CN102904155B - 一种全固态皮秒激光再生放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全固态皮秒激光再生放大器，包括：种子光源，用于提供水平偏振的种子光；光学隔离系统，包括第一偏振选择镜片（7）、法拉第旋转器（8）和半波片（9），被设置为使水平偏振光透过该第一光学隔离系统后变成垂直偏振光；第二偏振选择镜片（10），可透过水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；电光普克尔盒（11），被设置为光每穿过电光普克尔盒（11）一次、偏振方向旋转45°；第一凹面反射镜（13）和第二凹面反射镜（16）；激光晶体（15）；平面镜（14），对种子光反射、对泵浦光透射；泵浦光源，用于发射泵浦光并将泵浦光穿过平面镜（14）并聚焦到激光晶体（15）上。
Description
技术领域
本发明属于激光脉冲放大技术领域，特别涉及一种全固态皮秒激光再生放大器。
背景技术
激光是二十世纪最伟大的发明之一，对人类社会发展具有重要深远的影响。自1960年，第一台激光器出现以后，激光器走过了气体激光器、液体激光器、半导体激光器、全固态激光器（DPL）等历程。随着全固态激光器的发展，激光器的工程化、稳定性、体积、寿命等得到大幅度的优化，随着全固态激光器在不同领域应用的不断扩展，全固态激光技术已成为激光技术研究的重大方向。
皮秒激光器指的是输出脉冲宽度在皮秒至百皮秒量级(10-12～10-10s)的超短脉冲激光器。作为全固态激光技术的一个重要研究方向，高功率、高效率、高光束质量全固态皮秒激光器在国防、微加工、医疗和激光变频等方面都有广泛的应用
但是一般全固态皮秒锁模激光器直接输出的单脉冲能量只有纳焦量级，为了适应各种需要，往往要对脉冲能量进行放大。激光放大与激光振荡都是基于受激辐射的光放大原理基础上的。即是当工作物质在光泵激励下，处于粒子数反转分布状态，当有外来的光信号通过它时，则激发态的粒子在外来光信号的作用下产生强烈的受激辐射，这种辐射叠加到外来光信号上使之得到放大。
常见的激光放大类型有单程放大、多通放大和再生放大。单程放大中种子光只通过增益介质一次，所以提取的能量很有限。多通放大是利用几面反射镜使种子光多次往返经过增益介质，以提取更多的能量。由于多通放大器不存在谐振腔，因此结构较简单，但是多通放大器不能保证每次种子光与泵浦光较好地共线耦合，会影响放大效率和光束质量，同时稳定性也得不到很好的保证。再生放大是利用偏振特性把种子光导入放大谐振腔内，待种子脉冲在腔内多次往复被放大吸收足够能量后，再将脉冲从腔中导出。由于再生放大器由一个稳定的谐振腔构成，因此对种子光的放大效率高、运行稳定，输出光束质量好。
但是在现有的半导体直接泵浦的全固态皮秒千赫兹再生放大器中，由于放大晶体的发热而产生自聚焦，很难高效率的利用泵浦光，并输出高光束质量的大能量脉冲。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种全固态皮秒激光再生放大器，能够补偿晶体的热效应，从而使再生放大器对热效应不灵敏，且能够输出高能量、高质量的光束。
本发明提供一种全固态皮秒激光再生放大器，包括：
种子光源，用于提供水平偏振的种子光；
光学隔离系统，包括第一偏振选择器件（7）、法拉第旋转器（8）和半波片（9），被设置为使水平偏振光透过该第一光学隔离系统后变成垂直偏振光，其中第一偏振选择镜片器件（7），可透过水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；
第二偏振选择器件（10），可透过水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；
