CN107863684A

CN107863684A - 一种激光合成系统及高功率激光实验装置

Info

Publication number: CN107863684A
Application number: CN201711082339.0A
Authority: CN
Inventors: 侯杰; 李旭
Original assignee: Beijing Coast Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Coast Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2018-03-30

Abstract

本发明提供了一种激光合成系统及高功率激光实验装置，其中，该激光合成系统包括:脉冲种子源发射激光脉冲，并将激光脉冲传输至分光模块；分光模块根据偏振特性将激光脉冲分离为第一光波和第二光波，将第一光波和第二光波对应传输至第一放大模块和第二放大模块，第一光波和第二光波的偏振方向相互垂直；第一放大模块对第一光波进行放大，将放大后的第一光波传输至合束模块；第二放大模块对第二光波进行放大，将放大后的第二光波传输至合束模块；合束模块将第一光波和第二光波进行合成，得到合成后的激光。本发明通过先分束放大处理再合成处理的方式实现了两路信号的叠加放大以合成得到高功率脉冲激光，稳定性更佳，且大大降低了相关器件的损坏率。

Description

一种激光合成系统及高功率激光实验装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种激光合成系统及高功率激光实验装置。

背景技术

高功率脉冲激光源在工业制造和科学研究中有着广泛的应用，它常被应用于物质检测和天文观测等科学领域，工业生产也常用其进行加工制造。随着上述脉冲激光源的广泛应用，怎样获得高质量的脉冲激光成为研究的热门方向之一。

发明人在研究中发现，相关技术中的脉冲激光装置受限于放大器有限的储能能力使得在产生高功率脉冲激光的场合需进行多级放大，然而，单束激光经过多级放大获得的极高功率密度使得器件的损坏率较高,且多级放大所需的高增益引起的寄生振荡等因素使得产生的高功率脉冲激光的稳定性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光合成系统及高功率激光实验装置，通过先偏振分束放大处理再偏振合成处理的方式实现了两路信号的叠加放大以合成得到高功率脉冲激光，稳定性更佳，且大大降低了相关器件的损坏率。

第一方面，本发明提供了一种激光合成系统，包括：脉冲种子源、分光模块、第一放大模块、第二放大模块和合束模块；

所述脉冲种子源，用于发射激光脉冲，并将所述激光脉冲传输至所述分光模块；

所述分光模块，用于接收所述激光脉冲，根据偏振特性将所述激光脉冲分离为第一光波和第二光波，并将所述第一光波和所述第二光波对应传输至所述第一放大模块和所述第二放大模块，其中，所述第一光波和所述第二光波的偏振方向相互垂直；

所述第一放大模块，用于接收所述第一光波，对所述第一光波进行放大，并将放大后的第一光波传输至所述合束模块；

所述第二放大模块，用于接收所述第二光波，对所述第二光波进行放大，并将放大后的第二光波传输至所述合束模块；

所述合束模块，用于分别接收所述第一光波和所述第二光波，将所述第一光波和所述第二光波进行合成，得到合成后的激光脉冲。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一光波为S型光波，所述第二光波为P型光波，其中，所述S型光波为所述激光脉冲的电场振动方向垂直于入射面的分量，所述P型光波为所述激光脉冲的电场振动方向平行于所述入射面的分量。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一放大模块和所述第二放大模块均由一个或多个子放大模块以串联方式构成。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述脉冲种子源包括偏振脉冲种子源和非偏振脉冲种子源中的任意一种。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述激光脉冲的宽度范围为0.1fs至100ms。

结合第一方面，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述激光脉冲的波长范围为0.1μm至100μm。

本发明提供的激光合成系统，包括脉冲种子源、分光模块、第一放大模块、第二放大模块和合束模块；脉冲种子源发射激光脉冲，并将激光脉冲传输至分光模块；分光模块接收激光脉冲，根据偏振特性将激光脉冲分离为第一光波和第二光波，并将第一光波和第二光波对应传输至第一放大模块和第二放大模块，其中，第一光波和第二光波的偏振方向相互垂直；第一放大模块接收第一光波，对第一光波进行放大，并将放大后的第一光波传输至合束模块；第二放大模块接收第二光波，对第二光波进行放大，并将放大后的第二光波传输至合束模块；合束模块分别接收第一光波和第二光波，将第一光波和第二光波进行合成，得到合成后的激光脉冲，其通过分光模块以及第一放大模块和第二放大模块的配合工作实现了激光的偏振分束放大，并通过合束模块将分束放大后的光波进行合成，实现了两路偏振信号的叠加放大以合成得到高功率脉冲激光，稳定性更佳，且大大降低了相关器件的损坏率。

