CN112636155B - 多脉冲再生放大的激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多脉冲再生放大的激光器系统，包括：种子源、脉冲选择器、多脉冲再生放大模块、控制器；其中：种子源，用于产生种子光脉冲序列；脉冲选择器，用于在控制器的控制下，从种子光脉冲序列中可控地选择1个或N个种子光脉冲，N≥2；多脉冲再生放大模块，用于对脉冲选择器所选择的1个或多个种子光脉冲进行再生放大。本发明通过设计多脉冲选择器，改进再生放大谐振腔，解决了以往的再生放大器激光器系统中仅导入一个种子光脉冲放大的问题，能够实现高重复频率多脉冲串输出，极大地提升了输出激光的能量。

Description

多脉冲再生放大的激光器系统
技术领域
本发明涉及光学行业激光器技术领域，尤其涉及一种多脉冲再生放大的激光器系统。
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。
在实现本发明的过程中，申请人发现传统的再生放大激光器系统仅能支持单脉冲放大，不能支持多脉冲放大。
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，本发明提供了一种多脉冲再生放大的激光器系统。该多脉冲再生放大的激光器系统包括：种子源、脉冲选择器、多脉冲再生放大模块、控制器；其中：种子源，用于产生种子光脉冲序列；脉冲选择器，用于在控制器的控制下，从种子光脉冲序列中可控地选择1个或N个种子光脉冲，N≥2；多脉冲再生放大模块，用于对脉冲选择器所选择的1个或多个种子光脉冲进行再生放大。
在本发明的一些实施例中，脉冲选择器包括：第一电光晶体、第一偏振片、吸收体；其中：种子光脉冲序列中的种子光脉冲为单一偏振态；控制器，用于在预设时段向第一电光晶体加载电压，的预设时段为预设的一个或多个种子光脉冲周期；第一电光晶体，用于在加载电压时，其相位差改变180°，通过其的种子光脉冲的偏振态改变；在未加载电压时，其相位差不改变，通过其的种子光脉冲的偏振态不改变；第一偏振片，用于将水平偏振态或竖直偏振态其中之一的种子光脉冲透射至多脉冲再生放大模块，而将其中另一的种子光脉冲反射至吸收体。
在本发明的一些实施例中，控制器向第一电光晶体加载的电压为周期矩形脉冲形式的二分之一波电压。
在本发明的一些实施例中，种子源包括：第一光电探测器；第一光电探测器对种子光脉冲序列进行采样；控制器与第一光电探测器信号连接，用于依据其采样信号获取时钟基准信号；由该时钟基准信号获得起始时间和种子光脉冲周期；由该起始时间、种子光脉冲周期、预设的种子光脉冲数生成加载至第一电光晶体的周期矩形脉冲形式的二分之一波电压。
在本发明的一些实施例中，脉冲选择器还包括：第一二分之一波片；入射脉冲选择器的种子光脉冲序列中的种子光脉冲为水平偏振态；第一偏振片为竖直放置；种子光脉冲序列中的种子光在通过第一二分之一波片后，其偏振态转变为竖直偏振态，而后射向第一电光晶体；第一电光晶体，在加载电压时，通过其的种子光脉冲的偏振态转变为水平偏振态，从而穿过第一偏振片透射至多脉冲再生放大模块；在未加载电压时，通过其的种子光脉冲的偏振态不变，仍为竖直偏振态，从而由第一偏振片反射至吸收体，由其吸收。
在本发明的一些实施例中，第一电光晶体为BBO晶体；脉冲选择器还包括：第六反射镜，其中，入射脉冲选择器的种子光脉冲序列中的种子光脉冲由第六反射镜反射至第一二分之一波片；脉冲选择器还包括：第七反射镜，其中，由第一偏振片透射的种子光脉冲由第七反射镜反射至多脉冲再生放大模块。
在本发明的一些实施例中，满足：L2≥N×L1，其中，L1为多脉冲再生放大模块中再生放大谐振腔的腔长，L2为种子源中种子谐振腔的腔长。
在本发明的一些实施例中，多脉冲再生放大模块包括：再生放大谐振腔；泵浦放大模块，设置于再生放大谐振腔内的光路中；调Q模块，设置于再生放大谐振腔内的光路中；第二光电探测器，用于探测进入再生放大谐振腔内种子光脉冲在再生放大过程中的光强；其中，控制器与第二光电探测器信号连接，用于从第二光电探测器采样获取光强幅值信息，形成锯齿波电流加载至泵浦放大模块，该锯齿波电流的斜率与相应脉冲的光强幅值负相关。
