CN108365513A - 一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置及方法，所述装置包括偏振分光棱镜、电光调Q开关、1/4波片、第一平面镜、第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜，其中：所述偏振分光棱镜、电光调Q开关、1/4波片、第一平面镜、第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜共同组成激光再生放大器；所述第一平面镜、第二反射镜和第三反射镜构成激光再生放大器的谐振腔；所述激光放大和增益控制模块由第四反射镜、激光晶体、LD靶条、第五反射镜构成；所述第四反射镜、激光晶体和第五反射镜构成增益调节腔。本发明可以实现脉冲串激光的高效放大，并通过调节放大介质中的增益控制脉冲串激光输出的脉冲稳定性，实现针对不同重复频率脉冲串激光的高稳定性放大。

Description

一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置及方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种脉冲串再生放大器脉冲稳定性控制系统与方法。
背景技术
平面激光诱导荧光（Plane Laser Induced Fluorescence，PLIF）是基于片状激光光束，激发流场中自由基或示踪粒子辐射荧光，通过对该荧光成像获得流场空间分布场信息的一种成像诊断技术。与传统测量方法相比，PLIF技术具有非接触测量、高时间（ns量级）和空间（mm量级）分辨率以及可实现二维空间测量等特性。高速PLIF技术可以应用于高速流场和燃烧场诊断，对于推动新一代超声速飞行器和姿轨控发动机的发展具有重要意义。
为满足高信噪比、低采样间隔的应用需求，高速PLIF诊断仪的激光光源必须具备单脉冲能量大、工作重复频率高的特点。但对于常规全固态激光器来说，由于激光介质内热效应的限制，高工作重复频率和大单脉冲能量两个特性是不可兼得的。为解决这一问题，一些诊断仪生产厂家采用多台低重频、大能量激光器串联的方式获得脉冲时序可控的高重频激光光源。显然，这一系统非常复杂、造价高，而且采样时间的提高是非常困难的，限制了PLIF等激光诊断技术的发展。近年来，虽然半导体激光技术的发展以及新型结构激光器的出现都极大地促进了全固态激光的发展，但由于热效应等因素的影响，高重频（≥10kHz）全固态激光器的输出能量与PLIF应用需求仍存在巨大差距。
考虑到流场变化大部分在几十毫秒间完成，激光光源只需要在短时间内能够以高重频工作即可。因此，用于高速PLIF诊断仪的激光光源可以以脉冲串方式工作。脉冲串激光是指在一定时间内输出连续脉冲的激光器，由于工作时间较短，可以有效降低热效应对激光运转稳定性所带来的负面影响，保证高重复频率运转的条件下可以实现大能量脉冲激光输出，解决了传统全固态激光器中高重复频率和大能量脉冲能量不可兼得的问题。因此，研究人员对脉冲串主振荡器的功率放大器（Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA）激光系统进行了大量的研究。即采用良好频率特性及稳定性高的连续激光器作为种子源，利用调制器在腔外实现一段时间的脉冲选取，持续时间和脉冲个数任意可调，子脉冲的重复频率可以达到兆赫兹量级，在此基础上通过多程放大技术实现高能量脉冲串激光输出。但由于注入激光能量与放大级的存储能量间的巨大差异使该脉冲串激光系统存在提取效率低的问题。在行波放大器中，只有当激光介质中的功率密度接近饱和光强时，才能将大部分存储在行波功率放大器中的能量提取出来。因此，低能量种子激光使得前一级或两级激光放大器的提取效率非常低，而且自发辐射效应也限制了行波放大器的增益和提取能量大小。再生激光放大器可以实现对低能量脉冲的高效放大，解决脉冲串激光放大器提取效率低的问题。再生激光放大器（Regenerative amplifier, RA）可以使种子激光多次经过增益介质，使小信号得到高增益放大，通常用于超窄脉宽激光放大。与行波放大器相比，具有增益大、效率高以及不受自发辐射影响等特点。脉冲稳定性是脉冲串激光器应用过程中的一个重要指标，而再生放大器中的脉冲抖动问题也是限制其应用的一个重要因素。
