CN112490838B - 再生放大谐振腔及应用其的激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种再生放大谐振腔及应用其的激光器系统。该再生放大谐振腔包括：双保罗棱镜腔，包括：在再生放大谐振腔两侧分别设置的第一保罗棱镜和第二保罗棱镜；角锥棱镜，设置于双保罗棱镜腔内；调Q晶体，设置于双保罗棱镜腔内；泵浦放大模块，设置于双保罗棱镜腔内；第一偏振片和第二偏振片，设置于双保罗棱镜腔内。本发明在再生放大谐振腔中，角锥棱镜和保罗的组合，具有在长腔条件下，再生放大腔谐振腔抗失谐不灵敏，实现全角度全方位抗失谐的优点。

Description

再生放大谐振腔及应用其的激光器系统
技术领域
本发明涉及光学行业激光器技术领域，尤其涉及一种再生放大谐振腔及应用其的激光器系统。
背景技术
超短脉冲具有皮秒和飞秒量级的脉冲宽度，高的重复频率和高的峰值功率等特点，在物理、生物学、医学、激光光谱学、光通讯和激光精细加工等众多领域具有广泛的用途。超短脉冲的产生通过锁模来实现。但是，通过锁模实现的单脉冲能量比较低，一般会再通过再生放大技术进行放大，以提供更高的单脉冲能量。再生放大是通过再生放大谐振腔来实现。而再生放大谐振腔的腔长较长，通常情况下在1.8米以上，有些甚至能达到几十米。
然而，在实现本发明的过程中，申请人发现传统的再生放大谐振腔存在长腔情况下，抗失谐性能对角度和方位敏感的缺陷。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明以期至少部分地解决以上技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
为了实现如上目的，本发明提供了一种再生放大谐振腔。该再生放大谐振腔包括：
双保罗棱镜腔，包括：在再生放大谐振腔两侧分别设置的第一保罗棱镜和第二保罗棱镜；
角锥棱镜，设置于双保罗棱镜腔内；
调Q晶体，设置于双保罗棱镜腔内；
泵浦放大模块，设置于双保罗棱镜腔内；
第一偏振片和第二偏振片，设置于双保罗棱镜腔内；
其中，种子光经由第一偏振片进入再生放大谐振腔，由第一保罗棱镜反射；由第一偏振片和第二偏振片反射至角锥棱镜，由角锥棱镜反射；再由第二保罗棱镜射回，从而在再生放大谐振腔内形成振荡；调Q晶体实现再生放大谐振腔的开门和关门；泵浦放大模块为种子光在再生放大谐振腔内多程振荡放大提供能量。
在本发明的一些实施例中，第一保罗棱镜和第二保罗棱镜正交放置；第一偏振片和第二偏振片竖直放置，被设置为水平偏振光透过，竖直偏振光反射；角锥棱镜正放置(按两全反射点对称反射放置)，入射光偏振方向为水平方向，入射方向与角锥的面夹角54.4°，经过角锥棱镜后出射光和入射光保持始终平行。
在本发明的一些实施例中，还包括：第一保罗补偿波片，为0.57波片或0.43波片，设置于再生放大谐振腔内第一保罗棱镜的内侧；第二保罗补偿波片，为0.57波片或0.43波片，设置于再生放大谐振腔内第二保罗棱镜的内侧；角锥补偿波片，为二分之一波片，设置于光路中角锥棱镜的上游侧或下游侧。
在本发明的一些实施例中，当工作波段处于红外波段时，角锥棱镜、第一保罗棱镜、第二保罗棱镜采用石英、BK7或者YAG材质；或当工作波段处于中波波段时，角锥棱镜、第一保罗棱镜、第二保罗棱镜采用硫化锌和氟化钙。
在本发明的一些实施例中，角锥棱镜为石英材质，角锥补偿波片的厚度为二分之一波长厚度；和/或第一保罗棱镜和第二保罗棱镜均为石英材质，当第一保罗补偿波片和第二保罗补偿波片为0.57波片时，两者的厚度取0.57波长厚度；当第一保罗补偿波片和第二保罗补偿波片为0.43波片时，两者的厚度取0.43波长厚度。
在本发明的一些实施例中，其工作过程如下：种子光呈水平偏振状态，穿过第一偏振片进入再生放大谐振腔；调Q晶体处于未加压状态，种子光经过调Q晶体和第一保罗补偿波片，经过45°放置的第一保罗棱镜，返回，种子光偏振态由水平偏振变为竖直偏振态，经过第一偏振片导入到第二偏振片；调Q晶体开始加高压，种子光继续传播，经过角锥棱镜，角锥补偿波片，进入泵浦放大模块，第二保罗补偿波片和第二保罗棱镜，然后返回；调Q晶体处于加压状态，种子光双程经过泵浦放大模块后，再次经过角锥补偿波片和角锥棱镜，经第一偏振片和第二偏振片，经过调Q晶体，此时种子光的偏振态为竖直偏振态，竖直偏振态的种子光穿过第一保罗补偿波片，由第一保罗棱镜反射回来，再次经过第一保罗补偿波片和电光晶体，种子光偏振态保持竖直偏振，继续经过偏振片和偏振片，在再生放大谐振腔内继续来回放大，调Q晶体一直处于加压状态，种子光就一直在保罗和角锥组合的再生放大腔内一直来回经过泵浦放大模块进行放大；调Q晶体转换为未加压状态，再生放大后的脉冲，经过第一偏振片和第二偏振片，光经过调Q晶体，此时电光晶体处于非加压状态，竖直偏振态的光穿过第一保罗补偿波片，由第一保罗棱镜反射回来，再次经过第一保罗补偿波片和调Q晶体，光偏振态变为水平偏振，经过第一偏振片输出。