在本发明的一些实施例中，调Q模块为第二BBO晶体；再生放大谐振腔包括：第八腔镜、四分之一波片、第三偏振片、第四偏振片、三组折返腔镜、第十五腔镜；多脉冲再生放大模块的工作过程如下：种子光脉冲呈水平偏振态，穿过第三偏振片，进入再生放大谐振腔；第二BBO晶体处于未加压状态，种子光脉冲经过四分之一波片和第二BBO晶体，被第八腔镜反射返回，再次经过第二BBO晶体和四分之一波片，偏振态由水平转变为竖直偏振态，在第三偏振片处被反射，而后再被第四偏振片反射；第二BBO晶体开始加高压，种子光脉冲在三组折返腔镜来回反射，最后又由第十五腔镜反射，返回，期间，光脉冲经过一次泵浦放大模块，光强放大一次；第二BBO晶体始终处于加压状态，光脉冲在再生放大谐振腔内往返振荡，每经过一次泵浦放大模块，光强放大一次；当光脉冲放大到预设能量后，第二BBO晶体转换为未加压状态，光脉冲，经过第四偏振片、第三偏振片、四分之一波片、第二BBO晶体，而后由第八腔镜反射回来，再次经过第二BBO晶体和四分之一波片，光偏振态由竖直变为水平偏振，经过第三偏振片输出；其中，控制器向第二BBO晶体输出周期矩形脉冲以控制其处于加压状态和未加压状态。
在本发明的一些实施例中，激光器系统还包括：单向隔离组件，设置于脉冲选择器和多脉冲再生放大模块之间；单向隔离组件包括：45°法拉第旋转器、第二二分之一波片、第二偏振片、第五偏振片；其中，第二偏振片、第五偏振片为竖直放置；在单向隔离组件中：对于正向入射的光，种子光脉冲为水平偏振光，首先穿过第二偏振片；穿过第二二分之一波片，种子光脉冲的偏振方向沿着光路传播方向逆时针旋转45°；进入45°法拉第旋转器，种子光脉冲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；经过第三偏振片，射入再生放大谐振腔；对于反向的偏振光，再生放大后的激光为水平偏振光，首先经过45°法拉第旋转器，偏振态沿着光路传播方向顺时针旋转45°；再经过第二二分之一波片，继续沿着光路传播方向顺时针旋转45°，光变为垂直偏振光；由第二偏振片反射，并由第五偏振片反射至外界；种子源包括：激光二极管、整形透镜组、Nd:YVO4晶体、种子光谐振腔；其中：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；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、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、锁模元件；第三腔镜为激光输出镜；种子源的工作过程如下：激光二极管输出泵浦激光；该泵浦激光经由整形透镜组进行整形和规整化；而后泵浦Nd:YVO4晶体，产生振荡光，该振荡光在种子光谐振腔中振荡放大，而后在第三腔镜处出射。
(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)在激光器系统中增加了脉冲选择器，可以根据需要选择导入再生放大谐振腔中种子脉冲的数量，从而可以同时在再生放大谐振腔中放大形成多个激光脉冲，从而形成脉冲串模式(Burst)，进而提升了输出激光的能量。
(2)在再生放大谐振腔的泵浦放大模块中，通过第二光电探测器PIN2采样获得的每个脉冲在再生放大过程中的光强信号，控制加载至泵浦放大模块的泵浦电流上升斜率，使再生放大谐振腔在再生放大过程能够实现多脉冲的均匀放大。
附图说明
图1为根据本发明实施例多脉冲再生放大的激光器系统的结构示意图。
图2为图1所示激光器系统中控制器通过控制加载至第一BBO晶体的电压而选择入射至再生放大谐振腔内种子光脉冲数目的示意图。
图3为图1所示激光器系统中在选择将4个种子光脉冲导入再生放大谐振腔时多脉冲再生放大过程的示意图。