德国马普所的研究人员对掺Yb3+玻璃RA中的脉冲不稳定性进行了理论分析，并指出当工作周期接近或小于激光介质能级寿命时，再生激光放大器输出脉冲间的抖动较大。而对于常见的掺钕激光介质（Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF），其能级寿命为100~520 ms之间，当重复频率大于1 kHz时，再生放大器的输出就可能存在较大抖动。通过增益控制改善脉冲串激光放大器脉冲稳定性的方法，还可以推广到连续脉冲再生放大器中，用于超短脉冲激光的放大。
现有脉冲串激光放大系统的不足或还不能实现：1、实现脉冲串激光的高效放大；2、在保证脉冲提取效率的前提下，实现高脉冲稳定性的脉冲串激光放大；3、不同工作重复频率条件下，脉冲串激光幅值稳定性保持一致。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置及方法，可以实现脉冲串激光的高效放大，并通过调节放大介质中的增益控制脉冲串激光输出的脉冲稳定性，实现针对不同重复频率脉冲串激光的高稳定性放大。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，包括偏振分光棱镜、电光调Q开关、1/4波片、第一平面镜、第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜，其中：
所述偏振分光棱镜、电光调Q开关、1/4波片、第一平面镜、第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜共同组成激光再生放大器；
所述第一平面镜、第二反射镜和第三反射镜构成激光再生放大器的谐振腔；
所述激光放大和增益控制模块由第四反射镜、激光晶体、LD靶条、第五反射镜构成，用于为脉冲串激光放大提供能量；
所述第四反射镜、激光晶体和第五反射镜构成增益调节腔，用于控制不同重复频率条件下放大介质中的增益；
S偏振脉冲串激光经过偏振分光棱镜进入到激光再生放大器中，光束传播方向发生90°偏转，经过电光调Q开关、1/4波片，通过第一反射镜反射，光束传播方向发生180°偏转，使激光再次经过1/4波片、电光调Q开关，如果此时电光调Q开关上未加调制电压，S偏振脉冲串激光往返经过1/4波片使其偏振态变化为P偏振光，再次经过偏振分光棱镜时传输方向不发生变化，往返经过第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜后再次入射到偏振分光棱镜；如果此时将电光调Q开光上加上电压，其在光路中起到1/4波片的作用，脉冲串偏振激光往返经过电光调Q开关和1/4波片后偏振态不发生改变，继续在激光再生放大器中振荡传输；如果电光调Q开关上不加电压，偏振激光往返经过电光调Q开关和1/4波片后偏振态将变为S偏振光，再次经过偏振分光棱镜时将发生传输方向的偏折，从激光再生放大器中溢出。
一种利用上述装置对激光再生放大器的脉冲稳定性控制的方法，由以下步骤实现：
步骤一：S偏振脉冲串激光经过偏振分光棱镜入射到激光再生放大器中，当电光调Q开关上没有外加电压时，脉冲串激光往返经过电光调Q开关、1/4波片和第一平面镜，激光光学偏振态变为P偏振光，透射经过偏振分光棱镜；
步骤二：将电光调Q开关上加上1/4波电压，当激光再次往返经过电光调Q开关和1/4波片时，偏振态将不发生变化，P偏振脉冲串激光在激光再生放大器中往返传输放大，通过控制电光调Q开关上的1/4波电压时间来控制脉冲往返传输次数；
步骤三：当脉冲串激光在激光再生放大器中往返传输时，LD靶条泵浦激光晶体使其产生反转粒子数，为激光再生放大器提供能量，通过增益调节腔控制激光晶体内的增益大小，实现对不同重复频率脉冲串激光再生放大的脉冲稳定性的控制；
步骤四：当脉冲串激光获得了足够大的增益（即：将输出能量提升10倍），将电光调Q开关上的电压撤掉，当激光再生放大器内振荡的P偏振激光再次经过偏振分光棱镜后，电光调Q开关对其偏振态不会产生影响，往返经过1/4波片使P偏振脉冲串激光变为S偏振脉冲串激光，经过偏振分光棱镜后从脉冲串激光再生放大器中输出。
本发明具有以下优点：
本发明利用增益调节腔控制再生放大器中的脉冲稳定性，并对脉冲串激光进行高效放大，解决了现有脉冲串系统放大效率低的问题，更重要的是实现了再生放大器中的增益控制，解决了激光再生放大器中脉冲稳定性差的问题，可以推广到低能量的飞秒或者皮秒脉冲激光再生放大应用中。
附图说明
图1为本发明激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，如图1所示，所述脉冲稳定性控制装置沿光束传输方向依次设置有偏振分光棱镜1、电光调Q开关2、1/4波片3、第一平面镜4、第二反射镜5、激光放大和增益控制模块、第三反射镜7，其中：
