CN102510000B

CN102510000B - 用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器

Info

Publication number: CN102510000B
Application number: CN201110450207.5A
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 李立卫
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Beilin laser Co Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN102510000A

Abstract

本发明涉及用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，半导体二极管泵浦源衔接第一透镜，第一透镜衔接第二透镜，第二透镜衔接第一平面镜，第一平面镜衔接激光晶体，激光晶体衔接第三透镜，第三透镜衔接第二平面镜，所述皮秒种子源衔接薄膜偏振片，薄膜偏振片衔接法拉第旋光器，法拉第旋光器衔接第六透镜，第六透镜衔接第五透镜，第五透镜衔接第四透镜，第四透镜与第一平面镜相衔接。利用透镜组合对种子激光进行扩束聚焦，实现种子光泵浦光在晶体内的重叠，同时利用透镜及反射镜的组合将剩余的泵浦光反射回晶体内部进行再次利用。具有放大增益高、输出光斑质量优异、稳定性好等优点。

Description

用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器

技术领域

本发明涉及一种用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，属于固体激光放大技术领域。

背景技术

高能量皮秒激光器以其高的峰值功率、窄的脉冲宽度,在材料精细微加工，LED划片，太阳能光伏，科学研究等领域得到了广泛的应用。相对于纳秒激光，采用皮秒激光加工材料，具有精度高、热影响区域极小、加工边缘无毛刺等优点。

为了满足上述应用，一般要求皮秒激光峰值功率达到MW量级，目前产生MW量级峰值功率皮秒激光的原理是从几十MHz锁模种子源激光器通，过电光调制的方法，选出kHz到百kHz种子光脉冲，然后经过放大实现瓦级功率输出。种子光脉冲放大的方式有两种，再生放大及行波放大。再生放大技术优点是，放大器增益高，可以达到10⁶-10⁹，但是再生放大腔结构复杂，对脉冲时序要求非常严格，同时需要加入电光腔倒空功能，制作难度非常大。行波放大技术的优点是，不需要再生放大腔，结构简单，稳定可靠，且容易获得较高功率输出，缺点是单级放大增益小，一般可以达到10³-10⁴。

目前，国际上大多数公司都采用再生放大器放大皮秒脉冲，例如High Q laser，Ekspla，Trumpf，Coherent等公司，最高输出功率可以达到百kHz频率下50W以上。国外也有研究用于皮秒脉冲放大的行波放大器。例如，2006年意大利Antonio Agnesi等人，采用两级板条激光器实现将0.1nJ单脉冲能量放大到10uJ，放大增益为10⁵；2009日本K. Nawata等人采用2mW皮秒种子源激光两次通过楔形板条Nd:YVO4构成的行波放大器，实现输出功率25W，放大增益为12500。为了获得高的增益和高的峰值功率，行波放大器的增益介质一般为板条结构，但是板条结构需要对放大激光进行多次整形会造成激光光斑质量变差。采用端面泵浦Nd:YVO4方式可以解决此问题，但是由于Nd:YVO4端面热应力影响，不能承受高的泵浦功率（小于40W），放大增益很小。近年来研究发现，采用888.5nm泵浦光代替808nm泵浦光可以有效的降低晶体热效应40%以上，因此晶体端面可以承受更高的泵浦功率（大于150W）。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，特点是：包括半导体二极管泵浦源、激光晶体和皮秒种子源，半导体二极管泵浦源衔接第一透镜，第一透镜衔接第二透镜，第二透镜衔接第一平面镜，第一平面镜衔接激光晶体，激光晶体衔接第三透镜，第三透镜衔接第二平面镜，所述皮秒种子源衔接薄膜偏振片，薄膜偏振片衔接法拉第旋光器，法拉第旋光器衔接第六透镜，第六透镜衔接第五透镜，第五透镜衔接第四透镜，第四透镜与第一平面镜相衔接；皮秒种子源的脉冲薄膜偏振片后保持偏振态不变，通过法拉第旋光器后偏振态旋转45°，再经过第六透镜和第五透镜进行扩束，扩束后的脉冲激光器经过第四透镜和第一平面镜聚焦到激光晶体内部；半导体二极管泵浦源发出的泵浦光经过第一透镜和第二透镜聚焦到激光晶体内部，种子光在激光晶体内部第一次放大后，种子光以及未被晶体吸收的泵浦光经过第三透镜准直，再经过第二平面镜反射回到激光晶体中，对种子光二次放大及剩余泵浦光再次利用；二次放大后的激光脉冲经过第一平面镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜到达法拉第旋光器，经过法拉第旋光器后的放大激光偏振态再次旋转45°，偏振态与第一次入射到薄膜偏振片的偏振态垂直，双程放大的激光从薄膜偏振片反射出。