【附图中主要元件符号说明】
10-种子源；
LD-激光二极管；
f1-第一正透镜； f2-第二正透镜；
S1、S2-Nd:YVO4晶体的后端面和前端面；
M1-第一腔镜； M2-第二腔镜； M3-腔镜；
M4-第四腔镜； SESAM-锁模元件；
M5-第五反射镜； PIN1-第一光电探测器；
20-单向隔离组件；
FR-45°法拉第旋转器； HWP2-第二二分之一波片；
TFP2-第二偏振片； TFP5-第五偏振片；
30-多脉冲再生放大模块；
M8-第八腔镜； BBO2-第二BBO晶体；
QWP-四分之一波片 TFP3-第三偏振片；
TFP4-第四偏振片； M15-第十五腔镜；
M9-第九腔镜； M10-第十腔镜
M11-第十一腔镜； M12-第十二腔镜；
M13-第十三腔镜； M14-第十四腔镜；
PIN2-第二光电探测器；
40-控制器；
50-脉冲选择器；
M6-第六反射镜； HWP1-第一二分之一波片；
BBO1-第一BBO晶体； TFP1-第一偏振片；
CELL-吸收体； M7-第七反射镜。
具体实施方式
本发明通过在激光器系统中增加脉冲选择器，同时结合再生放大谐振腔的腔长、泵浦放大模块的改进，实现了可控地将多个种子脉冲导入再生放大谐振腔并在再生放大谐振腔中再生放大产生多个激光脉冲，从而实现了激光器系统输出能量的大幅度提升。
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。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种多脉冲再生放大的激光器系统。图1为根据本发明实施例多脉冲再生放大的激光器系统的结构示意图。如图1所示，本实施例多脉冲再生放大的激光器系统包括：种子源10、脉冲选择器50、单向隔离组件20、多脉冲再生放大模块30、控制器40。
其中，种子源10产生种子光脉冲序列；脉冲选择器50在控制器40的控制下，从种子光脉冲序列中可控地选择1个或多个种子光脉冲；选择的种子光脉冲穿过单向隔离组件20进入多脉冲再生放大模块30，并在再生放大谐振腔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多脉冲再生放大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脉冲序列。种子光脉冲序列的频率为100MHz至200MHz，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。种子源谐振腔的腔长为0.75m～1.5m。本实施例中，种子源谐振腔的腔长为1.5m。
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：第一正透镜f1和第二正透镜f2；
3、Nd:YVO4晶体为带3°锲角的a-cut晶体，晶体后端面(图1中Nd:YVO4晶体左侧的直角面S1)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S2)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、第一腔镜M1、第二腔镜M2、第三腔镜M3、第四腔镜M4、锁模元件SESAM。其中，第三腔镜M3为激光输出镜；锁模元件SESAM为可饱和吸收体。
5、采样组件包括：第五腔镜M5和第一光电探测器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；该泵浦激光经由第一正透镜f1和第二正透镜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、第一腔镜M1、第二腔镜M2、第三腔镜M3、第四腔镜M4和锁模元件SESAM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：