所述偏振分光棱镜1、电光调Q开关2、1/4波片3、第一平面镜4、第二反射镜5、激光放大和增益控制模块、第三反射镜7共同组成激光再生放大器；
所述第一平面镜4、第二反射镜5和第三反射镜7构成激光再生放大器的谐振腔；
所述激光放大和增益控制模块由第四反射镜6-1、激光晶体6-2、LD靶条6-3、第五反射镜6-4构成，用于为脉冲串激光放大提供能量；
所述第四反射镜6-1、激光晶体6-2和第五反射镜6-4构成增益调节腔，用于控制不同重复频率条件下放大介质中的增益；
S偏振脉冲串激光经过偏振分光棱镜1进入到激光再生放大器中，光束传播方向发生90°偏转，经过电光调Q开关2、1/4波片3，通过第一反射镜4反射，光束传播方向发生180°偏转，使激光再次经过1/4波片3、电光调Q开关2，如果此时电光调Q开关2上未加调制电压，脉冲串偏振激光往返经过1/4波片3使其偏振态变化为P偏振光，再次经过偏振分光棱镜1时，传输方向不发生变化，往返经过第二反射镜5、激光放大和增益控制模块6、第三反射镜7后，再次入射到偏振分光棱镜1；如果此时将电光调Q开光2上加上电压，其在光路中起到1/4波片的作用，脉冲串偏振激光往返经过电光调Q开关2和1/4波片3后偏振态不发生改变，仍为P偏振激光，将继续在激光再生放大器中振荡传输；如果电光调Q开关2上不加电压，偏振激光往返经过电光调Q开关2和1/4波片3后偏振态将变为S偏振光，再次经过偏振分光棱镜1时将发生传输方向的偏折，从激光再生放大器中溢出。
本实施方式中，所述偏振分光棱镜1的四个入射面均镀有对1064nm的增透膜。
本实施方式中，所述电光调Q开关2为KD*P晶体，晶体两端镀有对1064nm的增透膜，工作重复频率可以达到5kHz，脉冲上升时间<5ns。
本实施方式中，所述1/4波片3为1064nm激光的1/4波片，波片两端面镀有对1064nm的增透膜，电光调Q开关2和1/4波片3配合用于控制脉冲激光在再生放大器中的往返次数。
本实施方式中，所述第一平面镜4镀有对1064nm 激光的全反膜。
本实施方式中，所述第二反射镜5镀有对1064nm 激光的全反膜。
本实施方式中，所述激光晶体6-2为Nd:YAG板条晶体，晶体尺寸为2×8×26mm3，Nd3 +掺杂浓度为0.6at.%。
本实施方式中，LD靶条6-3输出波长为808nm，峰值功率为1500W，直接入射到激光晶体6-2中。
本实施方式中，所述第三反射镜7镀有对1064nm激光的全反膜。
本实施方式中，所述第四反射镜6-1镀有对1064nm激光的全反膜。
本实施方式中，所述第五反射镜6-4镀有对1064nm激光的部分透射膜，对1064nm激光的透射率为T=10%。
本实施方式中，所述第四反射镜6-1、激光晶体6-2和第五反射镜6-4构成增益调节腔，在第五反射镜6-4一侧输出1064nm激光，通过调节第四反射镜6-1和第五反射镜6-4的平行度，控制第五反射镜6-4输出的1064nm激光输出能量，实现对再生激光放大器中的增益控制，实现对再生激光放大器中的脉冲稳定性的控制。
具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置对激光再生放大器的脉冲稳定性控制的方法，所述方法由以下步骤实现：
步骤一：S偏振脉冲串激光经过偏振分光棱镜1入射到激光再生放大器中，当电光调Q开关2上没有外加电压时，脉冲串激光往返经过电光调Q开关2、1/4波片3和第一平面镜4，激光光学偏振态变为P偏振光，脉冲串激光透射经过偏振分光棱镜1；
步骤二：将电光调Q开关2上加上1/4波电压，当激光再次往返经过电光调Q开关2和1/4波片3时，偏振态将不发生变化，P偏振脉冲串激光在激光再生放大器中往返传输放大，通过控制电光调Q开关2上的1/4波电压时间来控制脉冲往返传输次数；
步骤三：当脉冲串激光在激光再生放大器中往返传输时，LD靶条6-3泵浦激光晶体6-2使其产生反转粒子数，为再生放大器提供能量，第四反射镜6-1、激光晶体6-2和第五反射镜6-4构成了一个增益调节腔，通过增益调节腔控制激光晶体6-2内的增益大小，实现对不同重复频率脉冲串激光再生放大的脉冲稳定性的控制；
步骤四：当脉冲串激光获得了足够大的增益（将输出脉冲能量提高10倍），将电光调Q开关2上的电压撤掉，当激光再生放大器内振荡的P偏振激光再次经过偏振分光棱镜1后，电光调Q开关2对其偏振态不会产生影响，往返经过1/4波片3使P偏振脉冲串激光变为S偏振脉冲串激光，经过偏振分光棱镜1后从激光再生放大器中输出。

Claims (10)