电光普克尔盒（11），被设置为未加高电压时光每穿过电光普克尔盒（11）一次、偏振方向旋转45°，加高电压时光每穿过电光普克尔盒（11）一次、偏振方向旋转90°；
第一凹面反射镜（13）和第二凹面反射镜（16）；
激光晶体（15）；
平面镜（14），对种子光反射、对泵浦光透射；
泵浦光源，用于发射泵浦光并将泵浦光穿过平面镜（14）并聚焦到激光晶体（15）上；
其中种子光输出后依次穿过第一隔离系统中的第一偏振选择镜片（7）、法拉第旋转器（8）和半波片（9），入射到第二偏振选择镜片（10），并被反射穿过到电光普克尔盒（11）后入射到平面反射镜（12）并被平面反射镜（12）沿原来的光路反射到第二偏振选择镜片（10），透过第二偏振选择镜片（10）并入射到第一凹面反射镜（13），然后依次被第一凹面反射镜（13）、平面镜（14）反射穿过激光晶体（15），然后依次被第二凹面镜（16）和平面反射镜（17）反射，平面反射镜（17）的角度被设置为使光原路返回，透过第二偏振选择镜片（10）后穿过未加高电压的电光普克尔盒（11）并被平面反射镜（12）反射然后再次穿过电光普克尔盒（11），当电光普克尔盒（11）加上高电压后，种子激光在平面反射镜（12）、第一凹面反射镜（13）、平面镜（14）、激光晶体（15）、第二凹面镜（16）和平面反射镜（17）组成的再生放大腔中多次振荡，直至将电光普克尔盒（11）上的高电压去掉，放大后的激光通过未加高电压的电光普克尔盒（11），并被平面反射镜（12）反射然后再次穿过电光普克尔盒（11），偏振方向由水平变为垂直偏振，然后被第二偏振选择器件（10）反射到隔离系统，依次穿过半波片（9）和法拉第旋转器（8）后被第一偏振选择镜片（7）反射输出。
根据本发明提供的全固态皮秒激光再生放大器，还包括位于种子光源与第一隔离系统之间的第二隔离系统。
根据本发明提供的全固态皮秒激光再生放大器，其中第一偏振选择器件（7）为格兰棱镜。
根据本发明提供的全固态皮秒激光再生放大器，其中第二偏振选择器件（10）为薄膜偏振片。
根据本发明提供的全固态皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射镜（13）和第二凹面反射镜（16）的曲率半径为750mm。
根据本发明提供的全固态皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射镜（13）和第二凹面反射镜（16）共焦放置。
根据本发明提供的全固态皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射镜（13）和第二凹面反射镜（16）共同的焦点位于激光晶体与凹面镜16之间的光路上。
根据本发明提供的全固态皮秒激光再生放大器，其中通过控制电光普克尔盒（11）上的电压，来控制是否输出放大的激光。
本发明提供的再生放大器的结构能够补偿晶体的热效应，输出能量高、光束质量好、结构稳定、腔内激光模式对热效应变化不灵敏。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明的一个实施例的再生放大器的结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的再生放大器输出的放大脉冲能量与泵浦能量之间的关系曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种全固态皮秒激光再生放大器，其结构如图1所示，包括：
全固态皮秒锁模激光振荡器1，为Nd:YVO4锁模振荡器，用于提供水平偏振的皮秒脉冲种子光L1，波长为1064nm，脉冲宽度15ps、重复频率89.3MHz、单脉冲能量3.2nJ；