①第一路激光射入脉冲选择器50，作为种子光脉冲序列，出射的种子光脉冲序列如图3中“种子光脉冲序列”所示；
②第二路激光由第五腔镜M5反射至第一光电探测器PIN1进行采样，控制器根据第一光电探测器PIN1采样信号获得时钟基准信号和光强信号。
二、脉冲选择器
脉冲选择器用于从种子光脉冲序列中可控地选择1个或多个种子光脉冲以导入再生放大谐振腔，其最重要特点是能够实现脉冲数可调。
请参照图1，该脉冲选择器包括：第六反射镜M6、第一二分之一波片HWP1、第一BBO晶体BBO1、第一偏振片TFP1、吸收体CELL、第七反射镜M7。第一偏振片TFP1为竖直放置，即水平偏振态的偏振光透过，竖直偏振态的偏振光反射。此外，第二偏振片TFP2、第三偏振片TFP3、第四偏振片TFP4、第五偏振片TFP5均为如此放置。
本领域技术人员应当知晓，第六反射镜M6和第七反射镜M7均为45°反射镜，仅是起到引导光路、节约空间的作用，在不考虑这些因素的作用下，该两个反射镜可以省略。第一BBO晶体BBO1还可以采用其他类型的电光晶体代替，只要能够通过加电改变通过光的相位差即可。
请继续参照图1，种子光脉冲序列进入脉冲选择器，首先由第六反射镜M6反射，经过第一二分之一波片HWP1，使种子光脉冲序列从水平偏振变为竖直偏振，而后射入第一BBO晶体BBO1；种子光脉冲序列从第一BBO晶体BBO1射出至第一偏振片TFP1。第一偏振片TFP1为水平光透过竖直光反射。
通过加载至第一BBO晶体BBO1上的高压，可以改变第一BBO晶体BBO1的相位差，进而改变通过其的种子脉冲的偏振态，结合后续的第一偏振片TFP1，实现种子光脉冲的选择。
具体而言，在射入第一二分之一波片HWP1之前，种子光脉冲序列中的种子光脉冲均为水平偏振，经过二分之一波片HWP1之后，经过晶体BBO1之前，种子光为竖直偏振光：
1、当第一BBO晶体BBO1上加载二分之一波电压时，其相位差改变为180度；通过第一BBO晶体BBO1的种子光脉冲的偏振态由竖直偏振光转变为水平偏振态，透过第一偏振片TFP1，由第七反射镜反射至单向隔离组件；
2、当第一BBO晶体BBO1上未加载电压时，其相位差不改变；通过第一BBO晶体BBO1的种子光脉冲的偏振态保持为竖直偏振态，由第一偏振片TFP1反射，进入吸收池CELL中，被自然吸收。
控制器40，用于提供第一BBO晶体BBO1的加载电压，通过加载电压的时间长短控制出射至再生放大谐振腔中的种子光脉冲的数目，形成所需要的脉冲串。
在控制过程中，首先，为了保证所需脉冲的完整性，控制器50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，并根据该时钟基准信号来确定加载电压的起始时间。其次，加载电压持续的时间根据时钟信号的周期和所需种子脉冲数目确定。
图2为图1所示激光器系统中控制器通过控制加载至第一BBO晶体的电压而选择入射至再生放大谐振腔内种子光脉冲数目的示意图。请参照图2，种子脉冲序列如图中所示：
1、在场景A下，控制器根据时钟基准信号确定从第二个种子光脉冲结束后，加载一个周期的二分之一波电压至第一BBO晶体BBO1，第一BBO晶体BBO1的相位差改变为180度；通过第一BBO晶体BBO1的种子光脉冲，共一个种子光脉冲，的偏振态转变为水平偏振态；透过第一偏振片TFP1，由第七反射镜反射至单向隔离组件；
2、在场景B下，控制器根据时钟基准信号确定从第二个种子光脉冲结束后，加载两个周期的二分之一波电压至第一BBO晶体BBO1，第一BBO晶体BBO1的相位差改变为180度；通过第一BBO晶体BBO1的第三、第四个种子光脉冲，共两个种子光脉冲的偏振态由竖直偏振态转变为水平偏振态；透过第一偏振片TFP1，由第七反射镜反射至单向隔离组件；
