CN109586151A - 一种高功率大能量飞秒激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率大能量飞秒激光器，包括用于产生种子光的飞秒激光振荡器、脉冲选择器、第一光隔离器、光衰减器、全反镜、第一输入耦合系统、第一增益介质、提供第一泵浦光的第一激光二极管、第一泵浦耦合系统、准直系统、第二光隔离器、第二输入耦合系统、第二增益介质、提供第二泵浦光的第二激光二极管、第二泵浦耦合系统和输出耦合系统。本发明结构紧凑简单，成本较低。本发明将Yb:YAG的高掺杂特性与增益介质结构相结合，设计种子光在热布居“漂白”区域传输，避免激光下能级热布居造成的损耗，实现高增益、高功率的飞秒激光放大，保证系统的简洁高效。本发明的结构克服了准三能级的Yb:YAG难以实现高增益放大的不足。

Description

一种高功率大能量飞秒激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种高功率大能量飞秒激光器。
背景技术
高功率飞秒激光(τ<1ps)，在工业应用方面和基础科学研究方面均有重要的应用价值。过去二十年来，随着固体激光器的发展，飞秒激光器的研究以及应用得到了飞速发展。尽管如此，受限于半导体可饱和吸收体(SESAM)的损伤阈值，通常采用谐振腔结构仍难以实现高功率的飞秒激光输出，高功率飞秒激光器大都采用主振荡功率放大(MOPA)结构。在飞秒激光放大过程中，面临的问题是如何保证激光器同时实现高功率、高亮度以及高峰值功率。
目前，高功率飞秒激光器主要基于薄片、光纤以及Innoslab结构的放大器实现。
尽管基于薄片、光纤以及Innoslab技术的高功率飞秒激光器已经取得了飞速发展，但是系统相对复杂，价格也比较昂贵。
薄片激光器过短的吸收路径以及增益长度，需要采用多通泵浦结构实现高效泵浦吸收以及再生放大系统获得有效提取；另外，受限于再生放大系统中普克尔斯盒低的调制电压频率，薄片难以实现高重复频率飞秒激光的高增益放大。
光纤放大器增益较高，其面临的最大问题是纤芯的横截面较小(尽管光子晶体光纤的纤芯可以到4000μm2)，在飞秒激光放大过程中受限于光纤中的非线性效应(如自聚焦、自相位调制等)以及光纤自身的损伤，需要采用啁啾脉冲放大技术获得高功率以及大能量的输出，这使系统庞大且复杂。
Innoslab板条放大器单通增益较低，需要将信号光以大量的通数往返经过板条放大，内部光路复杂。
还有一种方法为利用Yb:YAG制造高增益的激光器，但是Yb:YAG最大的不足是其为准三能级结构，通常难以同时实现高掺杂及长的增益介质厚度。因为其下激光能级存在一定的热布居，在泵浦较弱的区域不能建立有效的粒子数反转,反而造成激光的损耗。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种高功率大能量飞秒激光器。
本发明的首要目的是实现一种结构简单紧凑、可靠性高的高功率大能量飞秒激光器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种高功率大能量飞秒激光器，包括用于产生种子光的飞秒激光振荡器、脉冲选择器、第一光隔离器、光衰减器、全反镜、第一输入耦合系统、第一增益介质、提供泵浦光的第一激光二极管、第一泵浦耦合系统、准直系统、第二光隔离器、第二输入耦合系统、第二增益介质、提供泵浦光的第二激光二极管、第二泵浦耦合系统和输出耦合系统，其中：
飞秒激光器的各部件位于同一水平面；
沿飞秒激光振荡器产生的种子光传播方向，依次设置有脉冲选择器、第一光隔离器、光衰减器和全反镜；
全反镜反射种子光，使沿种子光反射后的传播方向经输入耦合系统后掠入射于第一增益介质，且设计使种子光始终在热布居“漂白”区域传输，以避免激光下能级热布居造成的损耗；
种子光从第一增益介质出射后，沿种子光传播方向，依次设置有准直系统、第二光隔离器和第二输入耦合系统；
第二输入耦合系统输出的种子光掠入射于第二增益介质，从第二增益介质出射的种子光经输出耦合系统后为输出光，且设计使种子光始终在热布居“漂白”区域传输，以避免激光下能级热布居造成的损耗；
第一激光二极管提供的泵浦光经第一泵浦耦合系统输入至第一增益介质中；第二激光二极管提供的泵浦光经第二泵浦耦合系统输入至第二增益介质中；
