CN106253043B - 一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器 - Google Patents

一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器 Download PDF

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Abstract

一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器，包括：猝发脉冲激光信号源，输出猝发脉冲；放大系统，接收所述猝发脉冲并放大，输出高能猝发脉冲；隔离系统，设置于所述猝发脉冲激光信号源与所述放大系统之间，防止高能猝发脉冲返回至猝发脉冲激光信号源；控制系统，对猝发脉冲激光信号源进行调制并控制放大系统，使所述高能猝发脉冲的时域包络形貌可调。

Description

一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种时域包络形貌可调的激光再生放大固体激光器。
背景技术
猝发脉冲激光是指时域上具有一定脉冲包络形貌，包络内部脉冲数目可调的超快脉冲序列。猝发脉冲激光可以应用于控制薄膜的形态进行化学沉积，高能量的猝发脉冲应用于军事等领域的研究也在不断展开：比如汤姆逊散射实验、光声显微、核加速器、激光雷达等。因此，猝发脉冲技术一直是激光领域的研究热点。
目前获得高能量的猝发脉冲激光的方法主要是多通固体放大技术或者是光纤放大技术实现的。这些方法并没有对猝发脉冲的时域形貌进行干预，因此获得的猝发脉冲形貌的单一的，不可调制的。这些形貌不可调制的猝发脉冲激光严重影响其应用领域和应用范围。
另外，在目前报道的再生放大器中，进入再生放大腔的并非猝发脉冲，而是单一脉冲。主要通过脉冲选单技术，选出单一脉冲进入再生放大腔，通过再生放大技术获得高能量的单脉冲输出。这种高能量、高峰值功率激光，容易带来谐振腔内部的晶体、镜片等光学器件的损伤，因此，带来很大应用的局限性。
因此，如果将单一脉冲能量变化为猝发脉冲串，将单一脉冲的能量分解为猝发脉冲包络内多个脉冲能量的叠加，增加脉冲能量并不会带来峰值功率的提升，有效避免器件损伤问题，大幅增加激光器的稳定性和使用寿命。在此基础上，根据不同的应用需求，对其时域包络形貌进行调整，这将大大拓宽这种特殊脉冲激光的应用范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器，包括：猝发脉冲激光信号源，输出猝发脉冲；放大系统，接收所述猝发脉冲并放大，输出高能猝发脉冲；隔离系统，设置于所述猝发脉冲激光信号源与所述放大系统之间，防止高能猝发脉冲返回至猝发脉冲激光信号源；控制系统，对猝发脉冲激光信号源进行调制并控制放大系统，使所述高能猝发脉冲的时域包络形貌可调。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器包括任意形貌脉冲包络发生系统、猝发脉冲信号源、隔离系统及放大系统，实现时域包络形貌可调的高能猝发脉冲激光的输出。
(2)任意形貌脉冲包络发生系统包括两任意脉冲发生器分别调制猝发脉冲信号源和放大系统中泵浦源，调节猝发脉冲激光的包络形貌。
(3)放大系统中设置普克尔盒用于控制激光在方法系统谐振腔中的锁存和输出。
附图说明
图1是本发明实施例中时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器的结构示意图；
图2是图1中再生放大器输出为高能高斯形猝发脉冲时域形貌的波形图；
图3是图1中再生放大器输出为高能方波形高斯形猝发脉冲时域形貌的波形图；
图4是图1中再生放大器输出为高能上斜线形猝发脉冲时域形貌的波形图。
图5是图1中再生放大器输出为高能下斜线形猝发脉冲时域形貌的波形图。
具体实施方式
本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。
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。
本发明实施例提供一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器，包括控制系统、猝发脉冲激光信号源、信号隔离系统及放大系统。
