CN102709801A - 一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器 - Google Patents

一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，包括信号源、信号隔离系统和放大器，通过腔外普克尔盒和腔内普克尔盒联合的电光控制技术，实现有信号光导入情况下的再生放大过程，获得高能皮秒激光输出；和没有信号光导入的情况下的腔倒空过程，获得纳秒脉冲的输出，可以依据实际应用需求，实现两个过程的自由组合，在单一激光光束中实现皮秒和纳秒脉冲个数自由组合、交替输出。这种激光在高精度、高效率精细加工领域，基础研究领域如等离子激发和激发态操纵、控制化学反应、激发特种辐射等均具有重要的应用。

Description

一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器。
背景技术
纳秒和皮秒脉冲构成的激光束在高精度材料加工领域有重要应用，这种激光可以同时结合皮秒和纳秒脉冲的优点完成材料加工的过程。皮秒激光加工热影响区小，脉冲宽度小于10ps，激光直接升华材料的刻蚀烧蚀效应占主导位置，将获得无明显热影响区的“冷加工”效果属于冷加工激光范畴，但是刻蚀效率较低，大大增加了加工时间；纳秒脉冲可以实现高效加工，但是由于脉冲宽度较宽，等离子体屏蔽严重，热影响区大，降低了加工精度。实际操作中两种脉冲结合使用，可以提取不同脉宽的优势，实现高效、高精度的微型加工。获得比单纯皮秒激光加工高数十倍的刻蚀深度和刻蚀率，为高效微加工电介质材料提供了一种可行的手段。实际上，不仅仅在微加工领域可以借助多脉宽结合实现良好的加工效果，在其他的研究领域，如等离子激发和激发态操纵、控制化学反应、激发特种辐射等过程中都可以通过不同脉宽组合来操纵，多脉宽组合的激光束在科学研究和实际应用中有着重要的意义。
目前两种或多种脉宽组合输出主要是通过同步控制技术控制两台或多台激光器实现的，实现脉冲同步控制的方法有两种，一种是通过精确的电路控制技术，这种技术需要复杂的外光路设计，通常存在较大的时间抖动和随机时间延迟；第二种是利用全光控制来实现光束的同步，其主要实现原理是将两束光同时利用介质的交叉相位调制实现两种光束同步调制，这种技术需要两种激光器共用同一激光介质，增益竞争使得同步脉冲的不稳定性增加，而且共用谐振腔设计复杂，失配长度小，外界环境的变化会引起不稳定因素增加。上述两种同步技术均是在两台激光器的基础上完成和实现的，激光器具有完全独立的谐振腔结构、脉冲重复频率和脉冲宽度，需要通过光路设计实现两束激光的空间同束和时域同步，系统增加了不稳定性和复杂性。
专利“双脉宽输出激光器”，专利号，CN201075571，发表日期2008年6月，该专利中提出了双脉宽输出激光器，分别采用长脉冲电路和短脉冲电路驱动普克尔盒获得双脉冲宽度的激光输出。但是，这种激光器属于电光Q技术，获得脉冲宽度分别为纳秒和微秒，不属于超快激光范畴，不适合在高精细加工的场合应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，将再生放大和腔倒空技术集中到一个激光器中实现，在同一激光束中获得皮秒和纳秒脉冲序列。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，该激光器包括：信号源，用于供激光器的种子信号；信号隔离系统，用于隔离返回的放大光，防止再生放大激光返回影响信号源的稳定性；以及放大器，用于完成皮秒信号的往返放大，并实现纳秒脉冲能量的积累。
上述方案中，所述信号源为皮秒脉冲信号源，输出光的偏振方向为水平偏振，输出功率为100mW～500mW，脉冲重复频率为50～100MHz，脉冲宽度为1～20ps。
上述方案中，所述信号隔离系统包括第一普克尔盒151、平面反射镜133、第二偏振片172、法拉第旋转器18、λ/2波片162和第一偏振片171，其中：第一普克尔盒151为电光普克尔盒，通光孔径10mm，半波(λ/2)电压为8kV，四分之一波(λ/4)电压为4kV；平面反射镜133镀有1064nm的高反膜；第一偏振片171和第二偏振片172为1064nm波长偏振片，偏振比大于10000∶1；法拉第旋转器18为45度法拉第旋转器；λ/2波片162为1064nm波长的二分之一(λ/2)波片。
