CN101055401A - 全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器 - Google Patents
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Abstract
全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器，属于一种全固态再生放大器。特征是：放大谐振腔的两个腔镜由第一全反腔镜(7)和第二全反腔镜(14)构成的平平腔，谐振腔内设置负透镜(12)和第二λ/4波片(13)，其中，第二λ/4波片设置在激光晶体(9)和第二全反腔镜间，波片的快轴与入射的线偏振光的光矢量平行，负透镜设置在激光晶体和第二λ/4波片之间或第二λ/4波片和第二全反腔镜之间；激光晶体为Nd:YAG棒；泵浦源为准连续工作的半导体激光二极管列阵(10)，泵浦源工作频率为1kHz。或者采用Nd:YLF棒，此时不加入第二λ/4波片。本发明降低了系统的体积和成本，有效解决了Nd:YAD再生放大器热效应问题，放大倍数以及光束质量得到有效保证。
Description
技术领域
本发明是基于半导体激光二极管(LD)做光泵浦源，可有效对皮秒(ps)脉宽的超短激光脉冲实现106倍放大，输出激光脉冲重复频率为千赫兹(kHz)的一种全固态再生放大器。再生放大器是超短激光脉冲应用不可缺少的环节。经再生放大器放大后的超短激光脉冲在材料的微细加工、微电子学、微光子器件、微型机械、精密检测、信息和通讯、医疗和生物工程等领域都可进行广泛的应用。
背景技术
经锁模激光器产生的光脉冲由于其极窄的脉冲宽度(10-10-10-15秒)，受到人们的广泛关注，但其单脉冲能量(纳焦)低，单通或多通能量放大器，不能实现对弱信号的有效放大，需要首先通过再生放大器才能实现对其有效的放大。再生放大器是超短激光脉冲应用不可缺少的部分。
再生放大器包括由法拉第旋转器、λ/2波片、偏振片组成的种子光导入、放大光导出部分和具有增益介质的再生放大器谐振腔两部分。它的基本工作原理是从锁模脉冲波列(种子光)中选出单脉冲，并使其在放大器增益介质中往返多次得到106倍左右放大后输出。
文献一，1993年12月日本Osaka大学的Kenta Naito等人在Appl.Phys.Lett.上发表了第一篇激光二极管泵浦的Nd:YAG再生放大器，题目是“Demonstration of high energy extraction efficiency in a laser-diode pumped highgain Nd:YAG regenerative amplifier”，把910ps的种子光由0.5nJ放大到6mJ，但其工作频率低为50Hz。
文献二，1994年8月加拿大的D.R.Walker等人在Appl.Phys.Lett.上发表文章“High power diode-pumped Nd:YAG regenerative amplifier for picosecondpulses”，该文章报道了5KHz工作频率的LD泵浦的Nd:YAG再生放大器，其中普克尔盒采用LN做电光晶体，获得了脉宽为25ps，脉冲能量2.5mJ的放大输出。
文献三，2001年6月瑞士的Micheal J.P.Dymott和Kurt J.Weingarten在APPLIED OPTICS杂志上发表了“Picosecond diode-pumped laser system with9.3-W average power and 2.3-mJ pulse energy”，文中为了减小Nd:YAG再生放大器的热致双折射效应，先由再生放大器将单脉冲能量只放大到460μJ，再通过增加一级四通放大，获得了2.3mJ，20.5ps，工作频率为4KHz的输出。
目前LD泵浦的全固态kHz Nd:YAG皮秒激光脉冲再生放大器，主要存在的问题有：(1)Nd:YAG棒因热致双折射效应引起的退偏，使放大效率、光束质量降低。文献三通过在再生放大器后增加一级四通放大，一方面降低了再生放大器的放大倍数，另一方面通过四通放大部分光路补偿Nd:YAG棒热致退偏问题，使最终得到所需的放大能量。由于增加了四通放大，使激光器结构复杂、成本增加。(2)KD*P晶体普克尔盒在高平均功率情况下，即高重复频率工作时，会产生严重的热效应，使腔内损耗增加，限制了再生放大器能量的提高。文献二通过选用LN晶体普克尔盒来解决这个问题，但是LN晶体普克尔盒损伤阈值低，在使用中容易打坏，不是理想的选择。
发明内容