上述方案中，飞秒振荡器出来的种子光经过脉冲选择器，降低脉冲重复频率，获得实际工作需要的频率，提升放大脉冲的能量；再经过第一光隔离器，防止后向反射的光对飞秒激光器造成损伤；再经过光衰减器，调节种子光输入功率；再经全反镜反射，调节种子光掠入射角度；经第一输入耦合系统，保证种子光与泵浦光实现较好的模式交叠；进入第一增益介质实现高增益放大；再经准直系统，以控制进入第二光隔离器的光斑尺寸大小；经第二光隔离器，防止后向反射的光对前级器件造成损伤；再经第二输入耦合系统，保证种子光与泵浦光实现较好的模式交叠；最后经输出耦合系统，得到想要的输出光光斑尺寸；其中第一激光二极管提供第一泵浦光经第一泵浦耦合系统输入至第一增益介质，实现第一增益介质内的粒子数反转，第二激光二极管提供第二泵浦光经第二泵浦耦合系统输入至第二增益介质，实现第二增益介质内的粒子数反转。
优选地，第一输入耦合系统包括第一水平方向柱透镜和第一垂直方向柱透镜，第二输入耦合系统包括第二水平方向柱透镜和第二垂直方向柱透镜，保证种子光与泵浦光实现较好的模式交叠；
优选地，第一增益介质为泵浦端面键合不掺杂YAG的高掺杂Yb:YAG增益介质，为一长方体，其中：
接收泵浦光的一面为前表面，称为第一泵浦面，第一泵浦面上镀有第一泵浦光增透膜，与第一泵浦面对应的后表面打毛处理；
种子光掠入射与出射的两个侧面为第一激光通光面，第一激光通光面根据掠入射角度均镀有第一激光波长增透膜；
上下两个表面与热沉接触，称为冷却面，实现散热；
第二增益介质为泵浦端面键合不掺杂YAG的高掺杂Yb:YAG增益介质，为一长方体，其中：
接收泵浦光的一面为前表面，称为第二泵浦面，第二泵浦面上镀有第二泵浦光增透膜，与第二泵浦面对应的后表面打毛处理；
种子光掠入射与出射的两个侧面为第二激光通光面，第二激光通光面根据掠入射角度均镀有第二激光波长增透膜；
上下两个表面与热沉接触，称为第二冷却面，实现散热。
Yb3+离子具有较宽的发射谱线，可以满足飞秒激光放大过程中的谱线带宽要求；Yb3+离子在1030nm发射峰具有较高的斯托克斯效率以及较低的量子亏损，热效应较小。在所有商用的掺Yb3+离子增益介质中，Yb:YAG具有最大的受激发射截面、最低的饱和强度以及最佳的热传导率。Yb:YAG的一个优势是可以实现Yb3+离子高掺杂，通过高掺杂Yb:YAG掠入射板条大的侧面泵浦光斑以及高掺杂板条对泵浦光的强烈吸收(如10at.％，吸收系数～12cm-1)，可以在泵浦面附近形成一段较长的具有恒定高反转粒子密度的区域。结合Yb:YAG相对较大的受激发射截面(2.1×10-20cm2)，并保证种子光始终在热布居“漂白”区域传输避免激光下能级热布居造成的损耗，高掺杂Yb:YAG掠入射板条可以实现高增益、高功率飞秒激光放大。泵浦端面键合不掺杂的YAG可以有效降低晶体内的温度，提高放大器增益，减少端面应力形变，有效减小板条内热致折射率变化与板条泵浦端面的应力形变对放大激光光束质量的影响，并提高增益。其中第一增益介质实现高增益放大，第二增益介质实现高功率放大(高效率提取)，能灵活适应不同飞秒种子光注入条件。如在小信号注入时(预放大级)，保持泵浦光的高吸收系数实现高增益；在注入脉冲能量较大时(主放大级)，通过降低泵浦光的吸收系数(如调节泵浦光中心波长)实现大尺寸种子光提取(种子光与泵浦光交叠面积比固定以保证提取效率)，避免损伤和非线性效应。
优选地，第一激光二极管和第二激光二极管均为940nm激光二极管，均发出940nm的泵浦光。
优选地，第一激光二极管和第二激光二极管均为单Bar条或激光二极管叠阵，选择连续输出或者脉冲输出。
优选地，第一泵浦耦合系统包括第三水平方向柱透镜和第三垂直方向柱透镜，第二泵浦耦合系统包括第四水平柱透镜和第四垂直方向柱透镜；
水平方向柱透镜控制泵浦光在板条泵浦面水平方向尺寸，垂直方向柱透镜控制泵浦光在板条泵浦面垂直方向尺寸。
优选地，输出耦合系统包括第五水平方向透镜柱和第五垂直方向透镜柱。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1.本发明与现有的高功率大能量飞秒激光器相比，结构紧凑简单，成本较低。本发明将Yb:YAG的高掺杂特性与增益介质结构相结合，设计种子光在热布居“漂白”区域传输，避免激光下能级热布居造成的损耗，实现高增益、高功率的飞秒激光放大，保证系统的简洁高效。本发明的结构克服了准三能级的Yb:YAG难以实现高增益放大的不足。