1.一种激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述装置包括偏振分光棱镜、电光调Q开关、1/4波片、第一平面镜、第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜，其中：
所述偏振分光棱镜、电光调Q开关、1/4波片、第一平面镜、第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜共同组成激光再生放大器；
所述第一平面镜、第二反射镜和第三反射镜构成激光再生放大器的谐振腔；
所述激光放大和增益控制模块由第四反射镜、激光晶体、LD靶条、第五反射镜构成；
所述第四反射镜、激光晶体和第五反射镜构成增益调节腔；
S偏振脉冲串激光经过偏振分光棱镜进入到激光再生放大器中，光束传播方向发生90°偏转，经过电光调Q开关、1/4波片，通过第一反射镜反射，光束传播方向发生180°偏转，使激光再次经过1/4波片、电光调Q开关，如果此时电光调Q开关上未加调制电压，S偏振脉冲串激光往返经过1/4波片使其偏振态变化为P偏振光，再次经过偏振分光棱镜时传输方向不发生变化，往返经过第二反射镜、激光放大和增益控制模块、第三反射镜后再次入射到偏振分光棱镜；如果此时将电光调Q开光上加上电压，其在光路中起到1/4波片的作用，脉冲串偏振激光往返经过电光调Q开关和1/4波片后偏振态不发生改变，继续在激光再生放大器中振荡传输；如果电光调Q开关上不加电压，偏振激光往返经过电光调Q开关和1/4波片后偏振态将变为S偏振光，再次经过偏振分光棱镜时将发生传输方向的偏折，从激光再生放大器中溢出。
2.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述偏振分光棱镜的四个入射面均镀有对1064nm的增透膜。
3.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述电光调Q开关为KD*P晶体，晶体两端镀有对1064nm的增透膜，工作重复频率达到5kHz，脉冲上升时间<5ns。
4.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述1/4波片为1064nm激光的1/4波片，波片两端面镀有对1064nm的增透膜。
5.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述第一平面镜镀有对1064nm 激光的全反膜。
6.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜镀有对1064nm 激光的全反膜。
7.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述激光晶体为Nd:YAG板条晶体，晶体尺寸为2×8×26mm3，Nd3+掺杂浓度为0.6at.%。
8.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述LD靶条输出波长为808nm，峰值功率为1500W，直接入射到激光晶体6-2中。
9.根据权利要求1所述的激光再生放大器的脉冲稳定性控制装置，其特征在于所述第五反射镜镀有对1064nm激光的部分透射膜，对1064nm激光透射率T=10%。
10.一种利用权利要求1-9任一权利要求所述装置对激光再生放大器的脉冲稳定性控制的方法，其特征在于所述方法由以下步骤实现：
步骤一：S偏振脉冲串激光经过偏振分光棱镜入射到激光再生放大器中，当电光调Q开关上没有外加电压时，脉冲串激光往返经过电光调Q开关、1/4波片和第一平面镜，激光光学偏振态变为P偏振光，透射经过偏振分光棱镜；
步骤二：将电光调Q开关上加上1/4波电压，当激光再次往返经过电光调Q开关和1/4波片时，偏振态将不发生变化，P偏振脉冲串激光在激光再生放大器中往返传输放大，通过控制电光调Q开关上的1/4波电压时间来控制脉冲往返传输次数；
步骤三：当脉冲串激光在激光再生放大器中往返传输时，LD靶条泵浦激光晶体使其产生反转粒子数，为激光再生放大器提供能量，通过增益调节腔控制激光晶体内的增益大小，实现对不同重复频率脉冲串激光再生放大的脉冲稳定性的控制；
步骤四：当脉冲串激光获得了足够大的增益，将电光调Q开关上的电压撤掉，当激光再生放大器内振荡的P偏振激光再次经过偏振分光棱镜后，电光调Q开关对其偏振态不会产生影响，往返经过1/4波片使P偏振脉冲串激光变为S偏振脉冲串激光，经过偏振分光棱镜后从脉冲串激光再生放大器中输出。
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