CN102801099A

CN102801099A - 一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器

Info

Publication number: CN102801099A
Application number: CN2012103248442A
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 李立卫
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明涉及输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，半导体二极管依次衔接第一透镜和第二透镜，第二透镜衔接第一平面镜，第一平面镜衔接激光晶体，激光晶体衔接第二平面镜，所述皮秒光纤种子源衔接第四透镜，第四透镜衔接声光脉冲选单器，声光脉冲选单器衔接第三透镜，第三透镜衔接薄膜偏振片，薄膜偏振片衔接第三平面镜，第三平面镜衔接法拉第旋光器，法拉第旋光器与第一平面镜相衔接；种子光经过薄膜偏振片后，经过法拉第旋光器，偏振态旋转45°，第一次放大后，种子光被反射回激光晶体内部做二次放大，再经过法拉第旋光器时偏振态再旋转45°，相对于放大前激光偏振态旋转90°，经过偏振片透射输出，实现激光双程放大。

Description

一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器

技术领域

本发明涉及一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，属于高峰值功率皮秒激光器技术领域。

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或者声光调制的方法，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。

脉冲选单技术由电光选单技术和声光选单技术两种，电光选单技术响应速度快（小于5ns），可以实现100MHz以上的脉冲选单功能，但是其体积很大，价格贵，同时需要几千伏高压信号，使用非常不便。声光选单技术响应时间较慢（一般大于10ns），通常只能用于50MHz以下的脉冲选单功能，但是其体积小巧，便宜，使用非常方便。声光选单器工作原理如下：高频的种子光信号经过声光选单器后，利用声光调制原理，当有效电平信号加载到选单器上时，需要的信号光将被衍射出来，有效电平的时间长短决定选取脉冲数量的多少。例如对于30MHz的种子激光来说，其周期为33.3ns，所以如果选单器有效电平时间小于33.3ns，可以选出单个脉冲，增加时间可以选取更多脉冲。

激光脉冲放大的方式有两种，即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。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器。可将激光器的峰值功率由几kW放大到MW量级，通过改变声光选单器有效电平时间，实现单个脉冲包络内脉冲数量从1到几百个灵活改变，达到激光峰值功率灵活调整的目的。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，特点是：包括半导体二极管、激光晶体、法拉第旋光器和皮秒光纤种子源，半导体二极管依次衔接第一透镜和第二透镜，第二透镜衔接第一平面镜，第一平面镜衔接激光晶体，激光晶体衔接第二平面镜，所述皮秒光纤种子源衔接第四透镜，第四透镜衔接声光脉冲选单器，声光脉冲选单器衔接第三透镜，第三透镜衔接薄膜偏振片，薄膜偏振片衔接第三平面镜，第三平面镜衔接法拉第旋光器，法拉第旋光器与第一平面镜相衔接；

半导体二极管发出的光经过第一透镜和第二透镜耦合进激光晶体内，皮秒光纤种子源的水平偏振皮秒种子源脉冲，经过第四透镜聚焦到声光脉冲选单器后，选出kHz的皮秒脉冲种子激光，种子激光经过第三透镜后进行准直，准直后的种子激光经过薄膜偏振片及第三平面镜后通过法拉第旋光器偏振态旋转45°，种子光再经过激光晶体实现第一次光放大，放大后的激光经过第一平面镜反射后，重新经过激光晶体做第二次放大，二次放大后的激光经过第二平面镜沿原光路返回，再次经过法拉第旋光器后偏振态再次旋转45°，相对于放大前激光偏振态旋转90°，当激光再次经过薄膜偏振片后透射出去，实现整个光放大过程。

进一步地，上述的一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，半导体二极管是输出功率为150W的888.5nm波段半导体二极管，其尾纤纤芯直径为400微米，数值孔径NA=0.22。

更进一步地，上述的一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，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。

更进一步地，上述的一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于：所述皮秒光纤种子源（13）是种子源频率为10MHz～80MHz光纤激光器。

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：

本发明采用声光选单技术，将高频种子源激光选为低频种子激光，再经过高增益放大器实现高峰值功率皮秒激光器输出，通过改变声光选单器的有效电平时间，灵活控制单个脉冲包络的输出脉冲数量，通过旋光器和薄膜偏振片的组合完成对种子光脉冲进行双程放大。具有峰值功率高、脉冲数量灵活可控、结构简单、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：本发明激光器原理结构示意图。

具体实施方式

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）。本发明采用基于888.5nm二极管端面泵浦Nd:YVO4方式的双程行波放大器，配合声光选单技术，实现放大增益1000倍，峰值功率达到5MW激光脉冲，通过改变声光选单器有效电平时间，可以实现单个脉冲包络内脉冲数量从1到几百个灵活改变，从而实现激光峰值功率的灵活调整，对于激光加工工艺研究有重要意义。

如图1所示，一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，包括半导体二极管1、激光晶体5、法拉第旋光器7和皮秒光纤种子源13，半导体二极管1是输出功率为150W的888.5nm波段半导体二极管，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，晶体具有楔角，晶体掺杂浓度在0.5%～1%，晶体长度位于25～50mm；皮秒光纤种子源13是种子源频率10MHz～80MHz、30MHz皮秒光纤激光器；半导体二极管1依次衔接第一透镜2和第二透镜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衔接第二平面镜6，所述皮秒光纤种子源13衔接第四透镜12，第四透镜12衔接声光脉冲选单器11，声光脉冲选单器11衔接第三透镜10，第三透镜10衔接薄膜偏振片9，薄膜偏振片9衔接第三平面镜8，第三平面镜8衔接法拉第旋光器7，法拉第旋光器7与第一平面镜4相衔接；