为了实现如上目的，本发明还提供了一种激光器系统，包括：种子源，用于提供种子光；如上的再生放大谐振腔；单向隔离组件，设置于种子源和再生放大谐振腔之间，其将种子源产生的种子光导向再生放大谐振腔，并将再生放大谐振腔出射的激光导向外界。
在本发明的一些实施例中，种子源包括：
激光二极管，用于产生泵浦光；
整形透镜组，用于对泵浦光进行整形和规整化，包括：正透镜f1和正透镜f2；
Nd：YVO4晶体，为带3°锲角的a-cut晶体，晶体后端面(图1中Nd：YVO4晶体11左侧的直角面)镀有泵浦光(泵浦光的波长为806nm)增透膜和振荡光(振荡光的波长为1064nm)高反膜；晶体的前端面(图1中Nd：YVO4晶体11左侧的斜角面)镀有泵浦光增透膜和振荡光增透膜；
种子光谐振腔，包括：Nd：YVO4晶体后端面的振荡光高反膜、腔镜M1、腔镜M2、腔镜M3、腔镜M4、SESAM锁模元件；其中，腔镜M3对于波长为1064nm的光的透过率为8％，作为激光输出镜；SESAM锁模元件为可饱和吸收体；
其中，激光二极管输出波长为806nm的泵浦激光；该泵浦激光经由正透镜f1和正透镜f2组成的整形透镜组进行整形和规整化；经整形、规整化后的泵浦激光泵浦Nd：YVO4晶体，产生波长为1064nm的光，该光在种子光谐振腔中振荡放大，最后由腔镜M3出射，出射的第一路激光作为种子光射入再生放大谐振腔。
在本发明的一些实施例中，单向隔离组件包括：第一反射镜、第二反射镜、第三偏振片、第四偏振片、隔离器补偿波片、旋转隔离器、第五偏振片；其中：第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片三者竖直放置，被设置为水平偏振光透过，竖直偏振光反射；正向入射的种子光为水平偏振光：首先由第一反射镜、第二反射镜反射；而后穿过第三偏振片；穿过隔离器补偿波片，种子光的偏振方向沿着光路传播方向逆时针旋转45°，进入旋转隔离器；由于旋转隔离器的旋转作用，种子光的偏振方向沿着光路传播方向顺时针旋转45°，重新变为水平偏振光，而后经过第五偏振片射入再生放大谐振腔；反向出射的激光为水平偏振光：首先经过第五偏振片；再经过旋转隔离器，偏振态沿着光路传播方向顺时针旋转45°，再经过二分之一波片，偏振态沿着光路传播方向顺时针继续旋转45°，激光变为垂直偏振光，射向第三偏振片，在第三偏振片处产生反射，接着由第五偏振片反射至外界。
在本发明的一些实施例中，种子源还包括：采样组件，该采样组件包括：反射镜M5和光电探测器，其中，由腔镜M3处出射的第二路激光由反射镜M5反射至光电探测器进行采样。
在本发明的一些实施例中，激光器系统还包括：控制系统，其收集光电探测器获取的采样信号，获得时钟基准信号和光强信号，并执行如下控制逻辑：向激光二极管提供泵浦能量，同时根据光强信号微调激光二极管电流，保证其提供的泵浦能量稳定；向调Q晶体输出周期矩形脉冲，令周期矩形脉冲的上升沿后的种子光被选中在再生放大谐振腔中振荡放大；令周期矩形脉冲的下降沿时，激光自再生放大谐振腔中输出；向泵浦放大模块供电，提供泵浦能量。
(三)有益效果
从上述技术方案可知，本发明至少具有以下有益效果其中之一：
(1)在再生放大腔谐振腔中采用角锥棱镜和正交的双保罗棱镜组合，能够实现在长腔条件下的全角度全方位抗失谐。
(2)角锥棱镜使得再生放大谐振腔具有自准直功能，保证种子光在腔内经过几十次放大而不偏离谐振腔，具有良好的输出指向性和稳定性。
(3)角锥棱镜相当于对谐振腔进行了折叠，从而节省了空间，方便了设备的运输与安装调试。
(4)采用0.57波片或0.43波片对保罗棱镜进行退偏相位补偿，采用二分之一波片进行角锥退偏相位补偿，从而再生放大谐振腔内的光的偏振态经角锥后可控，能够使种子光和振荡光在再生放大谐振腔内损耗最低。