提供了一种采用准连续工作的半导体激光二极管列阵做泵浦光源；选用高损伤阈值，在高平均功率条件下插入损耗低的BBO晶体普克尔盒；利用λ/4波片对Nd:YAG棒热致双折射效应给与补偿。本再生放大器完全克服了目前所报道的全固态kHz Nd:YAG皮秒脉冲再生放大器的缺点，实现了对4～30皮秒超短激光脉冲的有效放大，放大倍数为1.5×106，工作频率1kHz。其结构紧凑，稳定性高，光束质量好，使用方便可靠，并且可以满足商业应用的要求。
本发明所采用的技术方案为：包括第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光学旋转器3构成的再生放大器种子光导入和放大光导出装置、具有增益介质的放大谐振腔，增益介质由激光晶体9、泵浦光10、热沉11组成；还包括沿光的传播方向依次设置的第二偏振片4、第一λ/4波片5、普克尔盒6、第三偏振片8，特征是放大谐振腔的两个腔镜由第一全反镜7和第二全反镜14构成，谐振腔内设置第二λ/4波片12和负透镜13，其中，第二λ/4波片12设置在激光晶体9后，第二全反腔镜14前，波片的快轴与入射的线偏振光的光矢量平行，负透镜13设置在激光晶体9和第二λ/4波片12之间或第二λ/4波片12和第二全反腔镜14之间，具体位置根据激光晶体9的热透镜焦距大小以及所选用的负透镜13的焦距大小，最后通过实验确定。再生放大器采用6～12个、峰值功率40W的准连续半导体激光二极管列阵做泵浦光源；选用φ3×65mm或φ4×65mm，掺杂浓度1％及以下Nd:YAG棒做激光增益介质；放大器谐振腔采用平-平腔结构，此时腔内加入负透镜用于补偿激光增益介质产生的热透镜效应，或采用凹-凸腔结构，此时腔内不需加入负透镜，热透镜效应通过凹凸腔直接得到补偿；在激光晶体和第二全反腔镜间加入第二λ/4波片，用于补偿增益介质产生的热致双折射效应。泵浦光驱动源工作在1kHz频率下，驱动源带有同步信号输出功能；普克尔盒采用BBO晶体做电光Q开关晶体，有利于高平均功率的获得；驱动普克尔盒的高压电源，工作频率为1-10kHz，第一延时时间从0-1ms可调，第二延时0-1μs可调，加压上升沿时间为几个ns。通过调节普克尔盒高压电源加压时间，控制BBO电光Q开关，完成对种子光单脉冲的选取，并控制其在谐振腔内往返多次，直到增益达到最大，然后倒空输出，实现大于106倍的放大。
本发明的另一种技术方案同以上方案相同，所不同的是Nd:YAG棒也可换成Nd:YLF棒，此时在激光晶体和第二全反腔镜间不加入第二λ/4波片。具体结构为：包括第一偏振片、λ/2波片和法拉第光学旋转器构成的再生放大器种子光导入和放大光导出装置；还包括增益介质的放大谐振腔，增益介质由激光晶体、泵浦源、热沉组成；还包括沿光的传播方向依次设置的第二偏振片、λ/4波片、普克尔盒、第三偏振片；特征是：放大谐振腔的两个腔镜由第一全反腔镜和第二全反腔镜平面反射镜构成，为平平腔结构，谐振腔内设置负透镜，其中，负透镜设置在激光晶体和第二全反腔镜之间；所述的激光晶体为Nd:YLF棒；所述的泵浦源为准连续工作的半导体激光二极管列阵，泵浦源工作频率为1kHz。
本发明的有益效果是：(1)准连续泵浦降低了激光器冷却系统的制冷量，从而降低了系统的体积和成本，同时延长了泵浦光源的使用寿命；(2)有效解决了Nd:YAD再生放大器热效应问题，放大倍数以及光束质量得到有效保证。
附图说明
图1是本发明的光路原理图。
图2本发明另一方案光路原理图。
图3再生放大器腔倒空输出的单个巨脉冲
图4再生放大器输出的1KHz脉冲序列
图中包括：1、第一偏振片，2、λ/2波片，3、法拉第光学旋转器，4、第二偏振片，5、第一λ/4波片，6、普克尔盒，7、第一全反腔镜，8、第三偏振片，9、激光晶体，10、半导体激光二极管阵列，11、热沉，12、第二λ/4波片，13、负透镜，14、第二全反腔镜。7和14两个全反腔镜间为再生放大谐振腔。第一偏振片1右侧向左箭头表示种子光导入，斜向上箭头表示放大光导出。
具体实施方式
在图1中，第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光学旋转器3构成了再生放大器种子光导入和放大光导出装置；第一全反腔镜7和第二全反腔镜14构成了再生放大器谐振腔的两个腔镜。