进一步地，上述的用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，其中，所述半导体二极管泵浦源为150W功率、888.5nm波段二极管端面泵浦，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA=0.22。

更进一步地，上述的用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，其中，所述激光晶体为Nd:YVO4，晶体具有楔角，晶体掺杂浓度在0.5%～1%，晶体长度位于25～50mm。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明采用两个透镜对种子源激光先扩束，然后用单个透镜再聚焦的方式，实现种子激光与泵浦光的最大限度重叠，提高放大器的提取效率；采用单个透镜及单个平面反射镜组合方式实现对剩余泵浦光的再次利用，同时将第一次放大后的种子激光反射回激光晶体内部，完成激光的二次放大；本发明放大器具有放大增益高，输出光斑质量优异，稳定性好等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的原理示意图。

具体实施方式

本发明设计适用于皮秒激光脉冲的高增益双程行波放大器，其放大增益可以达到1000倍，可将激光器的峰值功率由kW放大到MW量级，输出放大激光稳定，光束质量优异，结构简单。

如图1所示，用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，包括半导体二极管泵浦源1、激光晶体5和皮秒种子源13，半导体二极管泵浦源1衔接第一透镜2，第一透镜2衔接第二透镜3，第二透镜3衔接第一平面镜4，第一平面镜4衔接激光晶体5，激光晶体5衔接第三透镜6，第三透镜6衔接第二平面镜7，皮秒种子源13衔接薄膜偏振片12，薄膜偏振片12衔接法拉第旋光器11，法拉第旋光器11衔接第六透镜10，第六透镜10衔接第五透镜9，第五透镜9衔接第四透镜8，第四透镜8与第一平面镜4相衔接；皮秒种子源13的脉冲经过薄膜偏振片12后保持偏振态不变，通过法拉第旋光器11后偏振态旋转45°，再经过第六透镜10和第五透镜9进行扩束，扩束后的脉冲经过第四透镜8和第一平面镜4聚焦到激光晶体5内部，调整第六透镜10和第五透镜9之间的距离使得聚焦光斑大概为800um；半导体二极管泵浦源1发出的泵浦光经过第一透镜2和第二透镜3聚焦到激光晶体内部5，聚焦光斑也保持在800um，种子光在激光晶体5内部第一次放大后，种子光以及未被晶体吸收的泵浦光经过第三透镜6准直，再经过第二平面镜7反射回到激光晶体5中，对种子光二次放大及剩余泵浦光再次利用；二次放大后的激光脉冲经过第一平面镜4、第四透镜8、第五透镜9和第六透镜10到达法拉第旋光器11，经过法拉第旋光器11后的放大激光偏振态再次旋转45°，偏振态与第一次入射到薄膜偏振片12的偏振态垂直，双程放大的激光从薄膜偏振片12反射出。

行波放大器采用888.5nm二极管端面泵浦Nd:YVO4方式实现种子光脉冲的放大。用于皮秒激光的放大器有板条放大、光纤放大、侧面泵浦晶体放大等形式。光纤放大器的优点是放大增益高，但是不能承受很高的峰值功率；板条放大的方式可以获得比较高的增益，同时可以承受很高的峰值功率，但是需要对激光脉冲做多次整形，且种子光和泵浦光重叠不够好；侧面泵浦方式放大增益不够大，同时由于种子光和泵浦光重合不好，输出光束质量差。本发明放大器采用端面泵浦方式泵浦激光晶体，从而增加泵浦光和种子激光的重叠率以提高光束质量，同时可以承受很高的峰值功率。采用888.5nm 光泵浦Nd:YVO4晶体的优势是，将粒子直接从基态激发到激光上能级，有效的减小了量子亏损，使得激光晶体可以承受大于150W泵浦功率，在高功率泵浦下，放大器具有非常高的增益。

采用行波放大方式实现种子光脉冲的放大。皮秒脉冲放大的方式有两种，再生放大及行波放大。再生放大技术优点是，放大器增益高，可以达到10⁶-10⁹，但是再生放大腔结构复杂，对脉冲时序要求非常严格，同时需要加入电光腔倒空功能，制作难度非常大。行波放大技术的优点是不需要再生放大腔，结构简单，稳定可靠，且容易获得较高功率输出，缺点是单级放大增益小，一般可以达到10³-10⁴。

采用法拉第旋光器11配合薄膜偏振片12实现激光的双程放大。采用双程放大方式，可以有效的提升放大器的放大增益。实现双程放大的方式为：种子光经过薄膜偏振片12后，经过法拉第旋光器11，偏振态旋转45°，经过第一次放大后，种子光被反射回激光晶体5内部做二次放大，再次经过法拉第旋光器11时偏振态再次旋转45°，相对于放大前激光偏振态旋转90°，所以经过偏振片可以反射输出，从而实现激光双程放大。