(5)0.57波片或0.43波片具有保罗棱镜补偿和辅助Q开关双层功能，不仅实现对保罗棱镜的退偏补偿，同时也能够配合调Q晶体实现谐振腔的开关功能。
(6)调Q晶体为电光晶体，在其上施加四分之一波电压，使电光晶体产生四分之一波相位延迟，配合0.57波片或0.43波片实现再生放大谐振腔的开门和关门状态。
附图说明
图1为本发明实施例激光器系统的结构示意图。
图2为本发明实施例激光器系统中控制器的控制时序图。
【附图中主要元件符号说明】
10-种子源
LD-激光二极管；f1，f2-正透镜和正透镜；11-Nd：YVO4晶体；
M1、M2、M3、M4-腔镜；12-SESAM锁模元件；
M5-反射镜；PIN1-光电探测器；
20-单向隔离组件；
21-第一反射镜；22-第二反射镜；23-第三偏振片；
24-第四偏振片；25-隔离器补偿波片；26-旋转隔离器；
27-第五偏振片；
30-再生放大谐振腔；
31-第一保罗棱镜；31a-第一保罗补偿波片；32-调Q晶体；
33-第一偏振片；34-第二偏振片；35-角锥棱镜；
35a-角锥补偿波片；36-泵浦放大模块；
37a-第二保罗补偿波片；37-第二保罗棱镜；
40-控制系统。
具体实施方式
本发明的发明思路在于：利用角锥棱镜和正交保罗棱镜的组合，实现在长腔条件的全角度全方位抗失谐。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，提供这些实施例的目的仅是使得本发明满足法律要求，而本发明可以用许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例。
(一)激光器系统实施例
本实施例提供了一种应用再生放大谐振腔的激光器系统。再生放大谐振腔是该激光器系统的一部分。基于本实施例的说明，本领域技术人员应当也会了解本发明中再生放大谐振腔的结构组成、工作原理、工作方式和有益效果。
图1为本发明实施例应用再生放大谐振腔的激光器系统的结构示意图。如图1所示，本实施例激光器系统包括：种子源10、单向隔离组件20、再生放大谐振腔30。其中，种子源10产生种子光，种子光穿过单向隔离组件20进入再生放大谐振腔30，并在再生放大谐振腔30内不断地振荡放大形成激光，在满足预设条件时，激光从再生放大谐振腔30射出，经由单向隔离组件20出射至外界。
以下分别对本实施例应用再生放大谐振腔的激光器系统的各个组成部分进行详细描述。
一、种子源
本实施例中，种子源10用于产生作为再生放大时钟信号的种子光。种子光的频率为几十兆至百兆赫兹，脉宽为皮秒量级，单脉冲能量在纳焦量级，平均功率在百毫瓦至瓦级。
请参照图1，种子源10包括：激光二极管LD、整形透镜组、Nd：YVO4晶体11、种子光谐振腔、采样组件。其中：
1、激光二极管LD，用于产生泵浦光。
2、整形透镜组，用于对泵浦光进行整形和规整化，包括：正透镜f1和正透镜f2；
3、Nd：YVO4晶体11为带3°锲角的a-cut晶体，晶体后端面(图1中Nd：YVO4晶体11左侧的直角面)镀有泵浦光(泵浦光的波长为806nm)增透膜和振荡光(振荡光的波长为1064nm)高反膜；晶体的前端面(图1中Nd：YVO4晶体11左侧的斜角面)镀有泵浦光增透膜和振荡光增透膜。
本实施例中，泵浦光为806nm的光，故泵浦光增透膜为对806nm波长的光透射率大于99％的光学膜。振荡光为1064nm的光，故振荡光高反膜为对1064nm波长的光反射率大于99.9％的光学膜，振荡光增透膜为对1064nm波长的光透射率大于99.9％的光学膜。
4、种子光谐振腔包括：Nd：YVO4晶体后端面的振荡光高反膜、腔镜M1、腔镜M2、腔镜M3、腔镜M4、SESAM锁模元件12。其中，腔镜M3为激光输出镜；SESAM锁模元件12为可饱和吸收体，在种子光谐振腔内作为锁模器件。
5、采样组件包括：反射镜M5和光电探测器PIN1。
以下介绍种子源10的工作过程：激光二极管LD输出波长为806nm的泵浦激光；该泵浦激光经由正透镜f1和正透镜f2组成的整形透镜组进行整形和规整化；经整形、规整化后的泵浦激光泵浦Nd：YVO4晶体，产生波长为1064nm的光，该光在由Nd：YVO4晶体后端面的振荡光高反膜、腔镜M1、腔镜M2、腔镜M3、腔镜M4和SESAM锁模元件12组成的种子光谐振腔中振荡放大，而后出射。
