CN111106516A - 一种激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光放大器，具体为一种脉冲光纤激光器泵浦的钛宝石激光放大器，包括至少一个泵浦光产生系统，用于发射泵浦光，泵浦光产生系统具有脉冲光纤激光器；啁啾脉冲放大系统，用于在泵浦光激发下对飞秒激光进行放大，啁啾脉冲放大系统具有钛宝石激光放大器，泵浦光作用于所述钛宝石激光放大器；以及时序控制器，时序控制器与泵浦光产生系统以及啁啾脉冲放大系统电连接，用于控制泵浦光产生系统以及啁啾脉冲放大系统中各装置的工作时序，以使得泵浦光及飞秒激光作用于钛宝石激光放大器的时序满足预设时序要求；经该激光放大器放大的飞秒激光具有高能量、高重频，且该放大器实现成本低，更便于推广运用。

Description

一种激光放大器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种激光放大器。

背景技术

啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification，CPA)技术的发明促进了超强超短激光的发展。凭借钛宝石晶体优异的机械特性、热特性和光谱特性，基于钛宝石晶体的激光器和放大器已经成为当今最重要的超强超短脉冲光源之一。

目前钛宝石激光放大器最常用的泵浦源有闪光灯泵浦全固态绿光激光器、半导体泵浦全固态绿光激光器、蓝光/绿光半导体激光器等。

闪光灯泵浦全固态绿光激光器通常的原理是：闪光灯发出的强光泵浦Nd:YAG、Nd:Glass、Nd:YLF等增益介质，产生近1μm的激光，再通过倍频晶体产生用于泵浦钛宝石激光放大器的近0.5μm的绿光。该方式能够低成本地的获得较高脉冲能量绿光泵浦，该泵浦源重频低(10Hz甚至更低)、衰减快、寿命短。

另一种泵浦源是半导体泵浦全固态绿光激光器，其通常原理是：半导体激光泵浦Nd:YVO4、Nd:YAG、Yb:YAG等增益介质，产生近1μm的激光，再通过倍频晶体产生用于泵浦钛宝石激光放大器的近0.5μm绿光。该方式能够获得较高重频，但成本过高。

除了上述方式外，还有采用蓝光或者绿光半导体激光器作为钛宝石激光器泵浦源的尝试。该方式成本很低，但是由于蓝光或者绿光半导体激光器功率过低(＜5W)，且输出为连续或者准连续模式激光，只适合作为钛宝石锁模种子源的泵浦源，输出毫瓦量级激光，无法作为高能量、高功率钛宝石激光放大器的泵浦源。

因此，需要寻找一种高能量、高重频且成本较低的钛宝石激光放大器的理想泵浦源。

发明内容

本发明提供一种激光放大器，用以解决现有技术中钛宝石激光放大器泵浦源重频低、能量低以及成本高中的至少一个技术问题。

本发明第一方面提供一种激光放大器，激光放大器包括：至少一个泵浦光产生系统，用于发射泵浦光，所述泵浦光产生系统具有脉冲光纤激光器；

啁啾脉冲放大系统，用于在所述泵浦光激发下对飞秒激光进行放大，所述啁啾脉冲放大系统具有钛宝石激光放大器，所述泵浦光作用于所述钛宝石激光放大器；以及

时序控制器，所述时序控制器与所述泵浦光产生系统以及所述啁啾脉冲放大系统电连接，用于控制所述泵浦光产生系统以及所述啁啾脉冲放大系统中各装置的工作时序，以使得所述泵浦光及所述飞秒激光作用于所述钛宝石激光放大器的时序满足预设时序要求。

进一步地，所述泵浦光产生系统还包括：

倍频装置，用于将光纤激光器发射的激光束转化为绿激光；

光束整形装置，用于对所述绿激光进行整形并将整形后的绿激光输出至钛宝石激光放大器。

进一步地，所述啁啾脉冲放大系统还包括：

飞秒种子源，用于发射初始飞秒激光至脉冲展宽器；

所述脉冲展宽器，用于将所述初始飞秒激光的脉冲宽度进行展宽，所述初始飞秒激光经展宽后作用于所述钛宝石激光放大器；

脉冲压缩器，用于将经钛宝石激光器放大的飞秒激光进行压缩。

进一步地，所述飞秒种子源还用于在向所述脉冲展宽器发送初始飞秒激光的同时向所述时序控制器发送初始飞秒激光；所述时序控制器用于根据所述初始飞秒激光向所述泵浦光产生系统以及所述啁啾脉冲放大系统中各装置输出同步触发信号以控制所述各装置的工作时序。

