CN109936041A - 一种固体飞秒放大装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体飞秒放大装置及其方法，沿光路依次布置的隔离器、偏振立方体一、旋光器和1/2波片，位于透镜的一侧；透镜的同一侧还布置有全反镜，透镜的另一侧布置有激光晶体，激光晶体的另一侧布置有耦合镜，泵浦源的泵浦光经耦合系统和耦合镜入射至激光晶体，偏振立方体一的反射输出光路上依次布置偏振立方体二、1/4波片和体光栅。采用固体放大技术，有效提升放大器输出单脉冲能量；采用四程行波放大技术有效提升放大器增益，可轻松获得几十瓦放大光输出；泵浦方式采用端面泵浦，种子脉冲和泵浦光空间重合度高，输出光脉冲光束质量优异；脉冲压缩方案采用基于体光栅压缩技术，用一个器件就可完成高质量脉冲压缩，提升功率输出效率。

Description

一种固体飞秒放大装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种固体飞秒放大装置及其方法。

背景技术

目前，飞秒激光器以其极高的峰值功率、窄的脉冲宽度，在材料精细微加工、半导体行业、太阳能光伏、科学研究等领域得到了广泛的应用。飞秒激光用于材料加工时，极短持续时间的光脉冲与物质相互作用，能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，材料热效应得到很好的控制，相对于纳秒和皮秒激光，采用飞秒激光加工材料，具有精度高、热影响区域小、加工边缘无毛刺等优点。飞秒脉冲峰值功率非常高，直接放大很容易引起放大器器件损坏，因此飞秒激光器通常采用啁啾脉冲放大技术(CPA)，即先利用展宽器将种子光脉冲展宽至几百皮秒甚至纳秒量级，然后输入放大器进行脉冲放大。放大器输出的脉冲再通过脉冲压缩器，将百皮秒输出脉冲压缩至飞秒量级输出。

目前飞秒激光器中的放大器技术主要分为三种，一种是基于光纤放大技术，比如国外的IMRA、NKT公司，国内的安扬激光等；一种是基于再生放大的固体放大器技术，比如国外的Trumpf、Lightconversion公司等；还有一种是基于固体板条放大器技术，如Edgewave公司。

脉冲压缩方案主流技术有两种，一种是基于反射光栅对方案，另一种是基于透射光栅对方案，因为要引入足够的色散，光栅对之间的距离会很大，因此会占用很大一部分空间。另外，为了获得好的脉冲压缩质量，准直要求很高。同时光栅对的方案要4次经过光栅，尽管单次光栅的衍射效率能达到90％，4次通过后，效率只有70％，因此功率损耗比较大。

另外，光纤放大器优点是输出功率高，放大增益高(>10⁹)，结构简单稳定，制作成本相对较低，缺陷是受光纤非线性影响，无法获得高脉冲能量输出，单脉冲能量通常<100uJ。另外，受光纤非线性效应影响，压缩后的脉冲质量不高。再生放大器优点是，放大器增益高，很容易获得>200uJ单脉冲能量输出，缺陷是放大腔结构复杂，对脉冲时序要求非常严格，同时需要加入电光腔倒空功能，制作难度大，成本高，稳定性不容易控制。板条放大器优点是，放大增益高，结构简单，能够获得较高单脉冲能量输出(>200uJ)，但是因为泵浦光和种子光空间重合度差，放大器输出激光光束质量和光斑圆度较差，很多应用受限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种固体飞秒放大装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种固体飞秒放大装置，特点是：包含隔离器、偏振立方体一、旋光器、1/2波片、透镜、激光晶体、耦合镜、全反镜、偏振立方体二、1/4波片以及体光栅，沿光路依次布置的隔离器、偏振立方体一、旋光器和1/2波片，位于透镜的一侧；透镜的同一侧还布置有全反镜，透镜的另一侧布置有激光晶体，激光晶体的另一侧布置有耦合镜，泵浦源的泵浦光经耦合系统和耦合镜入射至激光晶体，偏振立方体一的反射输出光路上依次布置偏振立方体二、1/4波片和体光栅。

