CN105932535A - 一种具有首脉冲自抑制功能的再生放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备首脉冲抑制功能的激光再生放大器，包含种子源、泵浦源及再生放大谐振腔。腔内包含增益介质、可控电光开关、波片等元件。当再生腔不工作时，腔内两个或多个镜片之间可以产生寄生振荡，消耗增益介质中的反转粒子数，避免其饱和。当再生腔恢复工作时，第一个导入再生腔放大的脉冲不会得到明显比后续脉冲高的增益，放大器输出脉冲序列中的首脉冲效应得到抑制。本发明实现首脉冲抑制的过程中，不添加任何元件、方案简洁、成本低廉。此外，本发明适用范围广，有/无双折射效应的增益晶体，长/短再生腔再生放大器，皆可适用。通过首脉冲的抑制，可以获得更好的输出脉冲均匀性，同时保护腔内易损元件，延长激光器使用寿命，改进激光加工效果。

Description

一种具有首脉冲自抑制功能的再生放大器

技术领域

本发明属于超快激光领域，涉及一种激光再生放大器。

背景技术

激光作为重要的加工工具，在工业加工领域体现出了其特有的优势。作为激光加工领域的一个重要分支，激光精细加工广泛应用于柔性电路板制造，晶圆切割，心血管支架及太阳能电池制造等领域，这些领域对加工精度有极高的要求。最大限度的减少加工过程中的热扩散是提高加工精度的关键方法。大量的研究结果表明，脉冲持续时间极短的超短脉冲激光可以有效地降低热扩散，降低加工所需的脉冲能量和平均功率，实现良好的加工效果。

脉冲宽度在纳秒量级，重复频率在1kHz-100kHz量级的腔倒空激光器，其通常包含泵浦源和谐振腔。谐振腔内有声光元件作为光开关，可利用声场控制腔内的损耗，即所谓调Q。在“待机”状态下，光开关处于关断状态，腔内损耗极大，无法形成激光振荡，而泵浦源在持续泵浦晶体，不断积累反转粒子数。当光开关突然打开时，腔内损耗急剧下降，晶体内积累的能量快速释放，形成巨脉冲输出。周期性地“开启”和“关断”光开关，激光器就可以输出纳秒脉冲序列。当没有任何保护措施时，在每一系列“开启/关断”周期变化的中，第一次开启时输出的脉冲获得的增益和输出的能量要远高于这一系列后面的脉冲。这是由于第一次开启之前晶体吸收泵浦光时间较长，积攒了大量能量，已经饱和，而脉冲序列之间的时间间隔很短，不会使晶体饱和。这个现象叫做首脉冲效应(First Pulse Effect)

脉冲宽度在皮秒量级，重复频率在1kHz-1MHz量级的再生放大器，其通常包括种子源、泵浦源和谐振腔，谐振腔中包括增益介质、偏振分束元件、波片，同时利用电光元件作为光开关。低能量的脉冲激光种子源经过一片偏振分数元件“导入”再生谐振腔，此时改变电光元件上的电压，激光通过电光元件后偏振方向改变，激光脉冲被“关”在再生腔内，多次通过增益晶体提升能量，当能量达到预期值时，再次改变电光元件上的加压，继而再次改变激光偏振态，将放大后的激光从谐振腔中“导出”。周期性地“导入”、“导出”，激光器就可以提升种子激光的能量，输出高能量皮秒脉冲序列。当没有任何保护措施时，在每一系列“导入/导出”周期变化的中，第一次导出时输出的脉冲其能量要远高于这一系列后面的脉冲。这是由于第一次导出之前晶体吸收泵浦光时间较长，积攒了大量能量，已经饱和，而脉冲序列之间的时间间隔很短，不会使晶体饱和。所以皮秒激光再生放大器，也会产生首脉冲效应。

在激光器的使用中，尤其是工业加工应用中，保证脉冲能量的一致性是非常重要的，大能量首脉冲会造成加工质量明显下降。此外，首脉冲由于能量明显高于后续脉冲，使得激光谐振腔内的声光/电光元件存在安全隐患，巨脉冲对开关元件造成损伤时常发生。所以抑制首脉冲效应极其必要。