2.本发明与现有的高功率大能量飞秒激光器相比，更为灵活易用。本发明能灵活适应不同飞秒种子光注入条件。如在小信号注入时(预放大级)，保持泵浦光的高吸收系数实现高增益；在注入脉冲能量较大时(主放大级)，通过降低泵浦光的吸收系数(如调节泵浦光中心波长)实现大尺寸种子光提取(种子光与泵浦光交叠面积比固定以保证提取效率)，避免损伤和非线性效应。
附图说明
图1为一种高功率大能量飞秒激光器的结构及其光路示意图；
图2为增益介质的结构示意图；
图3为激光光束在增益介质内部热布居“漂白”区域传输示意图；
图中，1为飞秒激光振荡器，2为脉冲选择器，3为第一光隔离器，4为光衰减器，5为全反镜，6为第一输入耦合系统，7为第一增益介质，8为第一泵浦光，9为第一泵浦耦合系统，10为第一激光二极管，11为准直系统，12为第二光隔离器，13为第二输入耦合系统，14为第二增益介质，15为第二泵浦光，16为第二泵浦耦合系统，17为第二激光二极管，18为输出耦合系统，19为Yb:YAG/YAG，20为激光光束，21为冷却面，22为通光面，23为泵浦面，24为冷却面，25为泵浦光。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种高功率大能量飞秒激光器，如图1，包括用于产生种子光的飞秒激光振荡器1、脉冲选择器2、第一光隔离器3、光衰减器4、全反镜5、第一输入耦合系统6、第一增益介质7、提供第一泵浦光8的第一激光二极管10、第一泵浦耦合系统9、准直系统11、第二光隔离器12、第二输入耦合系统13、第二增益介质14、提供第二泵浦光15的第二激光二极管17、第二泵浦耦合系统16和输出耦合系统18，其中：
飞秒激光器的各部件位于同一水平面；
沿飞秒激光振荡器1产生的种子光传播方向，依次设置有脉冲选择器2、第一光隔离器3、光衰减器4和全反镜5；
全反镜5反射种子光，使沿种子光反射后的传播方向经输入耦合系统后掠入射于第一增益介质7；
种子光从第一增益介质7出射后，沿种子光传播方向，依次设置有准直系统11、第二光隔离器12和第二输入耦合系统13；
第二输入耦合系统13输出的种子光掠入射于第二增益介质14，从第二增益介质14出射的种子光经输出耦合系统18后为输出光；
第一激光二极管10提供的泵浦光经第一泵浦耦合系统9输入至第一增益介质7中；第二激光二极管17提供的泵浦光经第二泵浦耦合系统16输入至第二增益介质14中。
第一输入耦合系统6包括第一水平方向柱透镜和第一垂直方向柱透镜，第二输入耦合系统13包括第二水平方向柱透镜和第二垂直方向柱透镜，
第一增益介质7和第二增益介质14的具体结构如图2所示，均为Yb：YAG/YAG19，接收泵浦光25的一面为前表面，称为泵浦面23，泵浦面23上镀有泵浦光增透膜，与泵浦面23对应的后表面打毛处理；
激光光束20掠入射与出射的两个侧面为通光面22，通光面22根据掠入射角度镀有激光波长增透膜；
上下两个表面与热沉接触，称为冷却面24，实现散热。
第一激光二极管10和第二激光二极管17均为940nm激光二极管，均发出940nm的泵浦光。
第一激光二极管10和第二激光二极管17均可为单Bar条或垂直方向二极管叠阵列，可选择连续输出或脉冲输出。
第一泵浦耦合系统9包括第三水平方向柱透镜和第三垂直方向柱透镜，第二泵浦耦合系统16包括第四水平柱透镜和第四垂直方向柱透镜。
输出耦合系统18包括第五水平方向透镜柱和第五垂直方向透镜柱。
在具体实施过程中，从飞秒激光振荡器发出的种子光经脉冲选择器2，降低脉冲重复频率，获得实际工作需要的频率，提升放大脉冲的能量，经第一光隔离器3，防止后向反射的光对飞秒激光器造成损伤，经光衰减器4，调节种子光的输入功率，经全反镜5反射，调节种子光掠入射的角度，经第一输入耦合系统6，实现种子光与第一激光二极管10发出的第一泵浦光8较好的模式交叠，经第一增益介质7实现高功率放大，并且设计种子光在热布居漂白区域传输(如图3所示)，再经准直系统11，控制光斑进入第二光隔离器12，经第二光隔离器12，防止后向反射的光对前级器件造成损伤，经第二输入耦合系统13，实现第二激光二极管17发出的第二泵浦光15较好的模式交叠，经输出耦合系统18后输出想要的激光光斑尺寸。
实施例2
本实施例与实施例1类似，第一激光二极管10和第二激光二极管17均为垂直方向二极管叠阵列，选择脉冲输出。