第二方面，本发明还提供了一种激光合成系统，包括：脉冲种子源、分光模块、第一放大模块、第二放大模块、第一频率变换模块、第二频率变换模块和合束模块；

所述第一放大模块，用于接收所述第一光波，对所述第一光波进行放大，并将放大后的第一光波传输至所述第一频率变换模块；

所述第一频率变换模块，用于接收所述第一放大模块传输的第一光波，对所述第一光波进行频率变换，并将得到的第三光波传输至所述合束模块，其中，所述第三光波与所述第一光波的频率不相同；

所述第二放大模块，用于接收所述第二光波，对所述第二光波进行放大，并将放大后的第二光波传输至所述第二频率变换模块；

所述第二频率变换模块，用于接收所述第二放大模块传输的第二光波，对所述第二光波进行频率变换，并将得到的第四光波传输至所述合束模块，其中，所述第四光波与所述第二光波的频率不相同；

所述合束模块，用于分别接收所述第三光波和所述第四光波，将所述第三光波和所述第四光波进行合成，得到合成后的激光脉冲。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一放大模块和所述第二放大模块均由一个或多个子放大模块以串联方式构成。

结合第二方面，本发明提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一频率变换模块和所述第二频率变换模块均由一个或多个子频率变换模块以串联方式构成。

本发明提供的激光合成系统，包括脉冲种子源、分光模块、第一放大模块、第二放大模块、第一频率变换模块、第二频率变换模块和合束模块；脉冲种子源发射激光脉冲，并将激光脉冲传输至分光模块；分光模块接收激光脉冲，根据偏振特性将激光脉冲分离为第一光波和第二光波，并将第一光波和第二光波对应传输至第一放大模块和第二放大模块，其中，第一光波和第二光波的偏振方向相互垂直；第一放大模块接收第一光波，对第一光波进行放大，并将放大后的第一光波传输至第一频率变换模块；第一频率变换模块接收第一放大模块传输的第一光波，对第一光波进行频率变换，并将得到的第三光波传输至合束模块，其中，第三光波与第一光波的频率不相同；第二放大模块接收第二光波，对第二光波进行放大，并将放大后的第二光波传输至第二频率变换模块；第二频率变换模块接收第二放大模块传输的第二光波，对第二光波进行频率变换，并将得到的第四光波传输至合束模块，其中，第四光波与第二光波的频率不相同；合束模块分别接收第三光波和第四光波，将第三光波和第四光波进行合成，得到合成后的激光脉冲，其通过分光模块以及第一放大模块和第二放大模块的配合工作实现了激光的偏振分束放大，根据频率变换模块对分束放大后的光波进行频率变换，并基于合束模块将频率变换后的光波进行合成，实现了两路偏振信号的叠加放大和频率变换以合成得到高功率脉冲激光，稳定性更佳，且大大降低了相关器件的损坏率。

第三方面，本发明还提供了一种高功率激光实验装置，包括第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式至第五种可能的实施方式中的任一项可能的实施方式所述的激光合成系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例一所提供的一种激光合成系统的结构示意图；

图2示出了本发明实施例一所提供的另一种激光合成系统的结构示意图；

图3示出了本发明实施例二所提供的一种激光合成系统的结构示意图；

图4示出了本发明实施例二所提供的另一种激光合成系统的结构示意图。

主要元件符号说明：

11、脉冲种子源；22、分光模块；33、第一放大模块；44、第二放大模块；55、合束模块；66、匹配镜；77、第一频率变换模块；88、第二频率变换模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

考虑到相关技术中的脉冲激光装置受限于放大器有限的储能能力使得在产生高功率脉冲激光的场合需进行多级放大，然而，单束激光经过多级放大获得的极高功率密度使得器件的损坏率较高,且多级放大所需的高增益引起的寄生振荡等因素使得产生的高功率脉冲激光的稳定性较差。基于此，本发明实施例了一种激光合成系统及高功率激光实验装置，下面通过几个实施例作详细的说明。

实施例一：

图1和图2为本发明实施例提供的激光合成系统的结构示意图。

参见图1，本发明实施例提供了一种激光合成系统，该激光合成系统包括：脉冲种子源11、分光模块22、第一放大模块33、第二放大模块44和合束模块55；

脉冲种子源11，用于发射激光脉冲，并将激光脉冲传输至分光模块22；

分光模块22，用于接收激光脉冲，根据偏振特性将激光脉冲分离为第一光波和第二光波，并将第一光波和第二光波对应传输至第一放大模块33和第二放大模块44，其中，第一光波和第二光波的偏振方向相互垂直；