上述方案中，所述放大器包括泵浦源11、整形系统12、双色镜131和平面反射镜132构成激光谐振腔、激光晶体14、λ/4波片161和第二普克尔盒152，其中：泵浦源11为808nm脉冲泵浦源，其泵浦脉冲宽度为250μs，泵浦重复频率为1kHz，泵浦平均功率为8～10W，耦合输出光纤400μm；整形系统12为1∶2泵浦光整形系统，泵浦光经整形系统12到达激光晶体14的光斑约为800μm；双色镜131镀有808nm增透和1064nm高反的双色膜，平面反射镜132镀有1064nm高反射膜；激光晶体14为Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF激光晶体，尺寸为4×4×12mm3；λ/4波片161为1064nm波长的四分之一(λ/4)波片；第二普克尔盒152为电光普克尔盒，通光孔径10mm，半波(λ/2)电压为8kV，四分之一波(λ/4)电压为4kV。
上述方案中，所述信号源19同时触发第一普克尔盒151和第二普克尔盒152，第一普克尔盒151处于两种工作状态：0电压和λ/2电压，在0电压时，对激光没有任何调制作用，激光通过隔离器进入放大腔；在λ/2电压时，经过普克尔盒的水平信号光实现90度偏转，通过后面的偏振片反射，不会进入放大腔进行放大。
上述方案中，所述第一普克尔盒151联合第二普克尔盒152使激光器运转于再生放大运转模式和腔倒空运转模式两种脉冲输出模式。
第一普克尔盒151处于0电压，不对信号光产生任何偏振调制作用，激光器处于再生放大运转模式，第二普克尔盒152处于0电压和λ/4电压两种状态；在Nd:YAG储能最高时，将信号光引入放大腔，信号光经过平面反射镜133反射，通过由第二偏振片172、法拉第旋转器18、λ/2波片162和第一偏振片171变为垂直偏振光，经第一偏振片171反射引入放大器，通过λ/4波片161旋转45度，经过第二普克尔盒152，到达放大器的端镜，即平面反射镜132，经平面反射镜132反射后通过第二普克尔盒152，再次经λ/4波片161旋转45度，此时信号光变为水平偏振，穿过第一偏振片171射向激光晶体14，到达双色镜131，在信号光射向双色镜131的瞬间，在两个脉冲间隙给第二普克尔盒152加λ/4波电压，将单个信号脉冲锁定在谐振腔内，通过多次往返汲取存储于激光晶体14内部的能量，当脉冲达到能量饱和后，在通过第一偏振片171射向平面反射镜132的瞬间，退掉加在第二普克尔盒152上的高压，脉冲两次通过λ/4波片161又变为垂直偏振光，经过第一偏振片171反射出放大腔，通过λ/2波片162和法拉第旋转器18，经过第二偏振片172反射出激光器，最终获得高能皮秒脉冲输出。
在腔倒空运转模式下，第一普克尔盒151处于λ/2电压，信号源19发出的信号光经过第一普克尔盒151变为垂直偏振，到达第二偏振片172后被反射，无法引入放大器，此时激光器工作于腔倒空运转模式：当第二普克尔盒152处于0电压时，晶体荧光往返两次通过λ/4波片161变为垂直偏振，反射出腔外，防止激光振荡，激光器处于高Q值；在增益介质Nd:YAG储能最高时，第二普克尔盒152加λ/4电压，λ/4波片161和第一普克尔盒151联合保证水平偏振光在腔内形成振荡，经过多次往返振荡，瞬间快速给第一普克尔盒151退压，辐射在在光学腔中经历一次往返传播所需的时间内，腔内的能量完全倒出腔外，经第一偏振片171反射，通过λ/2波片162和法拉第旋转器18，经过第二偏振片172反射出激光器，形成一个高能量的纳秒脉冲倒出。
上述方案中，所述腔倒空运转模式和再生放大运转模式交替进行的时间间隔和完成次数，通过控制第一普克尔盒151和第二普克尔盒152之间的延时和脉宽进行控制，实现两个过程的运转次数的自由组合：在同一激光光束中实现单个皮秒和单个纳秒脉冲交替输出，或者在同一激光光束中实现多个皮秒脉冲和多个纳秒脉冲交替输出。
上述方案中，脉冲重复频率取决于第一普克尔盒151和第二普克尔盒152的调制频率，频率范围覆盖～Hz-～MHz。
(三)有益效果
本发明提供的这种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，巧妙的利用双普克尔盒的延时和同步控制技术，结合激光光路设计，在同一激光器中分别完成再生放大和腔倒空两个过程，获得任意脉冲个数组合输出的皮秒-纳秒脉冲序列，这种技术有效避免了两台或多台激光器同步带来的光路复杂、稳定性差、同步精度低等一系列问题，大大提高了激光器利用效率。在激光微细加工和基础研究领域具有非常重要的应用。
附图说明
图1是依照本发明实施例的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器的示意图；