本实施例中，对于波长为1064nm的光，腔镜M3的透过率为8％。在振荡过程中，光经过腔镜M3来回折返，出射两路激光：第一路激光射入单向隔离组件20，作为种子光；第二路激光由反射镜M5反射至光电探测器PIN1进行采样，控制系统将根据采样信号获得时钟基准信号和光强信号。
二、再生放大谐振腔
本实施例中，再生放大谐振腔30的特点是采用正交的双保罗透镜和角锥棱镜组合，来保证长腔条件下，再生放大谐振腔抗失谐不灵敏，实现全角度全方位抗失谐。
请继续参照图1，再生放大谐振腔30为双保罗棱镜腔，包括：第一保罗棱镜31、第一保罗补偿波片31a、调Q晶体32、第一偏振片33、第二偏振片34、角锥棱镜35、角锥补偿波片35a、泵浦放大模块36、第二保罗补偿波片37a、第二保罗棱镜37。
1、双保罗棱镜腔
本实施例中，第一保罗棱镜31和第二保罗棱镜37正交放置(45°/135°)，构成正交双保罗棱镜腔。当保罗棱镜放置不同角度时，波长的补偿需要随之改变。第一保罗棱镜31和第二保罗棱镜37采用正交放置，故采用0.57波片或0.43波片进行补偿。本实施例中，第一保罗补偿波片31a和第二保罗补偿波片37a均为0.57波片。
第一保罗棱镜31和第二保罗棱镜37根据不同波长采用不同的材质，红外波段棱镜可采用石英、BK7或者YAG等材质，中波波段可采用硫化锌和氟化钙等材质。本实施例中，激光波长为1064nm，故采用石英或者BK7或者YAG材质的保罗棱镜。
还需要说明的是，不同材质的保罗棱镜需要配不同厚度的补偿波片。具体而言，根据不同材质o光、e光不同折射率差值，得出不同厚度的补偿波片。由于本实施例采用石英材质的保罗棱镜，且两保罗补偿波片均为0.57波片，故两保罗补偿波片的厚度取0.57波长厚度。
本领域技术人员应当清楚，当采用石英材质的保罗棱镜且两保罗补偿波片均为0.43波片时，两保罗补偿波片的厚度应当取0.43波长厚度。
2、调Q晶体
调Q晶体32为电光晶体BBO，其作用是实现再生放大谐振腔的开门和关门。在开门阶段，种子光导入再生放大谐振腔内，调Q晶体开始进行关门，种子光在再生放大谐振腔内进行多次振荡萃取泵浦放大模块36的能量，经过多次萃取。种子光能量从纳焦放大到毫焦量级，然后调Q晶体开始进行开门，放大后的激光脉冲从再生放大腔内输出，关于控制的具体过程，在下文中将单独进行说明。
3、第一偏振片33和第二偏振片34
本实施例中，第一偏振片33和第二偏振片34为1064nm的偏振片，两者竖直放置，水平偏振光透过，竖直偏振光反射。两偏振片的作用是保证再生放大谐振腔内的偏振度，增加偏振消光比，以保证调Q晶体的关门和关门过程完整性。
4、角锥棱镜
本实施例中，采用角锥棱镜35和正交双保罗谐振腔来实现谐振腔的自准直和全角度全方位抗失谐。采用角锥补偿波片35a进行退偏相位补偿。
本实施例中，角锥棱镜正放置，即按两全反射点对称反射放置：入射光偏振方向为水平方向，入射方向与角锥的面夹角54.4°。角锥棱镜35放置在再生放大谐振腔的中间作为折叠镜，自第二偏振片34射来的光，进入角锥棱镜，经过角锥棱镜后出射光和入射光保持始终平行。
角锥棱镜的形状相当于从立方体上切割下来一个角，光线在角锥棱镜中传播，角锥具有自准直性能，保证出射光与入射光始终保持平行，能够实现谐振腔的自准直。
角锥棱镜和保罗棱镜组合再生放大谐振腔，具有在长腔条件下，再生放大腔谐振腔抗失谐不灵敏，实现全角度全方位抗失谐。
此外，增加角锥棱镜的折叠谐振腔，谐振腔体积变小，能够节省空间。
需要说明的是，角锥棱镜35根据不同波长采用不同的材质，红外波段棱镜可采用石英、BK7或者YAG等材质，中波波段可采用硫化锌和氟化钙等材质。本实施例中波长为1064nm，故采用石英材质的角锥棱镜。
偏振光经过角锥棱镜后会有一定的退偏，因此在偏振光传输中，需要对约束偏振光的输入状态以及在角锥中的传播路径，设计适合的角锥补偿波片，能够进行角锥退偏相位补偿，从而再生放大谐振腔内的光的偏振态经角锥后可控，能够使种子光和振荡光在再生放大谐振腔内损耗最低。
此时，角锥补偿波片35a为二分之一波片。此外，还需要根据角锥棱镜的材质确定角锥补偿波片的厚度。本实施例中，角锥棱镜的材质为石英，根据激光在角锥中的路径和o光e光不同折射率差值，得出角锥补偿波片的厚度为二分之一波长厚度。
5、泵浦放大模块
泵浦放大模块为种子光在再生放大谐振腔内多程振荡放大提供能量。
