五凹球面镜31共光轴。第二分光镜17和相位调制器30之间设有第三光隔离器36。
光路走向如下：第一调Q准连续Nd:YAG激光器1发出的光束经第一凸透镜3、第一凹球面镜5汇聚后，射入克尔介质工作物质7，同时第二调Q准连续Nd:YAG激光器2发出的光束经第二凸透镜4、第二凹球面镜6汇聚后，射入克尔介质工作物质7，克尔介质工作物质7发出信号光束，信号光束在自锁模激光器的z型谐振腔内进行自相关锁模震荡，调节双折射干涉滤波器9，并调整第一棱镜对10位置距离实现激光波长的调谐，由耦合输出镜11输出，进入第一光隔离器18后，入射至第一分光镜12，经第一分光镜12分光，分为第一透射光和第一反射光，第一反射光进入相位调制器30，第一透射光进入脉冲扩展器中的第一光栅对13的第一光栅13-1，经第一光栅13-1反射后依次经过第三凸透镜14、第四凸透镜15、第二光栅13-2和第二全反射镜16，再经第二全反射镜16原路返回至第一分光镜12，经第一分光镜12入射至相位调制器30；经相位调制器30扩展的激光束通过第三光隔离器36，入射至第二分光棱镜17，经第二分光棱镜17分光，分为第二透射光和第二反射光，第二透射光入射至再生放大器中的第三分光棱镜19，第二反射光射入第二光隔离器35；第二透射光经第三分光棱镜19反射至激光增益介质21，同时第三调Q准连续Nd:YAG激光器23泵浦，第二透射光经激光增益介质21放大后，射入第四凹球面镜22，经第四凹球面镜22反射，原路返回第三分光棱镜19，经第三分光棱镜19透射至第三凹球面镜20，在第三凹球面镜20和第四凹球面镜22之间震荡后，由第三分光棱镜19反射至第二分光棱镜17，经第二分光棱镜17反射至第二光隔离器35；经第二光隔离器35的信号光束入射至第四分光镜24，分为第四反射光和第四透射光，第四反射光射入空腔自锁模系统的第五凹球面镜31，第四透射光依次经过第五凸透镜25、光纤26、第六凸透镜27、第二棱镜对28和第三全反射镜29，经第三全反射镜29反射，原路返回第四分光镜24，经第四分光镜24反射至空腔自锁模系统的第五凹球面镜31，经第五凹球面镜31的光束入射至第六凹球面镜33，经第六凹球面镜33反射，依次经过SESAM32和第四全反射镜34，光束在空腔自锁模系统中震荡后，从第六凹球面镜33射出。
实施例
本发明的实施例如图1所示，其中泵浦光为第一调Q准连续Nd:YAG激光器1、第二调Q准连续Nd:YAG激光器2、第三调Q准连续Nd:YAG激光器23， 均为脉宽50ns，重复频率为30KHz，波长为1064nm，峰值功率为8.6KW，输出泵浦功率为5.2W的激光器。L1为138mm,L2为165mm。双折射干涉滤波器8的四片晶体的厚度之比为1:2:4:9。对于第一棱镜对10的入射略入角为40o,两个棱镜的顶点相距57cm，平行放置，略角为8o，敲动凹球面镜5，其中自锁模相关，轻微调节双折射干涉滤波器9的放置角度。
进过耦合输出镜输出的激光波长为1510nm，此处的输出功率为440mW,脉宽为12ps，重复频率为 80MHz,线宽为10nm。通过第一分光镜12，分别进入脉宽扩展器第一光栅对13，第二凸透镜14、第三凸透镜15，第二全反射镜16和相位调制器30。其中进入脉冲扩张器，光栅对的闪耀角度89o,在相位调制器30的调制信号为自由二进制噪声信号。经过脉冲展宽器第一光栅对13，第二凸透镜14、第三凸透镜15，第二全反射镜16和相位调制器30后脉宽展宽为5ns,线宽为110nm。
激光光束进入固体激光再生放大器，泵浦光同样为调Q的准连续激光，对脉宽和线宽扩展后的激光器放大，通过第二分光镜17和第三分光镜19；实现其光束的输入和输出。通过第二光隔离器35进过第四分光镜24，分别利用光纤26，群色散棱镜对28组成的脉冲压缩器和空腔锁模系统对光束脉冲压缩和线宽压缩。其中SF59两个棱镜顶点相距53cm, 平行放置，略角为5o,SESEM32反射谱宽为5nm,反射中心波长为1510.1nm；输出光束脉宽20ps，重频30KHZ,线宽9nm,功率2.1W。