第一光学隔离系统，适于隔离放大激光与振荡器，避免放大激光返回进入振荡器打坏元件，包括格兰棱镜2、法拉第旋转器3、半波片4，半波片4的方向被设置为使水平偏振光透过该第一光学隔离系统后仍为水平偏振光；
第二光学隔离系统，包括格兰棱镜7、法拉第旋转器8、半波片9，半波片9的方向被设置为使水平偏振光透过该第二光学隔离系统后变成垂直偏振光；
薄膜偏振片10，可透过水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；
电光普克尔盒11，被设置为未加高电压时光每穿过电光普克尔盒11一次、偏振方向旋转45°，加高电压时光每穿过电光普克尔盒（11）一次、偏振方向旋转90°；
平面反射镜5、6、12、17；
凹面反射镜13和16，曲率半径R=750mm；
激光晶体15，通光面镀有对808nm和1064nm两个波段的高阈值增透膜；
平面镜14，对1064nm光反射、对808nm光透射；
光纤耦合输出的808nm的半导体泵浦激光器19，用于输出泵浦光L2；
1:2的透镜耦合系统18，用于使泵浦光L2穿过平面镜14并聚焦到激光晶体15上；
其中水平偏振的种子光L1从激光振荡器1输出后，穿过上述第一隔离系统，再依次经过平面反射镜5、6的反射而入射到第二隔离系统，穿过第二隔离系统后（此时偏振方向变为垂直偏振）入射到薄膜偏振片10，并被反射到未加高电压的电光普克尔盒11，穿过电光普克尔盒11后入射到平面反射镜12并被平面反射镜12沿原来的光路反射到薄膜偏振片10，由于种子光L1穿过电光普克尔盒11两次，因此偏振方向旋转了90°而变成水平偏振，所以能够透过薄膜偏振片10，并入射到凹面反射镜13，然后被凹面反射镜13反射到平面镜14，再被平面镜14反射并穿过激光晶体15依次被凹面镜16和平面反射镜17反射，平面反射镜17的角度被设置为使光原路返回，原路返回的光透过薄膜偏振片10后穿过电光普克尔盒11并被平面反射镜12反射然后再次穿过电光普克尔盒11，当电光普克尔盒（11）加上高电压后，种子激光在平面反射镜（12）、第一凹面反射镜（13）、平面镜（14）、激光晶体（15）、第二凹面镜（16）和平面反射镜（17）组成的再生放大腔中多次振荡，并被放大，直至将电光普克尔盒（11）电光晶体上的高电压去掉，放大后的激光通过未加高电压的电光普克尔盒（11），并被平面反射镜（12）反射然后再次穿过电光普克尔盒（11），由于两次穿过未加高电压的电光普克尔盒11，偏振方向此时变成垂直偏振，因此被薄膜偏振片10反射到第二隔离系统，依次穿过半波片9和法拉第旋转器8后依然为垂直偏振，再入射到格兰棱镜7时被反射输出。通过控制电光普克尔盒（11）上的电压，来控制是否输出放大的激光。
在使用中，先挡住种子脉冲，打开半导体泵浦激光器，然后调节平面反射镜17，实现激光的振荡，在平面反射镜12后面放置一个光电二极管，用示波器观察腔内脉冲的演化。调节调节平面反射镜17，使示波器上看到的脉冲尽量向前，直到脉冲再也不能向前，说明谐振腔已经优化到最佳状态了。接下来把种子脉冲注入再生谐振腔中，微调平面反射镜6使得在示波器上观察到被放大的脉冲序列，优化平面反射镜6的姿态，使得放大序列在时间上也尽量地提前，然后调节普克尔盒11的门信号宽度，使得其下降沿正好卡到放大序列的峰值附近，这时放大的种子脉冲就能从腔内倒出。
附图2示出的是该实施例中的再生放大器输出的放大脉冲能量与泵浦能量之间的关系曲线。在重复频率为1kHz，泵浦光单脉冲能量为10mJ下最大输出2.32mJ的放大激光，光光转换效率高达23.5%。
根据本发明的其他实施例，其中凹面反射镜13和16优选为共焦放置，其共同的焦点位于激光晶体与凹面镜16之间的光路上。
根据本发明的其他实施例，其中第一隔离系统可以省略，或采用其他类型的光学隔离系统。
根据本发明的其他实施例，其中全固态皮秒锁模激光振荡器1发出的水平偏振光可直接入射到第二隔离系统。