进一步地，上述的一种固体飞秒放大装置，其中，所述泵浦源是波长为940nm、970nm、980nm波段，输出功率为30W～200W的泵浦源。

进一步地，上述的一种固体飞秒放大装置，其中，所述激光晶体为Yb:YAG激光晶体、Yb:KGW激光晶体或Yb:KYW激光晶体。

进一步地，上述的一种固体飞秒放大装置，其中，所述激光晶体的晶体掺杂浓度为2％～10％，输出波长为1030nm～1040nm。

进一步地，上述的一种固体飞秒放大装置，其中，所述体光栅的长度为30mm～100mm，色散为-20ps/nm～-100ps/nm。

进一步地，上述的一种固体飞秒放大装置，其中，所述透镜为平凸透镜，透镜凸面面对激光晶体，透镜焦距为100mm～500mm。

进一步地，上述的一种固体飞秒放大装置，其中，所述耦合系统由两个平凸透镜组合构成，两个透镜前后依次安装在圆形安装筒内。

本发明固体飞秒放大方法，其特征在于：垂直方向偏振的种子光脉冲经隔离器和偏振立方体一后，经过旋光器偏振态旋转45°，再通过1/2波片，将偏振态再次调整到垂直方向偏振，继而经过透镜将种子光脉冲入射至激光晶体内，实现单次放大，泵浦源泵浦光经耦合系统和耦合镜入射到激光晶体内，实现粒子数反转，耦合镜将放大后的光脉冲再次反射到激光晶体内，实现第二次放大，放大后的脉冲再次经过透镜，被全反镜原光路返回至激光晶体内，先后实现第三次和第四次放大；四次放大后的光脉冲再次经过1/2波片、旋光器、此时偏振态为水平方向偏振，经过偏振立方体一后，被反射进入偏振立方体二，然后经过1/4波片后，光脉冲偏振态为圆偏振光，随后两次经体光栅进行脉冲压缩后沿原光路返回，再次经过1/4波片后，光脉冲偏振态为垂直方向偏振，随后经偏振立方体二后被反射输出。

更进一步地，上述的一种固体飞秒放大方法，其中，泵浦源的泵浦光波长为940nm、970nm、980nm波段，输出功率为30W～200W。

更进一步地，上述的一种固体飞秒放大方法，其中，体光栅的色散为-20ps/nm～-100ps/nm。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

①采用固体放大技术，有效提升放大器输出单脉冲能量，固体放大器可承受很高峰值功率，很容易获得>200uJ，甚至mJ量级飞秒脉冲输出；

②采用四程行波放大技术有效提升放大器增益，可轻松获得几十瓦放大光输出，避免采用再生放大技术导致的系统复杂且稳定性差问题；

③泵浦方式采用端面泵浦，种子脉冲和泵浦光空间重合度高，放大后，输出光脉冲光束质量优异，光束质量控制明显优于板条放大技术；结构简单，容易制作和维护；

④脉冲压缩方案采用基于体光栅压缩技术，只用一个器件就可完成高质量的脉冲压缩，相比于常规的光栅对压缩方案，占用空间极少，且只有单一器件，光路无需严格准直；有效简化设计，提升系统的集成度，相比传统的光栅对方案，提升了功率输出效率，可达到90％以上，减小功率损耗；

⑤可适用于其他超快激光器中，解决单脉冲能量输出低、系统复杂不稳定、光束质量不好控制等问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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：本发明的光路结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

具体实施方式

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。

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。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，一种固体飞秒放大装置，包含隔离器1、偏振立方体一2、旋光器3、1/2波片4、透镜5、激光晶体6、耦合镜7、全反镜10、偏振立方体二11、1/4波片12以及体光栅13，沿光路依次布置的隔离器1、偏振立方体一2、旋光器3和1/2波片4，位于透镜5的一侧；透镜5的同一侧还布置有全反镜10，透镜5的另一侧布置有激光晶体6，激光晶体6的另一侧布置有耦合镜7，泵浦源9的泵浦光经耦合系统8和耦合镜7入射至激光晶体6，偏振立方体一2的反射输出光路上依次布置偏振立方体二11、1/4波片12和体光栅13。

其中，泵浦源9是波长为940nm、970nm、980nm波段，输出功率为30W～200W的泵浦源。

激光晶体6为Yb:YAG激光晶体、Yb:KGW激光晶体或Yb:KYW激光晶体，晶体掺杂浓度为2％～10％，输出波长为1030nm～1040nm。

体光栅13的长度为30mm～100mm，色散为-20ps/nm～-100ps/nm。

透镜5的焦距为100mm～500mm。

耦合系统8由两个平凸透镜组合，两个透镜前后依次安装在圆形安装筒内，平凸透镜一和平凸透镜二平面分别面对光纤端面和激光晶体；耦合系统8实现将光纤输出200um～400um直径泵浦光耦合进激光晶体，激光晶体内部泵浦光斑大小为200um到400um。

隔离器1用于防止种子被放大器返回反射光打坏。

采用固体放大技术，有效提升了放大器输出单脉冲能量，采用四程行波放大技术有效提升放大器增益，避免采用再生放大技术导致的系统复杂且稳定性差问题；泵浦方式采用端面泵浦，种子脉冲和泵浦光空间重合度高，输出光脉冲光束质量优异，光束质量控制明显优于板条放大技术。

脉冲压缩方案采用体光栅，有效简化了设计，减小占用空间，并提升系统的集成度，同时相比传统的光栅对方案，提升了功率输出效率，减小功率损耗。

具体应用时，垂直方向偏振的种子光脉冲经隔离器1和偏振立方体一2后，经过旋光器3偏振态旋转45°，再通过1/2波片4，将偏振态再次调整到垂直方向偏振，继而经过透镜5将种子光脉冲入射至激光晶体6内，实现单次放大，泵浦源9泵浦光经耦合系统8和耦合镜7入射到激光晶体6内，实现粒子数反转，耦合镜7将放大后的光脉冲再次反射到激光晶体6内，实现第二次放大，放大后的脉冲再次经过透镜5，被全反镜10原光路返回至激光晶体6内，先后实现第三次和第四次放大；四次放大后的光脉冲再次经过1/2波片4、旋光器3、此时偏振态为水平方向偏振，经过偏振立方体一2后，被反射进入偏振立方体二11，然后经过1/4波片12后，光脉冲偏振态为圆偏振光，随后两次经体光栅13进行脉冲压缩后沿原光路返回，再次经过1/4波片12后，光脉冲偏振态为垂直方向偏振，随后经偏振立方体二11后被反射输出。