此系统中只有一级放大就能实现如此大倍数的放大，由于激光工作物质的放光特性，（Cr4+:YAG）在1.42um-1.53um，放光谱线中都有较好的发光，同时对于空腔锁模系统中SESAM32可根据需要选择具有不同反射谱的SESAM，就可能实现对可调谐激光器大倍数放大的目的。

Claims (8)

1.一种基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于：包括第一调Q准连续Nd:YAG激光器（1）、第二调Q准连续Nd:YAG激光器（2）、第一凸透镜（3）、第二凸透镜（4）、第一分光镜（12）、第二分光镜（17）、第一光隔离器（18）、第四分光镜（24）、第二光隔离器（35）、第三光隔离器（36）、自锁模激光器、脉冲扩展器、相位调制器（30）、再生放大器、脉冲压缩器和空腔自锁模系统；
自锁模激光器采用基本z型谐振腔，包括依次设置的第一全反射镜（8）、双折射干涉滤波器（9）、第二凹球面镜（6）、克尔介质工作物质（7）、第一凹球面镜（5）、第一棱镜对（10）和耦合输出镜（11）；第一凸透镜（3）位于第一调Q准连续Nd:YAG激光器（1）与第一凹球面镜（5）之间，第二凸透镜（4）位于第二调Q准连续Nd:YAG激光器（2）与第二凹球面镜（6）之间；
所述脉宽扩展器包括第一光栅对（13）、第三凸透镜（14）、第四凸透镜（15）、第二全反射镜（16）；所述第一光栅对（13）包括第一光栅（13-1）和第二光栅（13-2），第一光栅（13-1）倾斜放置，第二光栅（13-2）水平放置；第三凸透镜（14）、第四凸透镜（15）沿第一光栅（13-1）的反射光路设置在第一光栅对（13）之间；第二全反射镜（16）设置在第二光栅（13-2）的反射光路上；
再生放大器包括共光轴依次设置的第三调Q准连续Nd:YAG激光器（23）、第三凹球面镜（20）、第三分光镜（19）、激光增益介质（21）、第四凹球面镜（22）；
空腔自锁模系统包括沿光路依次设置的第五凹球面镜（31）、第六凹球面镜（33）、SESAM（32）、第四全反射镜（34）；
所述第一光隔离器（18）和第一分光镜（12）依次设置在自锁模激光器的耦合输出镜（11）和脉宽扩展器的第一光栅对（13）的第一光栅（13-1）之间，且第一分光镜（12）与相位调制器（30）共光轴；
所诉第二分光镜（17）设置在相位调制器（30）和再生放大器的第三分光镜（19）之间，且第二分光镜（17）与脉冲压缩器的第五凸透镜（25）共光轴，第二分光镜（17）和第五凸透镜（25）之间依次设有第二光隔离器（35）和第四分光镜（24）；所述第四分光镜（24）与空腔自锁模系统的第五凹球面镜（31）共光轴；第二分光镜（17）和相位调制器（30）之间设有第三光隔离器（36）；
所述脉冲压缩器包括沿光路依次设置的第五凸透镜（25）、光纤（26）、第六凸透镜（27）、第二棱镜对（28）和第三全反射镜（29），第五凸透镜（25）的焦点处耦合进光纤（26）的一端，第六凸透镜（27）的焦点处耦合进光纤（26）的另一端。
2.根据权利要求1所述的基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于：所述自锁模激光器中的第一凹球面镜（5）与经过第一凸透镜（3）的调Q泵浦准连续激光束成8o角入射；第二凹球面镜（6）与经过第二凸透镜（4）的调Q泵浦准连续激光束成-8o角入射。
3.根据权利要求1所述的基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于：所述自锁模激光器中的克尔介质工作物质（7）两端切成布儒斯特角，第一棱镜对（10）选用SF14，其中两个棱镜的顶点相距57cm，平行放置，略角为8o。