第一放大模块33，用于接收第一光波，对第一光波进行放大，并将放大后的第一光波传输至合束模块55；

第二放大模块44，用于接收第二光波，对第二光波进行放大，并将放大后的第二光波传输至合束模块55；

合束模块55，用于分别接收第一光波和第二光波，将第一光波和第二光波进行合成，得到合成后的激光脉冲。

本发明实施例提供的激光合成系统，与相关技术中的脉冲激光装置产生的高功率脉冲激光稳定性较差，且级联放大的设置方式使得器件的损坏率较高相比，其通过分光模块22以及第一放大模块33和第二放大模块44的配合工作实现了激光的偏振分束放大，并通过合束模块55将分束放大后的光波进行合成，实现了两路偏振信号的叠加放大以合成得到高功率脉冲激光，稳定性更佳，且大大降低了相关器件的损坏率。

具体的，本发明实施例提供的激光合成系统中的脉冲种子源11能够发射激光脉冲，该脉冲种子源11是指具有一定单个激光脉冲宽度、每间隔一定时间才工作一次的脉冲种子源，它具有较大的输出功率。其中，上述脉冲种子源可以是偏振脉冲种子源，还可以是非偏振脉冲种子源。下面结合上述两类种子源作如下具体的分析。

第一种情况：采用非偏振脉冲种子源，由于普通的脉冲种子源均可产生非偏振激光，则本发明实施例提供的激光合成系统可以采用满足用户需求的普通脉冲种子源，在此不做赘述。第二种情况：采用偏振脉冲种子源，考虑到激光作为一种非偏振光，需要采用特殊的处理过程才可产生，本发明实施例优选的采用包括有布儒斯特窗口片的偏振脉冲种子源产生偏振激光脉冲，本发明实施例还可以采用其他的偏振光学器件，在此不做赘述。

进一步的，本发明实施例中激光对应的光束是以非垂直角度穿透分光模块22的，在上述穿透的过程中，有一部分光会发生折射，一部分光会发生反射，且上述折射和反射特性依赖于偏振现象。基于输入和反射光束的平面作为基准面，如果光束的偏振矢量在这个平面内，则称为P偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏振。又考虑到任何一种输入偏振状态都可以表示为S和分量的矢量和，因此，本发明实施例的激光脉冲经过分光模块22的偏振分束后，得到的第一光波和第二光波对应为S型光波和P型光波。其中，S型光波为激光脉冲的电场振动方向垂直于入射面的分量，P型光波为激光脉冲的电场振动方向平行于入射面的分量，且上述S型光波和P型光波的偏振方向相互垂直。其中，本发明实施例中的分光模块22的核心器件为偏振分光镜组。

进一步的，为了更好的对偏振激光脉冲进行后续处理，本发明实施例所提供的激光合成系统中的分光模块22还包括半波片，该半波片能够接收脉冲种子源11传输的偏振激光脉冲，并对偏振激光脉冲的偏振方向进行旋转。其中，上述半波片，又称为二分之一波片，是一定厚度的双折射晶体，当法向入射的偏振激光脉冲透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π或其奇数倍。那么，当某一线偏振光穿过半波片时，出射光仍为同类型偏振光，只不过偏振光的振动方向旋转了一定角度(2θ)，并且此旋转角的大小只取决于入射光振动平面与晶体光轴间的夹角θ。另外，上述半波片还可以将设计波长的圆偏振光的手性翻转，如果入射是线偏振光，出射光除了偏振方向外无其他变化。

进一步的，为了保证分光模块22和第一放大模块33的匹配设置，本发明实施例提供的激光合成系统还包括有匹配镜66，参见图2，该匹配镜66能够将分光模块22分离得到的第一光波匹配的传输至第一放大模块33。其中，上述匹配设置是指分光模块22的发送端与第一放大模块33的接收端相配套。

其中，上述第一放大模块33可以由一个或多个子放大模块以串联方式构成，同样的，第二放大模块44对应也可以由一个或多个子放大模块以串联方式构成。

另外，本发明实施例中的匹配镜66作为一种光学匹配器件，还可以采用其他的光学匹配单元进行代替，如由一系列的光学器件组成的光学匹配单元，在此不做赘述。

值得说明的是，本发明实施例提供的激光合成系统合成得到的激光脉冲宽度可实现0.1fs—100ms，波长可实现0.1μm—100μm。另外，第一放大模块33和第二放大模块44输出的激光脉冲同口径、同方向且同时输出，以便于合束模块55进行光波合成。

实施例二：

图3和图4为本发明实施例提供的激光合成系统的结构示意图。

参见图3，本发明实施例还提供了一种激光合成系统，该激光合成系统包括：脉冲种子源11、分光模块22、第一放大模块33、第二放大模块44、第一频率变换模块77、第二频率变换模块88和合束模块55；

第一放大模块33，用于接收第一光波，对第一光波进行放大，并将放大后的第一光波传输至第一频率变换模块77；

第一频率变换模块77，用于接收第一放大模块33传输的第一光波，对第一光波进行频率变换，并将得到的第三光波传输至合束模块55，其中，第三光波与第一光波的频率不相同；