水平偏振的锁模种子光经第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光学旋转器3后，仍为水平偏振，经第二偏振片4导入再生放大谐振腔；光经过第一λ/4波片5和普克尔盒6(此时普克尔盒上电压为0)，到达全反腔镜后被全反射，再一次通过第一λ/4波片5和普克尔盒6(此时普克尔盒上电压为0)，其偏振方向变为垂直偏振光，被第二偏振片4和第三偏振片8反射，并通过由激光晶体9、半导体激光二极管阵列10、热沉11组成的增益介质被放大，同时热致双折射效应和热透镜效应分别被第二λ/4波片12和负透镜13补偿，第二λ/4波片放置时要求其快轴与入射线偏振光的光矢量平行。调节普克尔盒驱动高压源加到普克尔盒6上λ/4波长电压的加压第一延时时间，选出单一种子光脉冲，然后调节第二延时时间控制所选出的种子光在谐振腔内往返次数，每次通过由激光晶体9、半导体激光二极管阵列10、热沉11组成的半导体侧泵模块种子光既被放大一次，其往返次数由侧泵模块增益以及谐振腔损耗决定，当达到增益饱和，光从激光晶体9出射后，撤掉普克尔盒电光Q开关上所加λ/4波长电压，经第三偏振片8、第二偏振片4反射，射向第一λ/4波片5、普克尔盒6后，被第一全反腔镜7反射又一次通过第一λ/4波片5，垂直偏振光变为水平偏振经第二偏振片4透射，此时被导入的种子光完成了腔内的放大过程。放大后的水平偏振光经法拉第光学旋转器3、λ/2波片2，其偏振态被旋转，变为垂直偏振光，被第一偏振片1反射，最终完成了放大光的导出。
选择合适焦距的负透镜13，调节负透镜的前后位置以及旋转第二λ/4波片12，实现热效应的补偿。
图2为本发明的另一种方案，包括第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光学旋转器3构成的再生放大器种子光导入和放大光导出装置、具有增益介质的放大谐振腔，增益介质由Nd:YLF棒作为激光晶体9、准连续工作的半导体激光二极管列阵10作为泵浦源、热沉11组成；还包括第二偏振片4、第一λ/4波片5、普克尔盒6、第三偏振片8；放大谐振腔的两个腔镜由第一全反镜7和第二全反镜14平面反射镜构成，谐振腔内设置负透镜13，其中，负透镜13设置在激光晶体9和第二全反腔镜14间；泵浦源工作频率为1kHz。
通过放置在第一偏振片放大光导出方向上的光电管，监测再生放大器腔倒空输出情况，图3和图4为光电管探测到的经示波器显示出的放大输出单脉冲波形及1KHz脉冲序列波形。
Claims (5)
1.全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器，包括第一偏振片(1)、λ/2波片(2)和法拉第光学旋转器(3)构成的再生放大器种子光导入和放大光导出装置；具有增益介质的放大谐振腔，增益介质由激光晶体(9)、泵浦源(10)、热沉(11)组成；沿光的传播方向还依次经过包括第二偏振片(4)、第一λ/4波片(5)、普克尔盒(6)、第三偏振片(8)；其特征是：放大谐振腔的两个腔镜由第一全反腔镜(7)和第二全反腔镜(14)构成，为平平腔结构，谐振腔内设置第二λ/4波片(12)和负透镜(13)，其中，第二λ/4波片(12)设置在激光晶体(9)和第二全反腔镜(14)间，波片的快轴与入射的线偏振光的光矢量平行，负透镜(13)设置在激光晶体(9)和第二λ/4波片(12)之间或第二λ/4波片(12)和第二全反腔镜(14)之间；所述的激光晶体(9)为Nd:YAG棒；所述的泵浦源为准连续工作的半导体激光二极管列阵(10)，泵浦源工作频率为1kHz。
2.全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器，包括第一偏振片(1)、λ/2波片(2)和法拉第光学旋转器(3)构成的再生放大器种子光导入和放大光导出装置、具有增益介质的放大谐振腔，增益介质由激光晶体(9)、泵浦源(10)、热沉(11)组成；沿光的传播方向还依次经过包括第二偏振片(4)、λ/4波片(5)、普克尔盒(6)、第三偏振片(8)；其特征是：放大谐振腔的两个腔镜由第一全反腔镜(7)和第二全反腔镜(14)构成，为平平腔结构，谐振腔内设置负透镜(13)，其中，负透镜(13)设置在激光晶体(9)和第二全反腔镜(14)之间；所述的激光晶体(9)为Nd:YLF棒；所述的泵浦源为准连续工作的半导体激光二极管列阵(10)，泵浦源工作频率为1kHz。
3.根据权利要求1或2所述的全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器，其特征是：所述的普克尔盒(6)采用BBO晶体做电光Q开关晶体。
4.根据权利要求1或2所述的全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器，其特征是：采用6～12个所述的准连续半导体激光二极管列阵(10)做泵浦光源。
5.根据权利要求1所述的全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器，其特征是：所述的Nd:YAG棒为φ3×65mm或φ4×65mm，掺杂浓度为1％及小于1％。
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