4.根据权利要求1所述的基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于：所述第一光栅对（13）中的第一光栅（13-1）倾斜放置，入射角度为25o，第二光栅（13-2）水平放置，入射角为20o-30o。
5.根据权利要求1所述的基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于：所述再生放大器中的第三分光镜（19）倾角为45o；激光增益介质（21）两端切成布儒斯特角。
6.根据权利要求1所述的基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于：所述脉冲压缩器第二棱镜对（28）采用SF59，其中两个棱镜顶点距离为53cm，平行放置，略角为5o。
7.根据权利要求1所述的基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于：所述相位调制器（30）用于实现激光光束的线宽展宽。
8.根据权利要求1所述的基于锁模自相关的可调谐短脉冲激光放大器，其特征在于，光路走向如下：第一调Q准连续Nd:YAG激光器（1）发出的光束经第一凸透镜（3）、第一凹球面镜（5）汇聚后，射入克尔介质工作物质（7），同时第二调Q准连续Nd:YAG激光器（2）发出的光束经第二凸透镜（4）、第二凹球面镜（6）汇聚后，射入克尔介质工作物质（7），克尔介质工作物质（7）发出信号光束，信号光束在自锁模激光器的z型谐振腔内进行自相关锁模震荡，调节双折射干涉滤波器（9），并调整第一棱镜对（10）位置距离实现激光波长的调谐，由耦合输出镜（11）输出，进入第一光隔离器（18）后，入射至第一分光镜（12），经第一分光镜（12）分光，分为第一透射光和第一反射光，第一反射光进入相位调制器（30），第一透射光进入脉冲扩展器中的第一光栅对（13）的第一光栅（13-1），经第一光栅（13-1）反射后依次经过第三凸透镜（14）、第四凸透镜（15）、第二光栅（13-2）和第二全反射镜（16），再经第二全反射镜（16）原路返回至第一分光镜（12），经第一分光镜（12）入射至相位调制器（30）；经相位调制器（30）扩展的激光束通过第三光隔离器（36），入射至第二分光棱镜（17），经第二分光棱镜（17）分光，分为第二透射光和第二反射光，第二透射光入射至再生放大器中的第三分光棱镜（19），第二反射光射入第二光隔离器（35）；第二透射光经第三分光棱镜（19）反射至激光增益介质（21），同时第三调Q准连续Nd:YAG激光器（23）泵浦，第二透射光经激光增益介质（21）放大后，射入第四凹球面镜（22），经第四凹球面镜（22）反射，原路返回第三分光棱镜（19），经第三分光棱镜（19）透射至第三凹球面镜（20），在第三凹球面镜（20）和第四凹球面镜（22）之间震荡后，由第三分光棱镜（19）反射至第二分光棱镜（17），经第二分光棱镜（17）反射至第二光隔离器（35）；经第二光隔离器（35）的信号光束入射至第四分光镜（24），分为第四反射光和第四透射光，第四反射光射入空腔自锁模系统的第五凹球面镜（31），第四透射光依次经过第五凸透镜（25）、光纤（26）、第六凸透镜（27）、第二棱镜对（28）和第三全反射镜（29），经第三全反射镜（29）反射，原路返回第四分光镜（24），经第四分光镜（24）反射至空腔自锁模系统的第五凹球面镜（31），经第五凹球面镜（31）的光束入射至第六凹球面镜（33），经第六凹球面镜（33）反射，依次经过SESAM（32）和第四全反射镜（34），光束在空腔自锁模系统中震荡后，从第六凹球面镜（33）射出。
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