在纳秒脉冲激光器中，较为常用的首脉冲抑制方法是在“待机”状态下，谐振腔里的声光开关不完全关闭，而是半开启状态，使得待机时激光器也有小功率输出。这样可以有效避免晶体饱和，同时可以调节半开启的程度，将待机时激光器漏光与首脉冲效应，折衷考虑。

在皮秒脉冲激光放大器中，较为常用的首脉冲抑制方法有：(1)利用电路系统控制，提前将首脉冲“导出”，减少首脉冲在谐振腔内的往返次数，限制其能量增益；(2)谐振腔内部的开关长期连续工作，只作为导入导出工具。在谐振腔外部额外增加电光/声光开关，用来控制激光“待机”和“输出”两种状态间的切换。但是此几种方案都需要复杂的电路同步系统支持，较难实现且成本较高。

2008年，David等人提出采用双谐振腔法抑制首脉冲效应，其利用增益晶体的双折射效应，针对不同偏振方向，搭建两套谐振腔。主谐振腔用于放大激光脉冲，副谐振腔用于在主谐振腔不工作时消耗增益晶体能量，避免晶体饱和，从而达到抑制首脉冲的目的。但此方案有明显缺陷：第一，该方案只适用于增益晶体为双折射晶体的再生放大器；第二，由于双折射效应寻常光和非常光分离角非常小，需要较长光路才能明显分开，故该方案不适用于腔长较短的再生放大器；第三，该方案额外增加数个光学元件，增加了系统复杂度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有再生放大器的缺点，抑制首脉冲效应，减弱首脉冲的能量。

本发明装置包含脉冲种子源、泵浦源和再生放大谐振腔，如图1所示。谐振腔内有增益晶体、镜片、偏振分束元件、可控电光开关元件等。

当在再生腔不工作时，精确调节谐振腔腔镜的姿态，可以使得至少两片腔镜之间形成与工作光路不重合的激光振荡——类寄生振荡，类寄生振荡消耗增益晶体内部的反转粒子数，使得晶体不会饱和，从而实现首脉冲抑制。

其中，寄生振荡光路是利用谐振腔腔镜特殊姿态实现的，而不是利用晶体双折射效应中寻常光和非常光空间分离实现的，所以再生放大器增益晶体可以为非双折射晶体，适用范围更广。

寄生振荡形成于晶体两端的镜片之间，可以是两片或者多于两片腔镜。由此产生的寄生振荡，其与再生腔工作光路的夹角较大，容易与工作激发在空间上分开，故适用于较短的再生腔。

晶体两端的镜片为凹面镜，凹面镜、晶体、凹面镜之间形成稳腔，对镜片姿态的容忍量较高，易于实现类寄生振荡。

晶体两端的镜片为平面镜，加工简单，不改变泵浦光在晶体内的焦斑大小。激光器正常工作时，振荡激光的腰斑与泵浦光束腰匹配，获得更高的效率和输出功率。

晶体两端的镜片为凸面镜，整个谐振腔为介稳腔，激光器正常工作时，输出的激光脉冲具有更好的光斑模式。

本发明与现有技术相比，其优势在于：

首先，本发明不添加任何元件，完全利用再生腔自有元件进行首脉冲抑制，成本更低，系统复杂度更低。

其次，本发明不利用晶体偏振特性进行首脉冲抑制，不要求增益介质具有双折射效应，因此适用范围更广。

最后，本发明不采用双折射效应区分工作腔和非工作腔，因此可以适用于抑制较短的再生腔产生的首脉冲效应，适用范围更广。

综上所述，本发明在不添加任何元件的情况下，只通过精密控制再生腔镜片的姿态，即可实现对再生放大器首脉冲效应的抑制，并且本发明适用范围更广，有/无双折射效应的增益晶体，长/短再生腔，连续/脉冲泵浦模式，端面/侧面泵浦方式的再生放大器，皆可适用。通过首脉冲的抑制，可以获得更好的输出脉冲均匀性，同时保护腔内易损元件，延长激光器使用寿命，改进激光加工效果。