第二放大模块44，用于接收第二光波，对第二光波进行放大，并将放大后的第二光波传输至第二频率变换模块88；

第二频率变换模块88，用于接收第二放大模块44传输的第二光波，对第二光波进行频率变换，并将得到的第四光波传输至合束模块55，其中，第四光波与第二光波的频率不相同；

合束模块55，用于分别接收第三光波和第四光波，将第三光波和第四光波进行合成，得到合成后的激光脉冲。

本发明实施例提供的激光合成系统，与相关技术中的脉冲激光装置产生的高功率脉冲激光稳定性较差，且级联放大的设置方式使得器件的损坏率较高相比，其通过分光模块22以及第一放大模块33和第二放大模块44的配合工作实现了激光的偏振分束放大，根据频率变换模块对分束放大后的光波进行频率变换，并基于合束模块55将频率变换后的光波进行合成，实现了两路偏振信号的叠加放大和频率变换以合成得到高功率脉冲激光，稳定性更佳，且大大降低了相关器件的损坏率。

相对实施例一，本发明实施例提供的激光合成系统主要增设了非线性光学频率变换功能。这主要是考虑到激光谐波变换技术是激光及非线性光学领域的一个重要分支,通过频率变换能够获得各种波长的相干辐射,从而满足各种实际应用的需要。本发明实施例提供的激光合成系统通过频率变换模块实现非线性光学频率变换功能。本发明实施例通过第一频率变换模块77实现第一放大模块33传输的第一光波的非线性光学频率变换，通过第二频率变换模块88实现第二放大模块44传输的第二光波的非线性光学频率变换。

其中，本发明实施例中的第一频率变换模块77和第二频率变换模块88均可以由一系列光学单元构成，用来实现频率变换过程，如倍频过程、和频过程、光参量震荡过程等。

另外，本发明实施例中的倍频过程优选的采用磷酸钛氧钾晶体(KTP，KTiOPO4)、偏硼酸钡晶体(BBO，Ba(BO2)2)和周期极化晶体中的任意一种进行实现。

值得说明的是，上述第一频率变换模块77和第二频率变换模块88可以采用多种方式构成，本发明实施例，第一频率变换模块77和第二频率变换模块88优选采用一个或多个子频率变换模块以串联方式构成。

进一步的，为了保证分光模块22和第一放大模块33的匹配设置，本发明实施例提供的激光合成系统还包括有匹配镜66，参见图4，该匹配镜66能够将分光模块22分离得到的第一光波匹配的传输至第一放大模块33。其中，上述匹配设置是指分光模块22的发送端与第一放大模块33的接收端相配套。

值得说明的是，本发明实施例提供的激光合成系统合成得到的激光脉冲宽度可实现0.1fs—100ms，波长可实现0.1μm—100μm。另外，第一频率变换模块77和第二频率变换模块88输出的激光脉冲同口径、同方向且同时输出，以便于合束模块55进行光波合成。

基于上述实施例一和实施例二分别提供的激光合成系统，本发明实施例还对应提供了两种高功率激光实验装置。针对目前对高功率激光驱动器运行要求越来越高，如何有效提高激光装置总体能量转换效率、光束质量、激光通量及激光工作物质的损伤阈值等关键技术问题是高功率激光器提高运行效率的新方向。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种激光合成系统，其特征在于，包括：脉冲种子源、分光模块、第一放大模块、第二放大模块和合束模块；

2.根据权利要求1所述的激光合成系统，其特征在于，所述第一光波为S型光波，所述第二光波为P型光波，其中，所述S型光波为所述激光脉冲的电场振动方向垂直于入射面的分量，所述P型光波为所述激光脉冲的电场振动方向平行于所述入射面的分量。

3.根据权利要求1所述的激光合成系统，其特征在于，所述第一放大模块和所述第二放大模块均由一个或多个子放大模块以串联方式构成。

4.根据权利要求1所述的激光合成系统，其特征在于，所述脉冲种子源包括偏振脉冲种子源和非偏振脉冲种子源中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的激光合成系统，其特征在于，所述激光脉冲的宽度范围为0.1fs至100ms。

6.根据权利要求1所述的激光合成系统，其特征在于，所述激光脉冲的波长范围为0.1μm至100μm。

7.一种激光合成系统，其特征在于，包括：脉冲种子源、分光模块、第一放大模块、第二放大模块、第一频率变换模块、第二频率变换模块和合束模块；

8.根据权利要求7所述的激光合成系统，其特征在于，所述第一放大模块和所述第二放大模块均由一个或多个子放大模块以串联方式构成。

9.根据权利要求7所述的激光合成系统，其特征在于，所述第一频率变换模块和所述第二频率变换模块均由一个或多个子频率变换模块以串联方式构成。

10.一种高功率激光实验装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的激光合成系统。