优选地，所述光纤激光器为调Q脉冲激光器或MOPA脉冲光纤激光器。

优选地，所述倍频装置为LBO晶体或KTP晶体。

优选地，所述光束整形装置由透镜组、光导管、光纤、阶梯镜组、衍射光学元件中一种或多种组合而成。

优选地，所述飞秒种子源为固体飞秒激光器或光纤飞秒激光器。

优选地，所述脉冲展宽器为光栅、体光栅、光纤光栅、棱镜及光纤中任意一种。

优选地，所述脉冲压缩器为光栅、体光栅及棱镜中的任意一种。

从上述本发明实施例可知，本发明中的激光放大器，包括至少一个具有光纤激光器的泵浦光产生系统、具有钛宝石激光放大器的啁啾脉冲放大系统以及时序控制器。由于光纤激光器可以产生重频高且能量高的泵浦光，经光纤激光器发生的激光进行泵浦的钛宝石放大器可以将初始飞秒激光放大成高重频、高能量的飞秒激光，且光纤激光器成本低，更利于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的激光放大器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的泵浦光产生系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的啁啾脉冲放大系统的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的激光放大器的另一结构示意图；

图5为本申请实施例提供的单一泵浦光产生系统的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的两个泵浦光产生系统双端泵浦的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的两个泵浦光产生系统单端泵浦的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的另一泵浦光产生系统的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的又一泵浦光产生系统的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，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，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动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。

本申请提供了一种激光放大器，用以解决目前钛宝石激光器泵浦源重频低、能量低以及成本高中的至少一个技术问题。如图1所示，为本申请实施例提供的激光放大器的结构示意图，该激光放大器包括：

至少一个泵浦光产生系统110，用于用于发射泵浦光，泵浦光产生系统具有光纤激光器；

啁啾脉冲放大系统120，用于在泵浦光激发下对飞秒激光进行放大，啁啾脉冲放大系统具有钛宝石激光放大器，泵浦光作用于钛宝石激光放大器；以及

时序控制器130，时序控制器与泵浦光产生系统110以及啁啾脉冲放大系统120电连接，用于控制泵浦光产生系统110以及啁啾脉冲放大系统120中各装置的工作时序，以使得泵浦光及飞秒激光作用于钛宝石激光放大器的时序满足预设时序要求。

在本申请实施例中，泵浦光产生系统110具有光纤激光器，光纤激光器发射的激光具有高重频、高能量、相同泵浦光斑具有更小发散角等特点。光纤激光器发射的激光在泵浦光产生系统中经调谐以适合啁啾脉冲放大系统120中钛宝石激光放大器吸收。为能够实现对飞秒激光的放大，需要在飞秒激光作用于钛宝石激光放大器之前使得泵浦光作用于钛宝石激光放大器。即需要实现泵浦光先作用于钛宝石激光放大器，将能量储存于钛宝石激光放大器中，待放大的飞秒激光在泵浦光作用后百纳秒至微妙时间作用于钛宝石激光器。为实现以上时序，采用时序控制器130对泵浦光产生系统110以及啁啾脉冲放大系统120中各装置的工作时序进行控制。

为获得更高能量的飞秒激光，可以使用多组泵浦光产生系统对钛宝石激光放大器进行泵浦。在图1中仅示出2组泵浦光产生系统的一个示例，在实际应用中，根据实际需求，泵浦光产生系统可以是一组，也可以是更多组。多组泵浦光产生系统对钛宝石激光器的泵浦可以是单端泵浦，也可以是对钛宝石激光器进行多端泵浦，此处不作一一描述。作为更优选的，当泵浦光产生系统仅为一组时，也可以通过将钛宝石激光器中的钛宝石晶体的形态选用碟片形态，可以在不加大设备体积的条件下实现多通泵浦，有效提高放大后获得的飞秒激光的能量。