根据本发明的其他实施例，其中第二隔离系统中的格兰棱镜7、薄膜偏振片10为偏振选择器件，本领域技术人员可以根据本发明公开的内容选择其他类型的偏振选择器件。
本发明提供的再生放大器的结构能够补偿晶体的热效应，输出能量高、光束质量好、结构稳定、腔内激光模式对热效应变化不灵敏。
应当说明，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，比如使用类似的腔型，以及在类似的腔型中替换增益晶体以及相应的镜片的镀膜波长等参数都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种全固态皮秒激光再生放大器，包括：
种子光源，用于提供水平偏振的种子光；
第一光学隔离系统，包括第一偏振选择镜片(7)、法拉第旋转器(8)和半波片(9)，被设置为使水平偏振光透过该第一光学隔离系统后变成垂直偏振光；
第二偏振选择镜片(10)，可透过水平偏振的光，并反射垂直偏振的光；
电光普克尔盒(11)，被设置为未加高电压时光每穿过电光普克尔盒(11)一次、偏振方向旋转45°，加高电压时光每穿过电光普克尔盒(11)一次、偏振方向旋转90°；
第一凹面反射镜(13)和第二凹面反射镜(16)；
激光晶体(15)；
平面镜(14)，对种子光反射、对泵浦光透射；
泵浦光源，用于发射泵浦光并将泵浦光穿过平面镜(14)并聚焦到激光晶体(15)上；
其中种子光输出后依次穿过所述第一光学隔离系统中的第一偏振选择镜片(7)、法拉第旋转器(8)和半波片(9)，入射到第二偏振选择镜片(10)，并被反射穿过到未加高电压的电光普克尔盒(11)后入射到平面反射镜(12)并被平面反射镜(12)沿原来的光路反射到第二偏振选择镜片(10)，透过第二偏振选择镜片(10)并入射到第一凹面反射镜(13)，然后依次被第一凹面反射镜(13)、平面镜(14)反射穿过激光晶体(15)，然后依次被第二凹面镜(16)和平面反射镜(17)反射，平面反射镜(17)的角度被设置为使光原路返回，透过第二偏振选择镜片(10)后穿过未加高电压的电光普克尔盒(11)并被平面反射镜(12)反射然后再次穿过电光普克尔盒(11)，当电光普克尔盒(11)加上高电压后，种子激光在平面反射镜(12)、第一凹面反射镜(13)、平面镜(14)、激光晶体(15)、第二凹面镜(16)和平面反射镜(17)组成的再生放大腔中多次振荡，直至将电光普克尔盒(11)上的高电压去掉，放大后的激光通过未加高电压的电光普克尔盒(11)，并被平面反射镜(12)反射然后再次穿过电光普克尔盒(11)，偏振方向由水平变为垂直偏振，然后被第二偏振选择器件(10)反射到所述第一光学隔离系统，依次穿过半波片(9)和法拉第旋转器(8)后被第一偏振选择镜片(7)反射输出，
其中第一凹面反射镜(13)和第二凹面反射镜(16)共焦放置，且第一凹面反射镜(13)和第二凹面反射镜(16)共同的焦点位于激光晶体与第二凹面反射镜(16)之间的光路上。
2.根据权利要求1所述的全固态皮秒激光再生放大器，还包括位于种子光源与所述第一光学隔离系统之间的第二光学隔离系统。
3.根据权利要求1所述的全固态皮秒激光再生放大器，其中第一偏振选择器件(7)为格兰棱镜。
4.根据权利要求1所述的全固态皮秒激光再生放大器，其中第二偏振选器件(10)为薄膜偏振片。
5.根据权利要求1所述的全固态皮秒激光再生放大器，其中第一凹面反射镜(13)和第二凹面反射镜(16)的曲率半径为750mm。
6.根据权利要求1所述的全固态皮秒激光再生放大器，其中通过控制电光普克尔盒(11)上的电压，来控制是否输出放大的激光。
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