半导体二极管1发出的光经过第一透镜2和第二透镜3耦合进激光晶体5内，皮秒光纤种子源13的水平偏振皮秒种子源脉冲，经过第四透镜12聚焦到声光脉冲选单器11后，选出kHz的皮秒脉冲种子激光，种子激光经过第三透镜10后进行准直，准直后的种子激光经过薄膜偏振片9及第三平面镜8后通过法拉第旋光器7偏振态旋转45°，种子光再经过激光晶体5实现第一次光放大，放大后的激光经过第一平面镜4反射后，重新经过激光晶体5做第二次放大，二次放大后的激光经过第二平面镜6沿原光路返回，再次经过法拉第旋光器7后偏振态再次旋转45°，相对于放大前激光偏振态旋转90°，当激光再次经过薄膜偏振片9后透射出去，实现整个光放大过程。

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。采用888.5nm 光泵浦Nd:YVO4晶体，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。

通过采用法拉第旋光器7配合薄膜偏振片9实现激光的双程放大，种子光经过薄膜偏振片9后，经过法拉第旋光器7，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内部做二次放大，再次经过法拉第旋光器7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透射输出，从而实现激光双程放大。

皮秒种子光脉冲经过透镜聚焦到声光选单器内部，将MHz的种子光选为kHz的种子光，种子光再经过透镜准直后经过薄膜偏振片9及法拉第旋光器7后，偏振态旋转45°，经过反射镜入射到激光晶体5后完成第一次放大，放大后的激光脉冲经过平面镜反射返回到激光晶体5中，完成种子光的第二次放大。第二次放大后的激光脉冲沿着原入射光路透过法拉第旋光器7，经过法拉第旋光器7后放大激光的偏振态再次旋转45°，此时的偏振态与第一次入射到薄膜偏振片的偏振态垂直，完成双程放大的激光会从薄膜偏振片透射出来。

采用通过控制声光选单器有效电平时间，灵活控制单个脉冲包络的输出脉冲数量，脉冲包络数量可以从1到几百个脉冲灵活改变。

激光晶体为Nd:YVO4，晶体尺寸为3×3×30mm³，晶体有1.5°楔角，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，激光晶体的放置必须满足其偏振在45°方向。

脉冲选单技术为声光脉冲选单技术，通过控制声光选单器有效电平时间，灵活控制单个脉冲包络的输出脉冲数量，脉冲包络数量从1到几百个脉冲灵活改变。

实施例

根据上述技术方案，构建输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器实验装置。在抽运光功率150w时，脉冲重复率为100kHz时，放大器输出功率为4W，用光束质量分析仪测得光束质量因子M² X和Y方向值分别为1.28及1.30。通过改变声光选单器有效电平时间，实现单个脉冲包络内脉冲数量从1到几百个灵活改变，从而实现激光峰值功率的灵活调整。观察单个脉冲输出波形图和多个脉冲输出波形图。从结果可以看出，本发明输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器具有放大增益高、峰值功率灵活调整、光束质量好、运行稳定等优点，可以商品化用于皮秒激光应用领域。

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. 一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于：包括半导体二极管（1）、激光晶体（5）、法拉第旋光器（7）和皮秒光纤种子源（13），半导体二极管（1）依次衔接第一透镜（2）和第二透镜（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）衔接第二平面镜（6），所述皮秒光纤种子源（13）衔接第四透镜（12），第四透镜（12）衔接声光脉冲选单器（11），声光脉冲选单器（11）衔接第三透镜（10），第三透镜（10）衔接薄膜偏振片（9），薄膜偏振片（9）衔接第三平面镜（8），第三平面镜（8）衔接法拉第旋光器（7），法拉第旋光器（7）与第一平面镜（4）相衔接；

半导体二极管（1）发出的光经过第一透镜（2）和第二透镜（3）耦合进激光晶体（5）内，皮秒光纤种子源（13）的水平偏振皮秒种子源脉冲，经过第四透镜（12）聚焦到声光脉冲选单器（11）后，选出kHz的皮秒脉冲种子激光，种子激光经过第三透镜（10）后进行准直，准直后的种子激光经过薄膜偏振片（9）及第三平面镜（8）后通过法拉第旋光器（7）偏振态旋转45°，种子光再经过激光晶体（5）实现第一次光放大，放大后的激光经过第一平面镜（4）反射后，重新经过激光晶体（5）做第二次放大，二次放大后的激光经过第二平面镜（6）沿原光路返回，再次经过法拉第旋光器（7）后偏振态再次旋转45°，相对于放大前激光偏振态旋转90°，当激光再次经过薄膜偏振片（9）后透射出去，实现整个光放大过程。

2.根据权利要求1所述的一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于：所述半导体二极管（1）是输出功率为150W的888.5nm波段半导体二极管，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所述的一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于：所述激光晶体（5）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。

4.根据权利要求1所述的一种输出脉冲数可灵活调节的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于：所述皮秒光纤种子源（13）是种子源频率为10MHz～80MHz光纤激光器。