本实施例中，泵浦放大模块36采用侧面泵浦，其特点是泵浦均匀，泵浦能量大，效率高，当谐振腔中的种子光通过时能够高效萃取能量进行放大。
以下介绍本实施例中种子光在再生放大谐振腔内的再生放大过程：
①种子源发射的种子光呈水平偏振状态，穿过第一偏振片33进入再生放大谐振腔；
②调Q晶体32处于未加压状态，种子光经过调Q晶体32和第一保罗补偿波片31a，经过45°放置的第一保罗棱镜31，返回，种子光偏振态由水平偏振变为竖直偏振态，经过第一偏振片33导入到第二偏振片34；
③调Q晶体32开始加高压，种子光继续传播，经过角锥棱镜35，角锥补偿波片35a，进入泵浦放大模块36，第二保罗补偿波片37a和第二保罗棱镜37，然后返回再次经过第二保罗补偿波片37a，泵浦放大模块36后种子光进行放大；
④种子光双程经过泵浦放大模块36后，再次经过角锥补偿波片35a和角锥棱镜35，经第一偏振片33和第二偏振片34，经过调Q晶体32，此时种子光的偏振态为竖直偏振态，此时调Q晶体处于加压状态，竖直偏振态的种子光穿过第一保罗补偿波片31a，由第一保罗棱镜31反射回来，再次经过第一保罗补偿波片31a和电光晶体32，种子光偏振态保持竖直偏振，继续经过偏振片33和偏振片34，在再生放大谐振腔内继续来回放大。调Q晶体32一直处于加压状态，种子光就一直在保罗和角锥组合的再生放大腔内一直来回经过泵浦放大模块进行放大，从而在将种子光的纳焦量级的能量放大到毫焦量级的能量。
⑤当种子光放大到一定能量后，调Q晶体转换为未加压状态，再生放大后的光，经过第一偏振片33和第二偏振片34，光经过调Q晶体32，此时电光晶体处于非加压状态，竖直偏振态的光穿过第一保罗补偿波片31a，由第一保罗棱镜31反射回来，再次经过第一保罗补偿波片31a和调Q晶体32，光偏振态变为水平偏振，经过第一偏振片33输出至单向隔离组件20。
三、单向隔离组件
本实施例中，单向隔离组件20用于将种子源10发出的种子光导入再生放大谐振腔30；将由再生放大谐振腔30中射出的激光与种子光进行隔离向外界射出，而非射向种子源。
请参照图1，单向隔离组件20包括：第一反射镜21、第二反射镜22、第三偏振片23、第四偏振片24、隔离器补偿波片25、旋转隔离器26、第五偏振片27。
其中，第三偏振片23、第四偏振片24、第五偏振片27三者竖直放置，水平偏振光透过，竖直偏振光反射。隔离器补偿波片25用于配合旋转隔离器26进行偏振态转变，其为二分之一波片。
旋转隔离器26为45°旋转隔离器26，具体为TGG晶体。在固定强磁场下具有旋转功能，其隔离的原理是：
1、对于正向入射的种子光，通过第三偏振片23，隔离器补偿波片25，旋转隔离器26，全部通过；
具体而言，当种子光由种子源10射入时，种子光为水平偏振光，首先由第一反射镜21、第二反射镜22反射；而后穿过第三偏振片23；穿过隔离器补偿波片25，种子光的偏振方向沿着光路传播方向逆时针旋转45°，进入旋转隔离器26；由于旋转隔离器的旋转作用，种子光的偏振方向沿着光路传播方向顺时针旋转45°，重新变为水平偏振光，故种子偏振光穿过隔离器后仍然呈水平偏振状态，能够经过第五偏振片27射入再生放大谐振腔。
2、对于反向的出射激光，经过第五偏振片27、旋转隔离器26，隔离器补偿波片25，改变偏振态，从而在第三偏振片处反射，与原光路分离。
具体而言，当再生放大后的激光从再生放大谐振腔30内射出时，为水平偏振光，首先经过第五偏振片27；而后经过旋转隔离器26，偏振态沿着光路传播方向顺时针旋转45°，再经过二分之一波片25，继续沿着光路传播方向顺时针旋转45°，光变为垂直偏振光，射向第三偏振片23，在第三偏振片处产生反射，被射向第五偏振片28，并由第五偏振片28反射至外界。
通过上述说明可知，通过单向隔离组件20，实现了种子光和出射激光的分离。
四、控制系统
本实施例中，激光器系统还包括：控制系统40，其对激光二极管LD、调Q晶体32进行控制；对泵浦放大模块36进行供电，以实现激光的输出。
图2为本发明实施例激光器系统中控制器的控制时序图。以下结合图2，对本发明的控制时序进行详细说明。
1、控制系统40接收由光电探测器PIN1获得的采样信号，并根据该采样信号获得时钟基准信号和光强信号。
控制系统40向激光二极管LD提供泵浦能量，同时根据光强信号微调激光二极管电流，保证其提供的泵浦能量稳定。
由种子源出射的种子光序列如图2中“种子光序列”所示。