采用端面泵浦固体多程行波放大，固体放大器可以承受很高峰值功率，很容易获得>200uJ、甚至mJ量级飞秒脉冲输出；采用四程行波放大器，有效提升放大器输出增益，可以轻松获得几十瓦放大光输出；泵浦光和种子光重合度高，放大后，输出光束质量优异；结构简单，容易制作和维护。

脉冲压缩装置采用基于体光栅压缩技术的方案，只用一个器件就可以完成高质量的脉冲压缩，相比于常规的光栅对压缩方案，占用空间极少，且只有单一器件，光路无需严格准直；另外，体光栅压缩脉冲输出功率效率可以达到90％以上，采用常规的光栅对方案，其效率只有70％。

本发明装置也可适用于其他超快激光器中，解决单脉冲能量输出低、系统复杂不稳定、光束质量不好控制等问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。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。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到变化或替换，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以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种固体飞秒放大装置，其特征在于：包含隔离器(1)、偏振立方体一(2)、旋光器(3)、1/2波片(4)、透镜(5)、激光晶体(6)、耦合镜(7)、全反镜(10)、偏振立方体二(11)、1/4波片(12)以及体光栅(13)，沿光路依次布置的隔离器(1)、偏振立方体一(2)、旋光器(3)和1/2波片(4)，位于透镜(5)的一侧；透镜(5)的同一侧还布置有全反镜(10)，透镜(5)的另一侧布置有激光晶体(6)，激光晶体(6)的另一侧布置有耦合镜(7)，泵浦源(9)的泵浦光经耦合系统(8)和耦合镜(7)入射至激光晶体(6)，偏振立方体一(2)的反射输出光路上依次布置偏振立方体二(11)、1/4波片(12)和体光栅(13)。

2.根据权利要求1所述的一种固体飞秒放大装置，其特征在于：所述泵浦源(9)是波长为940nm、970nm、980nm波段，输出功率为30W～200W的泵浦源。

3.根据权利要求1所述的一种固体飞秒放大装置，其特征在于：所述激光晶体(6)为Yb:YAG激光晶体、Yb:KGW激光晶体或Yb:KYW激光晶体。

4.根据权利要求3所述的一种固体飞秒放大装置，其特征在于：所述激光晶体(6)的晶体掺杂浓度为2％～10％，输出波长为1030nm～1040nm。

5.根据权利要求1所述的一种固体飞秒放大装置，其特征在于：所述体光栅(13)的长度为30mm～100mm，色散为-20ps/nm～-100ps/nm。

6.根据权利要求1所述的一种固体飞秒放大装置，其特征在于：所述透镜(5)为平凸透镜，透镜凸面面对激光晶体，透镜焦距为100mm～500mm。

7.根据权利要求1所述的一种固体飞秒放大装置，其特征在于：所述耦合系统(8)由两个平凸透镜组合构成，两个透镜前后依次安装在圆形安装筒内。

8.权利要求1所述的装置实现固体飞秒放大方法，其特征在于：垂直方向偏振的种子光脉冲经隔离器(1)和偏振立方体一(2)后，经过旋光器(3)偏振态旋转45°，再通过1/2波片(4)，将偏振态再次调整到垂直方向偏振，继而经过透镜(5)将种子光脉冲入射至激光晶体(6)内，实现单次放大，泵浦源(9)泵浦光经耦合系统(8)和耦合镜(7)入射到激光晶体(6)内，实现粒子数反转，耦合镜(7)将放大后的光脉冲再次反射到激光晶体(6)内，实现第二次放大，放大后的脉冲再次经过透镜(5)，被全反镜(10)原光路返回至激光晶体(6)内，先后实现第三次和第四次放大；四次放大后的光脉冲再次经过1/2波片(4)、旋光器(3)、此时偏振态为水平方向偏振，经过偏振立方体一(2)后，被反射进入偏振立方体二(11)，然后经过1/4波片(12)后，光脉冲偏振态为圆偏振光，随后两次经体光栅(13)进行脉冲压缩后沿原光路返回，再次经过1/4波片(12)后，光脉冲偏振态为垂直方向偏振，随后经偏振立方体二(11)后被反射输出。

9.根据权利要求8所述的一种固体飞秒放大方法，其特征在于：泵浦源(9)的泵浦光波长为940nm、970nm、980nm波段，输出功率为30W～200W。

10.根据权利要求8所述的一种固体飞秒放大方法，其特征在于：体光栅(13)的色散为-20ps/nm～-100ps/nm。