其中猝发脉冲激光信号源提供再生放大器所需的猝发脉冲信号，放大系统提供猝发脉冲信号往返振荡，获得高能量输出，信号隔离系统防止放大系统中的光返回到猝发脉冲激光信号源中，造成猝发脉冲激光信号源的损坏，控制系统，提供调制时域形貌的调制信号对猝发脉冲激光信号源进行调制并对放大系统中的泵浦源进行驱动。
具体的，如图1所示，控制系统包括控制装置11、放大系统驱动电源111和任意脉冲发生器112，控制装置11用于控制放大系统驱动电源111和任意脉冲发生器112，优选采用可编程控制电路，任意脉冲发生器112可以产生不同形貌的电调制信号，这种电调制信号可以是高斯形、可以是方波形、还可以是上斜线形和下斜线形。
猝发脉冲激光信号源114半导体超快激光器，由任意脉冲发生器112调制驱动，可以产生时域形貌可调的猝发脉冲。其猝发脉冲包络的宽度为μs～ms量级，包络的重复频率为1Hz～100kHz；包络内脉冲重复频率可以通过猝发脉冲激光信号源114自身的电源进行调节，从500MHz～100GHz，包络内脉冲个数可以调节，调节范围5～1000个，包络内脉冲的脉冲宽度可以是皮秒、飞秒和纳秒量级。猝发脉冲激光信号源114根据信号源增益介质的不同，其输出波长可以是1064nm、1050nm、1550nm还可以是2000nm。
信号隔离系统包括顺序排布的平面反射镜133、第二偏振片172、法拉第旋转器18、半(λ2)波片162和第一偏振片171，其中：平面反射镜133镀有振荡光的高反膜；第一偏振片171和第二偏振片172为1064nm，1050nm，1550nm或者是2000nm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；半(λ2)波片162为1064nm，1050nm，1550nm或者是2000nm的半(λ/2)波片。
放大系统包括泵浦源113、整形装置12、双色镜131和平面反射镜132、增益介质14、四分之一(λ/4)波片161和普克尔盒15，双色镜131和平面反射镜132构成激光谐振腔，其中：泵浦源113由放大系统驱动电源111驱动，可以产生泵浦光，输出波长为808nm、880nm、888nm，或者是940nm、980nm波长，还可以是793nm；泵浦源113，采用光纤耦合输出的半导体激光光源，耦合输出光纤参数为100～800μm；整形装置12为1∶1～8泵浦光整形装置，泵浦光经整形装置12到达增益介质14的光斑约为200～1500μm；双色镜131镀有泵浦光808、880nm或者888nm的增透膜和振荡光1064nm、1030nm或者1050nm高反的双色膜，平面反射镜132镀有1064nm、1030nm或者1050nm高反射膜；增益介质14优选为激光晶体，可以为掺Nd的Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：YLF激光晶体、掺Yb的Yb：YAG，Yb：KGW，Yb：KYW激光晶体或掺Er的Er：YAG激光晶体，掺Tm的Tm：YAG激光晶体。四分之一(λ/4)波片161为1064nm，1030nm，1050nm，1550nm或者是2000nm波长的四分之一(λ/4)波片；普克尔盒15为电光普克尔盒，通光孔径4～10mm，半波(λ/2)电压为5～10kV，四分之一波(λ/4)电压为2.5～5kV。
时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器工作时，控制装置11首先驱动放大系统驱动电源111，输出电流驱动信号驱动放大系统的泵浦源113，泵浦源113作用于增益介质14，增益介质14开始储能。控制装置11控制放大系统驱动电源111与驱动任意脉冲发生器112之间的延时，经过200～300μs的时间后，增益介质14储能最高时，控制装置11驱动任意脉冲发生器112，在任意脉冲发生器112的控制下，猝发脉冲激光信号源114可以产生不同时域包络形貌的猝发脉冲，以高斯形貌的包络形貌为例，任意脉冲发生器112产生高斯形貌的电信号驱动猝发脉冲激光信号源114产生具有高斯包络形貌的猝发脉冲，以下以猝发脉冲为水平偏振为例进行说明，此时下述的偏振片171、172为水平偏振片，它们透射水平偏振光，反射垂直偏振光。