2、控制系统40根据时间基准信号，向调Q晶体32输出周期矩形脉冲，从而在种子光序列中选择所需要的种子光。具体地：
①控制系统40向调Q晶体32输出周期矩形脉冲，其波形如图2中“周期矩形脉冲”所示。
②由周期矩形脉冲的上升沿在种子光序列中选中所需要的种子光，即周期矩形脉冲的上升沿后的种子光被选中。通过周期矩形脉冲的调整基准延时，使选择的种子光为整脉冲。此外，上述周期矩形脉冲的上升沿要有足够的速度，从而能够保证在两脉冲间隔内高压达到最大。
所选择的种子光如图2中“选中种子光”所示。
③在施加于调Q晶体的周期矩形脉冲的持续时间内，种子光在再生放大谐振腔内不断地再生振荡放大，如图2中“再生振荡放大”所示。
④通过施加于调Q晶体的周期矩形脉冲的下降沿，控制再生放大后的激光输出，输出激光如图2中“输出激光”所示。
3、控制系统40向泵浦放大模块36供电，提供泵浦能量。
至此，本发明实施例应用再生放大谐振腔的激光器系统介绍完毕。
(二)再生放大谐振腔
在本发明的另一个实施例中，还提供一种再生放大谐振腔。该再生放大谐振腔即是如上实施例激光器系统中的再生放大谐振腔。
该再生放大谐振腔30的特点是采用正交保罗透镜和角锥棱镜组合，来保证长腔条件下，再生放大谐振腔抗失谐不灵敏，实现全角度全方位抗失谐。该再生放大谐振腔包括：双保罗棱镜腔、调Q晶体、角锥棱镜、泵浦放大模块。以下重点对本发明的重点，即双保罗棱镜腔和角锥棱镜进行说明，其他部分可以参照激光器系统的实施例，不再重复说明。
1、双保罗棱镜腔
本实施例中，第一保罗棱镜31和第二保罗棱镜37正交放置(45°/135°)，构成正交双保罗棱镜腔。当保罗棱镜放置不同角度时，波长的补偿需要随之改变。第一保罗棱镜31和第二保罗棱镜37采用正交放置，故采用0.57波片或0.43波片进行补偿。本实施例中，第一保罗补偿波片31a和第二保罗补偿波片37a均为0.57波片。
第一保罗棱镜31和第二保罗棱镜37根据不同波长采用不同的材质，红外波段棱镜可采用石英、BK7或者YAG等材质，中波波段可采用硫化锌和氟化钙等材质。本实施例中，激光波长为1064nm，故采用石英或者BK7或者YAG材质的保罗棱镜。
还需要说明的是，不同材质的保罗棱镜需要配不同厚度的补偿波片。具体而言，根据不同材质o光、e光不同折射率差值，得出不同厚度的补偿波片。由于本实施例采用石英材质的保罗棱镜，且两保罗补偿波片均为0.57波片，故两保罗补偿波片的厚度取0.57波长厚度。
本领域技术人员应当清楚，当采用石英材质的保罗棱镜且两保罗补偿波片均为0.43波片时，两保罗补偿波片的厚度应当取0.43波长厚度。
2、角锥棱镜
本实施例中，采用角锥棱镜35和正交双保罗谐振腔来实现谐振腔的自准直和全角度全方位抗失谐。采用角锥补偿波片35a进行退偏相位补偿。
本实施例中，角锥棱镜正放置，即入射光偏振方向为水平方向，入射方向与角锥的面夹角54.4°。角锥棱镜35放置在再生放大谐振腔的中间作为折叠镜，自第二偏振片34射来的光，进入角锥棱镜，经过角锥棱镜后出射光和进射光保持始终平行。
角锥棱镜的形状相当于从立方体上切割下来一个角，光线在角锥棱镜中传播，角锥具有自准直性能，保证出射光与入射光始终保持平行，能够实现谐振腔的自准直。
角锥棱镜和保罗棱镜组合再生放大谐振腔，具有在长腔条件下，再生放大腔谐振腔抗失谐不灵敏，实现全角度全方位抗失谐。此外，增加角锥棱镜的折叠谐振腔，谐振腔体积变小，能够节省了空间。
需要说明的是，角锥棱镜35根据不同波长采用不同的材质，红外波段棱镜可采用石英、BK7或者YAG等材质，中波波段可采用硫化锌和氟化钙等材质。本实施例中波长为1064nm，故采用石英材质的角锥棱镜。
偏振光经过角锥棱镜后会有一定的退偏，因此在偏振光传输中，需要对约束偏振光的输入状态以及在角锥中的传播路径，设计适合的角锥补偿波片，能够实现偏振光的可控。
此时，角锥补偿波片35a为二分之一波片。此外，还需要根据角锥棱镜的材质确定角锥补偿波片的厚度。本实施例中，角锥棱镜的材质为石英，根据激光在角锥中的路径和o光e光不同折射率差值，得出角锥补偿波片的厚度为二分之一波长厚度。
需要再次说明的是，本实施例的再生放大谐振腔30除了可以应用于如上激光器系统中，也可以单独使用，或者搭配其他类型的种子源和单向隔离组件来使用。本领域技术人员应当也会了解具体的应用方式，此处不再赘述。
至此，本发明实施例再生放大谐振腔介绍完毕。