本申请实施例提供的激光放大器，由至少一个包含光纤激光器的泵浦光产生系统、包含钛宝石放大器的啁啾脉冲放大系统以及时序控制器组成，由于光纤激光器发射的激光具有高重频、高能量的特点，光纤激光器发射的激光经调谐后进行泵浦的钛宝石放大器可以有效将待放大的飞秒激光进行放大，得到高重频、高能量的飞秒激光。而且相对于全固态激光器发射的激光作为泵浦源，光纤激光器具有更低的成本，更利于进行工业推广应用。

光纤激光器借助其高转换效率、优异的散热性能、简单的结构、可以直接风冷散热等特点，以及规模化效应，在与全固态激光器同等输出能量水平，特别是百瓦以上功率时，重复频率更高、稳定性更高、成本仅全固态激光器的几分之一。

此外，钛宝石晶体的荧光寿命为3us，使用100ns-3us脉宽的泵浦光即可。闪光灯或者半导体泵浦全固态绿光激光器的输出激光脉冲通常为数十纳秒，小于钛宝石晶体的泵浦脉宽需求，人为增加闪光灯或者半导体泵浦全固态绿光激光器的输出激光脉宽并不能显著地降低成本。但基于光纤激光器特有的结构，尤其对于基于增益调制原理的MOPA脉冲光纤激光器，输出激光脉冲达到100ns-3us时，可以低成本地获得高脉冲能量(100mJ乃至以上)、高重复频率(kHz乃至以上)的激光输出。

基于上述优势，脉冲光纤激光器有望成为钛宝石激光放大器，尤其是高能量、高重频钛宝石激光放大器的理想泵浦源。

进一步地，如图2所示，为本申请实施例提供的泵浦光产生系统110的结构示意图，泵浦光产生系统110除包括光纤激光器111外还包括：

倍频装置112，用于将光纤激光器发射的激光束转化为绿激光；

光束整形装置113，用于对绿激光进行整形并将整形后的绿激光输出至钛宝石激光放大器。

在本申请实施例中，提供了泵浦光产生系统的一种结构，包括光纤激光器111、倍频装置112以及光束整形装置113。此处的结构只提供一种实现的可能，可以理解的是，只需要实现将光纤激光器111发射的激光调谐至适合钛宝石激光器吸收即可，具体结构不作限制。倍频装置112可以是双倍频也可以是多倍频装置，可以根据光纤激光器111实际发射的激光的频率进行选择。光纤激光器111发射的激光经倍频装置112倍频后转化为适合钛宝石激光器吸收的绿光。经倍频后得到的绿光经光束整形装置113进行整形，以满足钛宝石激光放大器的泵浦需求。

进一步地，如图3所示，为本申请实施例提供的啁啾脉冲放大系统的结构示意图。啁啾脉冲放大系统120除包括钛宝石激光放大器123外还包括：

飞秒种子源121，用于发射初始飞秒激光至脉冲展宽器122；

脉冲展宽器122，用于将初始飞秒激光的脉冲宽度进行展宽，初始飞秒激光经展宽后作用于钛宝石激光放大器；

脉冲压缩器124，用于将经钛宝石激光器放大的飞秒激光进行压缩。

在本申请实施例中，飞秒种子源121发射出待放大的初始飞秒激光。初始飞秒激光经脉冲展宽器122进行展宽以得到适合钛宝石激光放大器123的脉冲宽度的激光脉冲。展宽后的激光脉冲经钛宝石放大器123进行放大，获得高能量的激光脉冲。高能量的脉冲激光再经脉冲压缩器124进行压缩，将该高能量的激光脉冲的脉宽压缩至飞秒量级，从而获得了放大的高能量、高重频的飞秒激光。