附图说明

图1一整套激光再生放大器的示意图；

1-低能量脉冲种子源，2-反射镜，3-隔离器，4-反射镜，5-偏振分束片，6-波片，7-法拉第旋转器，8-偏振分束片，9-波片，10-电光开关，11-谐振腔端镜，12-谐振腔腔镜，13-谐振腔腔镜，14-谐振腔腔镜，15-谐振腔腔镜，16-谐振腔端镜，17-泵浦光耦合头。X-增益介质

图2有首脉冲抑制功能的激光再生放大器的示意图；

201——两片腔内间产生寄生振荡。

图3有首脉冲抑制功能的激光再生放大器的示意图；

301——多片腔内间产生寄生振荡。

图4无首脉冲抑制功能的再生放大器输出的脉冲序列示意图

401——首脉冲；

图5本发明中，带有首脉冲自抑制功能的再生放大器输出的脉冲序列示意图

501——首脉冲。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来对本发明作进一步说明。

实施例1：

图2所示是一种有首脉冲抑制功能的激光再生放大器，从种子源1输出的激光脉冲，经过隔离器3、波片6，旋转器7后，偏振方向旋转90°，由偏振分束元件8导入再生腔内。此时对电光开关元件10加压，其与波片9的组合，入射激光的偏振态旋转90°，激光返回偏振分束元件8时透过该元件，激光被锁定在腔内往返。激光在腔内往返增益晶体X多次，脉冲能量逐步提升。随后再次改变电光开关9上的电压，其与波片8的组合，再次改变腔内激光的偏振状态，激光从偏振分束元件8反射，再经过旋转器7和波片6，最终在偏振分束元件5处反射输出。以一定的频率(典型值为1kHz～1MHz)改变电压，导入导出激光，可以获得该频率的再生放大激光输出。

当再生腔不工作时，腔镜13、增益晶体X和腔镜14组成短腔(如图2虚线201所示)，形成类寄生振荡。类寄生振荡使得增益晶体不会积累大量的能量，当再生腔恢复工作时，首个注入的脉冲不会比后续脉冲获得明显高的增益。类寄生振荡的增益截面远小于再生腔的增益截面，故只有再生腔处于关断状态时，类寄生振荡才会出现。类寄生振荡的存在，不显著影响再生放大器正常工作时输出激光的平均能量。图4是没有首脉冲抑制功能的再生放大器的输出脉冲序列示意图，可以看到第一个脉冲由于获得高增益，其能留明显高于后续脉冲。而带有首脉冲自抑制功能的再生放大器(图5)，其输出波形可以看出，第一个脉冲的能量仅仅稍高于后续脉冲，首脉冲效应得到明显的抑制。

实施例2：

图3所示是另一种有首脉冲抑制功能的激光再生放大器。其与实施例1的区别在于，当再生腔停止工作时，寄生振荡在腔镜13、增益晶体X和腔镜14、15之间产生(301)。同样地，寄生振荡防止晶体饱和，抑制首脉冲，且不影响其正常工作时的输出功率及能量。

尽管参照上述的实施例已对本发明做出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解并可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (6)

1.一种具有首脉冲自抑制功能的激光再生放大器，其由脉冲种子源、泵浦光、激光谐振腔等几个部分组成，谐振腔内包含增益晶体、镜片、偏振分束元件、可控电光开关元件等。该再生放大器利用在腔内形成的与工作光路不重合的振荡——类寄生振荡，实现首脉冲抑制。

2.如权利要求1所述的再生放大器，其特征在于增益晶体为非双折射晶体。

3.如权利要求1所述的再生放大器，其特征在于类寄生振荡形成于晶体两端的镜片之间。

4.如权利要求1-3所述的再生放大器，其特征在于晶体两端的镜片为凹面镜。

5.如权利要求1-3所述的再生放大器，其特征在于晶体两端的镜片为平面镜。

6.如权利要求1-3所述的再生放大器，其特征在于晶体两端的镜片为凸面镜。