猝发脉冲经过平面反射镜133反射后，顺序通过偏振片172、法拉第旋转器18及半波片162变为垂直偏振，经偏振片171反射引入放大系统，引入放大系统的猝发脉冲经四分之一波片161和电压为0的普克尔盒15偏振方向旋转45度到达平面反射镜132，由平面反射镜132反射返回后经过电压为0普克尔盒15和四分之一波片161，变为水平偏振透过偏振片171，在经过偏振片171的瞬间，普克尔盒15加四分之一波电压，将猝发脉冲锁定在放大系统的双色镜131与平面反射镜132之间的激光谐振腔内。猝发脉冲经过增益介质14提取由泵浦光13提供的能量，并经双色镜131返回，在双色镜131和平面反射镜132之间多次往返振荡，猝发脉冲提取更多的能量，当猝发脉冲达到能量饱和后，当其穿过偏振片171射向平面反射镜132时，普克尔盒15降为0电压，高能量的猝发脉冲经四分之一波片161和电压为0的普克尔盒15偏振方向旋转45度到达平面反射镜132，由平面反射镜132反射返回后经过电压为0普克尔盒15和四分之一波片161，变为垂直偏振，经过偏光片171反射从放大系统中输出，高能量的猝发脉冲顺序通过及半波片162、法拉第旋转器18后经偏振片172反射输出。
输出的高能猝发脉冲，其时域脉冲包络形貌可以通过调制放大器驱任意脉冲发生器112进行调节，本实施例中输出的高能猝发脉冲保持了猝发脉冲信号源114产生猝发脉冲的时域形貌，包络均为高斯形。猝发脉冲信号源114产生时域包络形貌为高斯形的猝发脉冲，猝发脉冲包络的宽度为10μs，包络的重复频率为1～10kHz；包络内脉冲重复频率1～10GHz，包络内脉冲个数可以由猝发脉冲激光信号源114自身的驱动电源调节，调节范围1000～10000个，包络内脉冲的脉冲宽度为10～100ps。猝发脉冲的能量为整个包络内超快脉冲能量的叠加。再生放大器的输出功率为50W，重复频率为10kHz，高斯形貌的猝发脉冲能量为1mJ，激光波长为1064nm。本实施例中再生放大器输出的高能猝发脉冲的时域包络形貌如图2所示。
还可以通过控制装置11调制任意脉冲发生器112进行调节猝发脉冲激光信号源114实现其他时域脉形貌的脉冲输出。如图3所示为方波形时域形貌的高能猝发脉冲；如图4为上斜线和下斜线形时域形貌的高能猝发脉冲。图5为下斜线形时域形貌的高能猝发脉冲。
本领域技术人员应当理解，上述实施例中以初始猝发脉冲为水平偏振为例进行说明，本发明的保护范围不限于此，初始猝发脉冲为线偏振即可，例如可以为垂直偏振，此时偏振片171，172为垂直偏振片。
本领域技术人员应当理解，本发明不仅仅局限于重复频率为1～10kHz，还可以是其他脉冲重复频率，同时放大器中的增益介质也可以采用其他激光晶体，相应的泵浦源也可以是其他波长的泵浦源，输出的激光波长也可以是其他波长。
本发明中放大器普克尔盒15电压的变化与任意脉冲发生器112的之间具有一定延时关系，以确保猝发脉冲获得最大的提取效率。
本发明中高能猝发脉冲，其猝发脉冲包络的脉冲宽度μs～ms量级，包络的重复频率为1Hz～100kHz；包络内脉冲重复频率可以通过114自身所带电源进行调节，从500MHz～100GHz，相应的，包络内脉冲个数可以调节，调节范围5～1000个，包络内脉冲的脉冲宽度可以是皮秒、飞秒和纳秒量级。单脉冲能量为包络内脉冲个数的总和。
上述方案中高能猝发脉冲，其时域包络的形貌可以通过调制任意脉冲发生器112实现。这种包络形貌可以是方波、可以是高斯形、还可以是上斜线形、下斜线形等其他波形。
应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
实施例中提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。
实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)本发明中的平面反射镜可以采用反射棱镜来代替。
(2)本发明中的普克尔盒可以用其他高速电光器件代替。
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，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 (9)

1.一种时域包络形貌可调的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，包括：
猝发脉冲激光信号源(114),输出猝发脉冲；
放大系统，接收所述猝发脉冲并放大，输出高能猝发脉冲；