进一步地，飞秒种子源121还用于在向脉冲展宽器122发送初始飞秒激光的同时向时序控制器130发送初始飞秒激光；

时序控制器130用于根据所述初始飞秒激光向泵浦光产生系统110以及啁啾脉冲放大系统120中各装置输出同步触发信号以控制所述各装置的工作时序。

在本申请实施例中，如图4所示，为本申请实施例提供的激光放大器的另一结构示意图。以一组泵浦光产生系统为例，时序控制器130分别与泵浦光产生系统110中的光纤激光器111以及啁啾脉冲放大系统120的飞秒种子源121连接。时序控制器130通过光电器件接收飞秒种子源发射的飞秒激光，并以此激光作为基准向泵浦光产生系统110以及啁啾脉冲放大系统120输出同步触发信号以控制各装置的工作时序，从而使得光束整形装置发出的泵浦激光先于脉冲展宽器发出的激光脉冲约百纳秒至微秒时间到达钛宝石激光放大器。从而实现对脉冲展宽器输出的激光脉冲的放大。

优选地，光纤激光器为调Q脉冲激光器或MOPA脉冲光纤激光器。

优选地，倍频装置为LBO晶体或KTP晶体。

优选地，光束整形装置由透镜组、光导管、光纤、阶梯镜组、衍射光学元件中一种或多种组合而成。

优选地，飞秒种子源为固体飞秒激光器或光纤飞秒激光器。

优选地，脉冲展宽器为光栅、体光栅、光纤光栅、棱镜及光纤中任意一种。

优选地，脉冲压缩器为光栅、体光栅及棱镜中的任意一种。

本申请实施例提供的激光放大器，采用光纤激光器绿光泵浦钛宝石激光放大器，光纤激光器借助其高转换效率、优异的散热性能、简单的结构、可以直接风冷散热等特点，以及规模化效应，在与全固态激光器同等输出能量水平，特别是百瓦以上功率时，重复频率更高、稳定性更高、成本仅全固态激光器的几分之一。

此外，钛宝石晶体的荧光寿命为3us，使用100ns-3us脉宽的泵浦光即可。基于光纤激光器特有的结构，尤其对于基于增益调制原理的MOPA脉冲光纤激光器，输出激光脉冲达到100ns-3us时，可以低成本地获得高脉冲能量(100mJ乃至以上)、高重复频率(kHz乃至以上)的激光输出。

下面介绍几种泵浦光产生系统的结构以具体说明：

如图5所示，为本申请实施例提供的单一泵浦光产生系统的结构示意图。图中示出光纤激光器111、倍频装置112、光束整形装置113以及钛宝石激光放大器123，其余装置未示出。光纤激光器111产生的高能量、高重频基频激光经倍频装置112转化为符合钛宝石激光器123吸收波长的绿激光，经光束整形装置113调整光斑大小、发散角、能量分布等性能，整形为发满足钛宝石激光放大器123需求的泵浦光，本装置采用单一泵浦光产生系统110单端泵浦的方式将泵浦光耦合至钛宝石激光放大器，使得啁啾脉冲放大系统120在其泵浦下输出高能量、高重频的飞秒激光。

如图6所示，为本申请实施例提供的两个泵浦光产生系统双端泵浦的结构示意图。在图5的基础上，使用两个泵浦光产生系统，通过双端泵浦的方式进一步提高泵浦能量和功率。啁啾脉冲放大系统120在两个泵浦光产生系统110双端泵浦下输出高能量、高重频飞秒激光。当然，可以理解的是，也可以采用多组脉冲光产生系统进行多端泵浦以进一步提高泵浦的能量和功率。从而产生更高能量的飞秒激光。

如图7所示，为本申请实施例提供的两个泵浦光产生系统单端泵浦的结构示意图。在图5的基础上，使用两个泵浦光产生系统，通过单端泵浦的方式进一步提高泵浦能量和功率。啁啾脉冲放大系统120在两个泵浦光产生系统110单端泵浦下输出高能量、高重频飞秒激光。当然，可以理解的是，可以采用多组泵浦光产生系统进行单端泵浦，以进一步提高泵浦的能量和功率。从而产生更高能量的飞秒激光。

如图8所示，为本申请实施例提供的另一泵浦光产生系统的结构示意图。本申请实施例提供的泵浦光产生系统由多组光纤激光器111及倍频装置112与偏振合束装置114、光束整形装置113组成。由于光纤激光器特有的结构，光纤激光器发射的激光能够通过光纤合束的方式将多路激光合成一束，故可以使用成熟光纤合束技术，将多路光纤激光器产生的激光合成一束，以进一步提高泵浦能量和功率。多台光纤激光器111产生的高能量、高重频基频激光分别经倍频装置112倍频后经偏振合束装置114合束成更高能量的泵浦光。产生的更高能量的泵浦光在光束整形装置113整形后采用单端泵浦的方式作用于钛宝石激光放大器123使得啁啾脉冲放大系统120输出更高能量、高重频飞秒激光。可以理解的是，图8示出的是两组光纤激光器发射的激光进行合束，实际运用中可以是多组光纤激光器进行合束。