图2是依照本发明实施例的再生放大和腔倒空单次交替运转输出的脉冲序列；
图3是依照本发明实施例的3次再生放大和2次腔倒空运转交替出现的激光脉冲序列。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其技术思路是：在皮秒再生放大激光器中，采用腔外普克尔盒和腔内普克尔盒联合的电光控制技术，实现有信号光导入情况下的再生放大过程，获得高能皮秒激光输出；和没有信号光导入的情况下的腔倒空过程，获得纳秒脉冲的输出，最终通过两个普克尔盒的脉冲和延时调节控制，可以依据实际应用需求，实现两个过程的自由组合，在单一激光光束中实现皮秒和纳秒脉冲个数自由组合、交替输出。
本发明提供的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，具有两个普克尔盒，一个放置于皮秒信号源和放大腔之间，称为第一普克尔盒，用于控制信号光的关断和引入；另外一台在放大腔内部，第二普克尔盒，用于控制再生放大和腔倒空的完成时间。两台普克尔盒并非独立工作，而是，采用同一信号源做触发，两者之间具有一定的延时控制。当第一普克尔盒加λ/2时，没有信号光引入，激光器完成腔倒空的过程，获得纳秒脉冲输出；第一普克尔盒加0电压时，信号光进入放大器，激光器完成再生放大的过程，获得高能皮秒激光输出。通过两个普克尔盒工作延时和工作时间调节，实现对再生放大和腔倒空次数的调节控制，获得不同脉冲个数自由组合的皮秒-纳秒脉冲串。
如图1所示，本发明实施例提供的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器包括信号源、信号隔离系统和放大器三个部分，其中：信号源，用于放大器所需种子信号；信号隔离系统，用于防止放大光返回信号源影响其稳定性；以及放大器，用于实现高能量的皮秒脉冲放大和实现高能量纳秒脉冲。
信号源19为皮秒脉冲信号源，输出光的偏振方向为水平偏振，输出功率为100mW～500mW，优选300mW。脉冲重复频率为80MHz，脉冲宽度为15ps。
信号隔离系统包括第一偏振片171、第二偏振片172、法拉第旋转器18、λ/2波片162、平面反射镜133和第一普克尔盒151。第一普克尔盒151为电光普克尔盒，通光孔径10mm，半波(λ/2)电压为8kV，四分之一波(λ/4)电压为4kV；平面反射镜133镀有1064nm的高反膜；λ/2波片162为二分之一(λ/2)波片；法拉第旋转器18为45度法拉第旋转器；第一偏振片171和第二偏振片172为1064nm波长偏振片，偏振消光比大于10000∶1。
放大器包括泵浦源11、整形系统12、双色镜131和平面反射镜132构成激光谐振腔、激光晶体14、λ/4波片161和第二普克尔盒152。泵浦源11为808nm脉冲泵浦源，其泵浦脉冲宽度为250μs，泵浦重复频率为1kHz，泵浦平均功率为8～10W，耦合输出光纤400μm；整形系统12为1∶2泵浦光整形系统，泵浦光经整形系统12到达激光晶体14的光斑约为800μm；双色镜131镀有808nm增透和1064nm高反的双色膜，平面反射镜132镀有1064nm高反射膜；激光晶体14为Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF激光晶体，尺寸为4×4×12mm3；λ/4波片161为1064nm的四分之一(λ/4)波片，第二普克尔盒152为电光普克尔盒，通光孔径10mm，半波(λ/2)电压为8kV，四分之一波(λ/4)电压为4kV。
信号源19同时触发第一普克尔盒151和第二普克尔盒152，第一普克尔盒151处于两种工作状态：0电压和λ/2电压，在0电压时，对激光没有任何调制作用，激光通过隔离器进入放大腔。在λ/2电压时，经过普克尔盒的水平信号光实现90度偏转，通过后面的偏振片反射，不会进入放大腔放大。第二普克尔盒152处于0电压和λ/4电压两种状态。结合第一普克尔盒151使激光器运转于两种脉冲输出模式下：