隔离系统，设置于所述猝发脉冲激光信号源(114)与所述放大系统之间，防止高能猝发脉冲返回至猝发脉冲激光信号源(114)；以及
控制系统，对猝发脉冲激光信号源进行调制并控制放大系统，使所述高能猝发脉冲的时域包络形貌可调，使得高能猝发脉冲保持所述猝发脉冲的时域形貌，
所述控制系统包括：
任意脉冲发生器(112)，用于调制所述猝发脉冲激光信号源(114)，使所述猝发脉冲具有预定的时域包络形貌；
放大系统驱动电源(111)，用于驱动放大系统工作；以及
控制装置(11)，用于控制所述任意脉冲发生器(112)和所述放大系统驱动电源(111)。
2.根据权利要求1所述的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述隔离系统包括顺序设置的第一平面反射镜(133)、第二偏振片(172)、法拉第旋转器(18)、半波片(162)及第一偏振片(171)，其中所述第一偏振片(171)与所述第二偏振片(172)的偏振方向相同。
3.根据权利要求2所述的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述放大系统包括顺序设置的泵浦源(113)、整形装置(12)、双色镜(131)、增益介质(14)、四分之一波片(161)、普克尔盒(15)以及第二平面反射镜(132)，其中所述双色镜(131)和所述第二平面反射镜(132)构成激光谐振腔。
4.根据权利要求3所述的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述增益介质(14)为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:KYW、Er:YAG或Tm:YAG激光晶体。
5.根据权利要求3所述的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述控制装置(11)控制放大系统驱动电源(111)驱动所述放大系统，所述泵浦源(113)为增益介质(14)提供能量，当增益介质(14)存储能量达到极值时，任意脉冲发生器(112)调制所述猝发脉冲激光信号源(114)产生预定时域包络形貌的猝发脉冲，所述猝发脉冲具有第一偏振方向，经第一平面反射镜(133)后穿过第二偏振片(172)，经所述法拉第旋转器(18)和半波片(162)变为第二偏振方向，经第一偏振片(171)反射进入放大系统，通过四分之一波片(161)和电压为0的普克尔盒(15)后被第二平面反射镜(132)反射，反向通过电压为0的普克尔盒(15)和四分之一波片(161)后恢复为第一偏振方向，穿过第一偏振片(171)的瞬间，普克尔盒(15)加四分之一波电压，将猝发脉冲锁定在所述双色镜131与平面反射镜132之间的激光谐振腔内，通过多次往返汲取所述增益介质(14)上的能量，当猝发脉冲达到能量饱和后变为保持预定时域包络形貌高能猝发脉冲，穿过第一偏振片(171)射向平面反射镜(132)的瞬间，普克尔盒(15)电压降为0，高能量猝发脉冲通过四分之一波片(161)和电压为0的普克尔盒(15)后被第二平面反射镜(132)反射，反向通过电压为0的普克尔盒(15)和四分之一波片(161)后变为第二偏振方向，经过第一偏光片(171)反射从放大系统中输出，反向顺序经过半波片(162)和法拉第旋转器(18)保持第二偏振方向经第二偏振片(172)反射输出，其中所述第一偏振片(171)与第二偏振片(172)的偏振方向为所述第一偏振方向，所述第二偏振方向与第一偏振方向垂直。
6.根据权利要求5所述的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述预定时域包络形貌为方波、高斯形、上斜线形或下斜线形。
7.根据权利要求5所述的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述第一偏振方向为水平偏振，第二偏振方向为垂直偏振。
8.根据权利要求2所述的猝发脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述控制装置(11)为可编程控制电路。
9.根据权利要求1所述的猝发脉冲激光再生放大器，所述猝发脉冲激光信号源(114)为半导体超快激光器。
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