在具体实施过程中，从飞秒激光振荡器发出的种子光经脉冲选择器2，降低脉冲重复频率，获得实际工作需要的频率，提升放大脉冲的能量，经第一光隔离器3，防止后向反射的光对飞秒激光器造成损伤，经光衰减器4，调节种子光的输入功率，经全反镜5反射，调节种子光掠入射的角度，经第一输入耦合系统6，实现种子光与第一激光二极管10发出的第一泵浦光8较好的模式交叠，经第一增益介质7实现高功率放大，并且设计种子光在热布居漂白区域传输，再经准直系统11，控制光斑进入第二光隔离器12，经第二光隔离器12，防止后向反射的光对前级器件造成损伤，经第二输入耦合系统13，实现第二激光二极管17发出的第二泵浦光15较好的模式交叠，经输出耦合系统18后输出想要的激光光斑尺寸。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，用于产生种子光的飞秒激光振荡器、脉冲选择器、第一光隔离器、光衰减器、全反镜、第一输入耦合系统、第一增益介质、提供第一泵浦光的第一激光二极管、第一泵浦耦合系统、准直系统、第二光隔离器、第二输入耦合系统、第二增益介质、提供第二泵浦光的第二激光二极管、第二泵浦耦合系统和输出耦合系统，其中：
所述飞秒激光器的各部件位于同一水平面；
沿所述飞秒激光振荡器产生的种子光传播方向，依次设置有所述脉冲选择器、第一光隔离器、光衰减器和全反镜；
所述全反镜反射种子光，使沿种子光反射后的传播方向经所述输入耦合系统后掠入射于所述第一增益介质；
种子光从所述第一增益介质出射后，沿种子光传播方向，依次设置有所述准直系统、第二光隔离器和第二输入耦合系统；
所述第二输入耦合系统输出的种子光掠入射于所述第二增益介质，从所述第二增益介质出射的种子光经输出耦合系统后为输出光；
所述第一激光二极管提供的第一泵浦光经所述第一泵浦耦合系统输入至第一增益介质中；所述第二激光二极管提供的第二泵浦光经所述第二泵浦耦合系统输入至第二增益介质中。
2.根据权利要求1所述的高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，所述第一输入耦合系统包括第一水平方向柱透镜和第一垂直方向柱透镜，所述第二输入耦合系统包括第二水平方向柱透镜和第二垂直方向柱透镜。
3.根据权利要求1所述的高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，所述第一增益介质为泵浦端面键合不掺杂YAG的高掺杂Yb:YAG增益介质，为一长方体，其中：
接收泵浦光的一面为前表面，称为第一泵浦面，所述第一泵浦面上镀有第一泵浦光增透膜，与所述第一泵浦面对应的后表面打毛处理；
种子光掠入射与出射的两个侧面为第一激光通光面，所述第一激光通光面根据掠入射角度均镀有第一激光波长增透膜；
上下两个表面与热沉接触，称为第一冷却面，实现散热。
4.根据权利要求1所述的高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，所述第二增益介质为泵浦端面键合不掺杂YAG的高掺杂Yb:YAG增益介质，为一长方体，其中：
接收泵浦光的一面为前表面，称为第二泵浦面，所述第二泵浦面上镀有第二泵浦光增透膜，与所述第二泵浦面对应的后表面打毛处理；
种子光掠入射与出射的两个侧面为第二激光通光面，所述第二激光通光面根据掠入射角度均镀有第二激光波长增透膜；
上下两个表面与热沉接触，称为第二冷却面，实现散热。
5.根据权利要求1所述的高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，所述第一激光二极管和第二激光二极管均为940nm激光二极管，均发出940nm的泵浦光。
6.根据权利要求5所述的高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，所述第一激光二极管和第二激光二极管均可为单Bar条或垂直方向二极管叠阵列，可选择连续输出或脉冲输出。
7.根据权利要求1所述的高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，所述第一泵浦耦合系统包括第三水平方向柱透镜和第三垂直方向柱透镜，所述第二泵浦耦合系统包括第四水平柱透镜和第四垂直方向柱透镜。
8.根据权利要求1所述的高功率大能量飞秒激光器，其特征在于，所述输出耦合系统包括第五水平方向透镜柱和第五垂直方向透镜柱。
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