再生放大运转模式：第一普克尔盒151处于0电压，不对信号光产生任何偏振调制作用，激光器处于再生放大运转模式：在Nd:YAG储能最高时，将信号光引入放大腔，信号光经过平面反射镜133反射，通过由第二偏振片172、法拉第旋转器18、λ/2波片162和第一偏振片171变为垂直偏振光，经第一偏振片171反射引入放大器，通过λ/4波片161旋转45度，经过第二普克尔盒152，到达放大器的端镜，即平面反射镜132，经平面反射镜132反射后通过第二普克尔盒152，再次经λ/4波片161旋转45度，此时信号光变为水平偏振，穿过第一偏振片171射向激光晶体14，到达双色镜131，在信号光射向双色镜131的瞬间，在两个脉冲时间间隙给第二普克尔盒152加λ/4波电压，将单个信号脉冲锁定在谐振腔内，通过往返振荡汲取存储于激光晶体14内部的能量，当脉冲达到能量饱和后，在通过第一偏振片171射向平面反射镜132的瞬间，退掉加在第二普克尔盒152上的高压，脉冲两次通过λ/4波片161又变为垂直偏振光，经过第一偏振片171反射出放大腔，通过λ/2波片162和法拉第旋转器18，经过第二偏振片172反射出激光器，最终获得高能皮秒脉冲输出。
腔倒空运转模式：第一普克尔盒151处于λ/2电压，信号源19发出的信号光经过第一普克尔盒151变为垂直偏振，到达第二偏振片172后被反射，无法引入放大器，此时激光器工作于腔倒空运转模式：当第二普克尔盒152处于0电压时，晶体发射荧光往返两次通过λ/4波片161，变为垂直偏振，反射出腔外，放大腔内没有激光振荡，激光器处于高Q值；在增益介质Nd:YAG储能最高时，第二普克尔盒152加λ/4电压，λ/4波片161和第一普克尔盒151联合保证水平偏振光在腔内形成振荡，在循环功率最高时，瞬间快速给第一普克尔盒151退压，辐射在光学腔中经历一次往返传播所需的时间内，腔内的能量完全倒出腔外，经第一偏振片171反射，通过λ/2波片162和法拉第旋转器18，经过第二偏振片172反射出激光器，形成一个高能量的纳秒脉冲倒出。
普克尔151加λ/2波电压，信号光被反射不能进入放大器，激光器运转于腔倒空状态，腔倒空运转可以输出纳秒脉冲，再生放大运转可以输出皮秒脉冲。
上述两种运转模式的时间间隔和完成次数可以通过脉冲发生器的延时和脉宽进行控制，从而实现再生放大和腔倒空两种模式的交替运转，并且两个过程的运转次数可以通过自由组合，纳秒和皮秒脉冲的输出个数可以调节，可以是单个皮秒和单个纳秒脉冲交替输出，也可以是多个皮秒脉冲和多个纳秒脉冲交替输出。输出脉冲序列如图2和图3所示。图2为再生放大和腔倒空单次交替运转输出的脉冲序列，脉冲重复频率为1kHz，脉冲间隔为1ms。图3为3次再生放大和2次腔倒空运转交替出现的激光脉冲序列，脉冲重复频率为1kHz，脉冲间隔为1ms。
同时，本发明不仅仅局限于重复频率为1kHz，也可以是其他脉冲重复频率，同时放大器增益介质也可以采用其他激光晶体。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，该激光器包括：
信号源，用于提供激光器的种子信号；
信号隔离系统，用于隔离返回的放大光，防止再生放大激光返回影响信号源的稳定性，以及实现对信号光的关断，实现激光器两种不同运转状态的控制；
放大器，用于完成皮秒信号的往返振荡放大，并实现纳秒脉冲能量的积累。
2.根据权利要求1所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，所述信号源为皮秒脉冲信号源，输出光的偏振方向为水平偏振，输出功率为100mW～500mW，脉冲重复频率为50～100MHz，脉冲宽度为1～20ps。
3.根据权利要求1所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，所述信号隔离系统包括第一普克尔盒(151)、平面反射镜(133)、第二偏振片(172)、法拉第旋转器(18)、λ/2波片(162)和第一偏振片(171)，其中：
第一普克尔盒(151)为电光普克尔盒，通光孔径10mm，半波(λ/2)电压为8kV，四分之一波(λ/4)电压为4kV；
平面反射镜(133)镀有1064nm的高反膜；
第一偏振片(171)和第二偏振片(172)为1064nm波长偏振片，偏振比大于10000∶1；
法拉第旋转器(18)为45度法拉第旋转器；
λ/2波片(162)为1064nm波长的二分之一(λ/2)波片。
4.根据权利要求1所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，所述放大器包括泵浦源(11)、整形系统(12)、双色镜(131)和平面反射镜(132)构成激光谐振腔、激光晶体(14)、λ/4波片(161)和第二普克尔盒(152)，其中：
泵浦源(11)为808nm脉冲泵浦源，其泵浦脉冲宽度为250μs，泵浦重复频率为1kHz，泵浦平均功率为8～10W，耦合输出光纤400μm；
整形系统(12)为1∶2泵浦光整形系统，泵浦光经整形系统(12)到达激光晶体(14)的光斑约为800μm；