如图9所示，为本申请实施例提供的又一泵浦光产生系统的结构示意图。本申请实施例在图5的基础上将钛宝石激光器中钛宝石晶体的形态改为碟片，即采用碟片钛宝石激光器125。由于光纤激光的光束质量远优于半导体激光器，同样的泵浦光斑大小时，发散角更小，故相较于半导体激光器泵浦，可以简化泵浦光路难度，采用碟片形态的钛宝石晶体，在有限的体积和成本内，实现更多通泵浦。在本申请实施例中，光纤激光器111产生的高能量、高重频激光经倍频装置112转化为符合钛宝石激光器吸收的绿激光，经光束整形装置113调整光斑大小、发散角、能量分布等性能，整形为满足钛宝石激光器123需求的泵浦光。泵浦光沿一定的倾角入射至碟片钛宝石激光器的钛宝石碟片晶体,然后在反光碗、棱镜或其他类似功能器件的辅助下，多次通过钛宝石碟片晶体。最终使得啁啾脉冲放大系统120输出高能量、高重频飞秒激光。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的技术方案的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种激光放大器，其特征在于，所述激光放大器包括：

至少一个泵浦光产生系统，用于发射泵浦光，所述泵浦光产生系统具有脉冲光纤激光器；

啁啾脉冲放大系统，用于在所述泵浦光激发下对飞秒激光进行放大，所述啁啾脉冲放大系统具有钛宝石激光放大器，所述泵浦光作用于所述钛宝石激光放大器；以及时序控制器，所述时序控制器与所述泵浦光产生系统以及所述啁啾脉冲放大系统电连接，用于控制所述泵浦光产生系统以及所述啁啾脉冲放大系统中各装置的工作时序，以使得所述泵浦光及所述飞秒激光作用于所述钛宝石激光放大器的时序满足预设时序要求。

2.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述泵浦光产生系统还包括：

倍频装置，用于将脉冲光纤激光器发射的激光束转化为绿激光；

光束整形装置，用于对所述绿激光进行整形并将整形后的绿激光输出至钛宝石激光放大器。

3.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述啁啾脉冲放大系统还包括：

飞秒种子源，用于发射初始飞秒激光至脉冲展宽器；

所述脉冲展宽器，用于将所述初始飞秒激光的脉冲宽度进行展宽，所述初始飞秒激光经展宽后作用于所述钛宝石激光放大器；

脉冲压缩器，用于将经钛宝石激光器放大的飞秒激光进行压缩。

4.根据权利要求3所述的激光放大器，其特征在于，所述飞秒种子源还用于在向所述脉冲展宽器发送初始飞秒激光的同时向所述时序控制器发送初始飞秒激光；

所述时序控制器用于根据所述初始飞秒激光向所述泵浦光产生系统以及所述啁啾脉冲放大系统中各装置输出同步触发信号以控制所述各装置的工作时序。

5.根据权利要求1所述的激光放大器，其特征在于，所述光纤激光器为调Q脉冲激光器或MOPA脉冲光纤激光器。

6.根据权利要求2所述的激光放大器，其特征在于，所述倍频装置为LBO晶体或KTP晶体。

7.根据权利要求2所述的激光放大器，其特征在于，所述光束整形装置由透镜组、光导管、光纤、阶梯镜组、衍射光学元件中一种或多种组合而成。

8.根据权利要求3所述的激光放大器，其特征在于，所述飞秒种子源为固体飞秒激光器或光纤飞秒激光器。

9.根据权利要求3所述的激光放大器，其特征在于，所述脉冲展宽器为光栅、体光栅、光纤光栅、棱镜及光纤中任意一种。

10.根据权利要求3所述的激光放大器，其特征在于，所述脉冲压缩器为光栅、体光栅及棱镜中的任意一种。

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