至此，已经结合附图对本发明的各个实施例进行了详细描述。上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)保罗棱镜的材质可以根据波段的不同进行调整，而保罗补偿波片的厚度也会随时调整。
(2)种子源可以采用各种形式，只要能够提供几十兆至百兆赫兹的种子光脉冲即可，而不局限于图1所示的种子源形式。
(3)单向隔离组件可以采用各种形式，只要能够实现入射种子光脉冲与出射激光的分离即可，而不局限于图1所示的单向隔离组件形式。
需要说明的是，对于某些实现方式，如果其并非本发明的关键内容，且为所属技术领域中普通技术人员所熟知，则在附图或说明书正文中并未对其进行详细说明，此时可参照相关现有技术进行理解和应用。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明再生放大谐振腔及应用其的激光器系统有了清楚地认识。
综上所述，本发明提供一种再生放大谐振腔及应用其的激光器系统，在再生放大谐振腔中，角锥棱镜和保罗的组合，具有在长腔下，再生放大腔谐振腔抗失谐不灵敏，实现全角度全方位抗失谐的优点，同时，利用角锥棱镜，使得再生放大谐振腔具有自准直功能，保证种子在腔内放到几十次之后不偏离谐振腔，具有良好的输出指向性和稳定性。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解术语的具体含义。
除非明确指明为相反之意，本发明的说明书及权利要求中的数值参数可以是近似值，能够根据通过本发明的内容改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”、“主”、“次”，以及阿拉伯数字、字母等，以修饰相应的元件或步骤，其本意仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分，并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序k
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种再生放大谐振腔，其特征在于，包括：
双保罗棱镜腔，包括：在再生放大谐振腔两侧分别设置的第一保罗棱镜和第二保罗棱镜，所述第一保罗棱镜和第二保罗棱镜正交放置；
第一保罗补偿波片，为0.57波片或0.43波片，设置于再生放大谐振腔内所述第一保罗棱镜的内侧；
第二保罗补偿波片，为0.57波片或0.43波片，设置于再生放大谐振腔内所述第二保罗棱镜的内侧；
角锥棱镜，设置于所述双保罗棱镜腔内，其正放置，入射光偏振方向为水平方向，入射方向与角锥棱镜的角锥面的夹角为54.4°，经过角锥棱镜后出射光和入射光保持始终平行；
角锥补偿波片，为二分之一波片，设置于光路中所述角锥棱镜的上游侧或下游侧；
调Q晶体，设置于所述双保罗棱镜腔内；
泵浦放大模块，设置于所述双保罗棱镜腔内；
第一偏振片和第二偏振片，设置于所述双保罗棱镜腔内，两者竖直放置，被设置为水平偏振光透过，竖直偏振光反射；
其中，种子光经由所述第一偏振片进入再生放大谐振腔，由第一保罗棱镜反射；由第一偏振片和第二偏振片反射至角锥棱镜，由角锥棱镜反射；再由第二保罗棱镜射回，从而在再生放大谐振腔内形成振荡；调Q晶体为电光晶体，在其上施加四分之一波电压，使调Q晶体产生四分之一波相位延迟，配合0.57波片或0.43波片，实现再生放大谐振腔的开门和关门；泵浦放大模块为种子光在再生放大谐振腔内的多程振荡放大提供能量；
所述再生放大谐振腔的工作过程如下：
种子光呈水平偏振状态，穿过第一偏振片进入再生放大谐振腔；
调Q晶体处于未加压状态，种子光经过调Q晶体和第一保罗补偿波片，经过45°放置的第一保罗棱镜，返回，种子光偏振态由水平偏振变为竖直偏振态，经过第一偏振片导入到第二偏振片；
调Q晶体开始加高压，种子光继续传播，经过角锥棱镜，角锥补偿波片，进入泵浦放大模块，第二保罗补偿波片和第二保罗棱镜，然后返回；
调Q晶体处于加压状态，种子光双程经过泵浦放大模块后，再次经过角锥补偿波片和角锥棱镜，经第二偏振片和第一偏振片，经过调Q晶体，此时种子光的偏振态为竖直偏振态，竖直偏振态的种子光穿过第一保罗补偿波片，由第一保罗棱镜反射回来，再次经过第一保罗补偿波片和调Q晶体，种子光偏振态保持竖直偏振，继续经过第一偏振片和第二偏振片，在再生放大谐振腔内继续来回放大，调Q晶体一直处于加压状态，种子光就一直在第一保罗棱镜、第二保罗棱镜和角锥棱镜组合的再生放大谐振腔内一直来回经过泵浦放大模块进行放大；