双色镜(131)镀有808nm增透和1064nm高反的双色膜，平面反射镜(132)镀有1064nm高反射膜；
激光晶体(14)为Nd:YAG、Nd:YVO4或Nd:YLF激光晶体，尺寸为4×4×(12)mm3；
λ/4波片(161)为1064nm波长的四分之一(λ/4)波片；
第二普克尔盒(152)为电光普克尔盒，通光孔径10mm，半波(λ/2)电压为8kV，四分之一波(λ/4)电压为4kV。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，所述信号源(19)同时触发第一普克尔盒(151)和第二普克尔盒(152)，第一普克尔盒(151)处于两种工作状态：0电压和λ/2电压，在0电压时，对激光没有任何调制作用，激光通过隔离器进入放大腔；在λ/2电压时，经过普克尔盒的水平信号光实现90度偏转，通过后面的偏振片反射，不会进入放大腔进行放大。
6.根据权利要求5所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，所述第一普克尔盒(151)联合第二普克尔盒(152)使激光器运转于再生放大运转模式和腔倒空运转模式两种脉冲输出模式。
7.根据权利要求6所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，第一普克尔盒(151)处于0电压，不对信号光产生任何偏振调制作用，激光器处于再生放大运转模式，第二普克尔盒(152)处于0电压和λ/4电压两种状态；在Nd:YAG储能最高时，将信号光引入放大腔，信号光经过平面反射镜(133)反射，通过由第二偏振片(172)、法拉第旋转器(18)、λ/2波片(162)和第一偏振片(171)变为垂直偏振光，经第一偏振片(171)反射引入放大器，通过λ/4波片(161)旋转45度，经过第二普克尔盒(152)，到达放大器的端镜，即平面反射镜(132)，经平面反射镜(132)反射后通过第二普克尔盒(152)，再次经λ/4波片(161)旋转45度，此时信号光变为水平偏振，穿过第一偏振片(171)射向激光晶体(14)，到达双色镜(131)，在信号光射向双色镜(131)的瞬间，在两个脉冲间隙给第二普克尔盒(152)加λ/4波电压，将单个信号脉冲锁定在谐振腔内，通过多次往返汲取存储于激光晶体(14)内部的能量，当脉冲达到能量饱和后，在通过第一偏振片(171)射向平面反射镜(132)的瞬间，退掉加在第二普克尔盒(152)上的高压，脉冲两次通过λ/4波片(161)又变为垂直偏振光，经过第一偏振片(171)反射出放大腔，通过λ/2波片(162)和法拉第旋转器(18)，经过第二偏振片(172)反射出激光器，最终获得高能皮秒脉冲输出。
8.根据权利要求6所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，在腔倒空运转模式下，第一普克尔盒(151)处于λ/2电压，信号源(19)发出的信号光经过第一普克尔盒(151)变为垂直偏振，到达第二偏振片(172)后被反射，无法引入放大器，此时激光器工作于腔倒空运转模式：当第二普克尔盒(152)处于0电压时，晶体荧光往返两次通过λ/4波片(161)变为垂直偏振，反射出腔外，防止激光振荡，激光器处于高Q值；在增益介质Nd:YAG储能最高时，第二普克尔盒(152)加λ/4电压，λ/4波片(161)和第一普克尔盒(151)联合保证水平偏振光在腔内形成振荡，在循环功率最高时，瞬间快速给第一普克尔盒(151)退压，辐射在光学腔中经历一次往传播所需的时间内，腔内的能量完全倒出腔外，经第一偏振片(171)反射，通过λ/2波片(162)和法拉第旋转器(18)，经过第二偏振片(172)反射出激光器，形成一个高能量的纳秒脉冲倒出。
9.根据权利要求6、7或8所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，所述腔倒空运转模式和再生放大运转模式交替进行的时间间隔和完成次数，是通过控制第一普克尔盒(151)和第二普克尔盒(152)之间的延时和脉宽进行控制，实现两个过程的运转次数的自由组合：在同一激光光束中实现单个皮秒和单个纳秒脉冲交替输出，或者在同一激光光束中实现多个皮秒脉冲和多个纳秒脉冲交替输出。
10.根据权利要求9所述的同时输出纳秒和皮秒脉冲的激光器，其特征在于，脉冲重复频率取决于第一普克尔盒(151)和第二普克尔盒(152)的调制频率，频率范围覆盖～Hz-～MHz。
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