采用对皮秒种子源13激光先扩束再聚焦的方式，实现种子激光与泵浦光的最大限度重叠，提高放大器的提取效率。泵浦光经过聚焦后进入激光晶体5然后发散，而种子源输出激光发散角很小，近乎于平行光，如果种子光直接通过晶体，由于重叠率低，无法获得高的提取效率。将种子源扩束再聚焦，可以有效提升提取效率。

采用凸透镜加上反射镜的方式实现对于剩余泵浦光的再次利用，提高放大器增益，同时可以完成种子光第一次放大后被反射回激光晶体内部做第二次放大的作用。由于Nd:YVO4晶体对888.5nm处的光吸收率低，采用30mm长，掺杂0.6%的晶体，仍然有近20%的泵浦光未被晶体吸收，采用这一措施可以实现95%以上的泵浦光被晶体吸收。

半导体二极管泵浦源1为150W功率、888.5nm波段二极管端面泵浦，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA=0.22。

激光晶体5为Nd:YVO4，晶体尺寸为3×3×30mm³，晶体具有1.5°楔角，晶体掺杂浓度在0.5%～1%，晶体长度位于25～50mm。防止高功率泵浦下晶体自激振荡，通循环水对晶体进行精确冷却控温。

为了提高放大器的提取效率，种子源激光经过激光晶体时的偏振态为45°偏振，所以激光晶体的放置满足其偏振在45°方向。为了增加种子光和泵浦光在晶体内的重叠率，必须设计调整好第一透镜2、第二透镜3、第四透镜8、第五透镜9、第六透镜10的焦距。

根据上述技术方案，构建皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器装置。在抽运光功率150w时，获得不同种子光频率下激光器的输出功率，脉冲重复率为100kHz时，放大器输出功率为5.14W，此时对应的种子源激光功率5mW，得到放大器增益大于1000。在激光功率5.14W时，用光束质量分析仪测得光束质量因子M²<1.5，放大器运行8小时的稳定度小于3%。从结果可以看出，本发明行波放大器具有放大增益高，光束质量好，运行稳定等优点，可以广泛用于皮秒激光应用领域。

综上所述，本发明采用两个透镜对种子源激光先扩束，然后用单个透镜再聚焦的方式，实现种子激光与泵浦光的最大限度重叠，提高放大器的提取效率；采用单个透镜及单个平面反射镜组合方式实现对剩余泵浦光的再次利用，同时将第一次放大后的种子激光反射回激光晶体内部，完成激光的二次放大；本发明放大器具有放大增益高，输出光斑质量优异，稳定性好等优点。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，其特征在于：包括半导体二极管泵浦源、激光晶体和皮秒种子源，半导体二极管泵浦源衔接第一透镜，第一透镜衔接第二透镜，第二透镜衔接第一平面镜，第一平面镜衔接激光晶体，激光晶体衔接第三透镜，第三透镜衔接第二平面镜，所述皮秒种子源衔接薄膜偏振片，薄膜偏振片衔接法拉第旋光器，法拉第旋光器衔接第六透镜，第六透镜衔接第五透镜，第五透镜衔接第四透镜，第四透镜与第一平面镜相衔接；皮秒种子源的脉冲经过薄膜偏振片后保持偏振态不变，通过法拉第旋光器后偏振态旋转45°，再经过第六透镜和第五透镜进行扩束，扩束后的脉冲经过第四透镜和第一平面镜聚焦到激光晶体内部；半导体二极管泵浦源发出的泵浦光经过第一透镜和第二透镜聚焦到激光晶体内部，种子光在激光晶体内部第一次放大后，种子光以及未被晶体吸收的泵浦光经过第三透镜准直，再经过第二平面镜反射回到激光晶体中，对种子光二次放大及剩余泵浦光再次利用；二次放大后的激光脉冲经过第一平面镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜到达法拉第旋光器，经过法拉第旋光器后的放大激光偏振态再次旋转45°，偏振态与第一次入射到薄膜偏振片的偏振态垂直，双程放大的激光从薄膜偏振片反射出。

2.根据权利要求1所述的用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，其特征在于：所述半导体二极管泵浦源为150W功率、888.5nm波段二极管端面泵浦，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA=0.22。

3.根据权利要求1所述的用于皮秒激光脉冲放大的高增益双程行波放大器，其特征在于：所述激光晶体为Nd:YVO4，晶体具有楔角，晶体掺杂浓度在0.5%～1%，晶体长度位于25～50mm。