调Q晶体转换为未加压状态，再生放大后的脉冲，经过第二偏振片和第一偏振片，光经过调Q晶体，此时调Q晶体处于非加压状态，竖直偏振态的光穿过第一保罗补偿波片，由第一保罗棱镜反射回来，再次经过第一保罗补偿波片和调Q晶体，光偏振态变为水平偏振，经过第一偏振片输出。
2.根据权利要求1所述的再生放大谐振腔，其特征在于：
当工作波段处于红外波段时，所述角锥棱镜、第一保罗棱镜、第二保罗棱镜采用石英、BK7或者YAG材质；或
当工作波段处于中波波段时，所述角锥棱镜、第一保罗棱镜、第二保罗棱镜采用硫化锌和氟化钙。
3.根据权利要求2所述的再生放大谐振腔，其特征在于：
所述角锥棱镜为石英材质，所述角锥补偿波片的厚度为二分之一波长厚度；和/或
所述第一保罗棱镜和第二保罗棱镜均为石英材质，当所述第一保罗补偿波片和第二保罗补偿波片为0.57波片时，两者的厚度取0.57波长厚度；当所述第一保罗补偿波片和第二保罗补偿波片为0.43波片时，两者的厚度取0.43波长厚度。
4.一种激光器系统，其特征在于，包括：
种子源，用于提供种子光；
权利要求1至3中任一项所述的再生放大谐振腔；
单向隔离组件，设置于所述种子源和再生放大谐振腔之间，其将所述种子源产生的种子光导向所述再生放大谐振腔，并将再生放大谐振腔出射的激光导向外界。
5.根据权利要求4所述的激光器系统，其特征在于，所述种子源包括：
激光二极管，用于产生泵浦光；
整形透镜组，用于对泵浦光进行整形和规整化，包括：正透镜f1和正透镜f2；
Nd:YVO4晶体，为带3°锲角的a-cut晶体，晶体后端面镀有泵浦光增透膜和振荡光高反膜；晶体的前端面镀有泵浦光增透膜和振荡光增透膜；
种子光谐振腔，包括：Nd:YVO4晶体后端面的振荡光高反膜、腔镜M1、腔镜M2、腔镜M3、腔镜M4、SESAM锁模元件，其中，腔镜M3对于波长为1064nm的光的透过率为8％，作为激光输出镜；SESAM锁模元件为可饱和吸收体；
其中，所述激光二极管输出波长为806nm的泵浦激光；该泵浦激光经由正透镜f1和正透镜f2组成的整形透镜组进行整形和规整化；经整形、规整化后的泵浦激光泵浦Nd:YVO4晶体，产生波长为1064nm的光，该光在种子光谐振腔中振荡放大，最后由腔镜M3出射，出射的第一路激光作为种子光射入再生放大谐振腔。
6.根据权利要求5所述的激光器系统，其特征在于，所述单向隔离组件包括：第一反射镜、第二反射镜、第三偏振片、第四偏振片、隔离器补偿波片、旋转隔离器、第五偏振片；其中：第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片三者竖直放置，被设置为水平偏振光透过，竖直偏振光反射；
正向入射的种子光为水平偏振光：首先由第一反射镜、第二反射镜反射；而后穿过第三偏振片；穿过隔离器补偿波片，种子光的偏振方向沿着光路传播方向逆时针旋转45°，进入旋转隔离器；由于旋转隔离器的旋转作用，种子光的偏振方向沿着光路传播方向顺时针旋转45°，重新变为水平偏振光，而后经过第五偏振片射入再生放大谐振腔；
再生放大后反向的出射激光为水平偏振光：首先经过第五偏振片；再经过旋转隔离器，偏振态沿着光路传播方向顺时针旋转45°，再经过隔离器补偿波片，偏振态沿着光路传播方向顺时针继续旋转45°，激光变为垂直偏振光，射向第三偏振片，在第三偏振片处产生反射，接着由第四偏振片反射至外界。
7.根据权利要求5所述的激光器系统，其特征在于：
所述种子源还包括：采样组件，该采样组件包括：反射镜M5和光电探测器，其中，由腔镜M3处出射的第二路激光由反射镜M5反射至光电探测器进行采样；
所述激光器系统还包括：控制系统，其收集所述光电探测器获取的采样信号，获得时钟基准信号和光强信号，并执行如下控制逻辑：
向激光二极管提供泵浦能量，同时根据光强信号微调激光二极管电流，保证其提供的泵浦能量稳定；
向所述调Q晶体输出周期矩形脉冲，令周期矩形脉冲的上升沿后的种子光被选中在再生放大谐振腔中振荡放大；令周期矩形脉冲的下降沿时，激光自再生放大谐振腔中输出；
向所述泵浦放大模块供电，提供泵浦能量。
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