3、在场景C下，控制器根据时钟基准信号确定从第二个种子光脉冲结束后，加载三个周期的二分之一波电压至第一BBO晶体BBO1，第一BBO晶体BBO1的相位差改变为180度；通过第一BBO晶体BBO1的第三、第四、第五个种子光脉冲，共三个种子光脉冲的偏振态由竖直偏振态转变为水平偏振态；透过第一偏振片TFP1，由第七反射镜反射至单向隔离组件；
4、在场景D下，控制器根据时钟基准信号确定从第二个种子光脉冲结束后，加载四个周期的二分之一波电压至第一BBO晶体BBO1，第一BBO晶体BBO1的相位差改变为180度；通过第一BBO晶体BBO1的第三、第四、第五、第六个种子光脉冲的偏振态由竖直偏振态转变为水平偏振态；透过第一偏振片TFP1，由第七反射镜反射至单向隔离组件。
本实施例中，选择将4个种子光脉冲导入再生放大谐振腔，加载至第一BBO晶体BBO1上的二分之一波电压如图3中“加载至BBO1上的二分之一波电压”所示，所选择的4个种子光脉冲如图3中“选择的种子光脉冲”所示。
三、多脉冲再生放大模块
脉冲选择器用于选择所需要的脉冲数，多脉冲再生放大模块用于将所选择的脉冲放大，形成出射激光。
请参照图1，多脉冲再生放大模块30包括：再生放大谐振腔、调Q模块、泵浦放大模块、第二光电探测器PIN2。
其中，再生放大谐振腔包括：第八腔镜M8、四分之一波片QWP、第三偏振片TFP3、第四偏振片TFP4、三组折返腔镜、第十五腔镜M15。第三偏振片TFP3和第四偏振片TFP4为竖直放置，即水平偏振态的偏振光透过，竖直偏振态的偏振光反射。在第八腔镜M8和第十五腔镜M15之间形成再生放大谐振腔。
其中，泵浦放大模块和调Q模块设置于再生放大谐振腔内的光路中。第二光电探测器PIN2设置于再生放大谐振腔外，用于探测进入再生放大谐振腔内种子光脉冲在再生放大过程中的能量。
再生放大谐振腔长度决定了最多的脉冲数。由于本发明中可以实现可选择的1～4个种子光脉冲的再生放大，故该再生放大谐振腔的腔长L2需要满足大于等于4倍的种子源中种子谐振腔的腔长L1，具体地，种子谐振腔腔长为1.5米，该再生放大谐振腔的腔长为6m。
本实施例中，为了尽可能地增加腔长，并减小腔的物理尺寸，采用了多块折返腔镜折叠腔的技术方案。三组折返腔镜包括：第九折返腔镜M9、第十折返腔镜M10、第十一折返腔镜M11、第十二折返腔镜M12、第十三折返腔镜M13、第十四折返腔镜M14。
本实施例中，第二BBO晶体BBO2作为再生放大的调Q开关之用。本领域技术人员应当知晓，除了BBO晶体之外，还可以采用其他类型的电光晶体。
本实施例中，泵浦放大模块采用Nd:YAG晶体。由于再生放大谐振腔内有多个脉冲放大，从而导致脉冲与脉冲之间放大倍率不均匀，脉冲放大倍率依次递减。为了解决该问题，通过改变加载至泵浦放大模块的电流来进行控制，实现各个脉冲的均匀放大。具体来讲：
1、在第四偏振片TFP4位于再生放大谐振腔的外侧，设置有第二光电探测器PIN2。利用第四偏振片TFP4泄露的脉冲能量进行探测，得到每个脉冲在再生放大过程中的光强信号。
2、控制系统40对该光强信号进行采样，从而获得每个脉冲在再生放大过程中的光强幅值信息。
3、控制系统40利用采样获取的光强幅值信号，形成锯齿波电流信号加载至泵浦放大模块，该锯齿波的斜率与相应脉冲的光强幅值负相关，实现各个脉冲的均匀放大。
本领域技术人员应当理解，除了Nd:YAG晶体，也可以采用其他类型的泵浦放大晶体。关于第二光电探测器PIN2的放置的位置，还可以放置于其他位置，只要能够探测再生放大谐振腔内脉冲在再生放大过程中的能量即可。
以下介绍本实施例中种子光脉冲在该多脉冲再生放大模块内的再生放大过程：
①种子光脉冲呈水平偏振态，经过脉冲选择器，穿过第三偏振片TFP3进入再生放大谐振腔；
②第二BBO晶体BBO2处于未加压状态，种子光脉冲经过四分之一波片QWP和第二BBO晶体BBO2，被第八腔镜M8反射返回，再次经过第二BBO晶体BBO2和四分之一波片QWP，偏振态由水平转变为竖直偏振态，在第三偏振片TFP3处被反射，而后再被第四偏振片TFP4反射，进入后面的器件中；
③第二BBO晶体BBO2开始加高压，光脉冲在三组折返腔镜来回反射，最后又由第十五腔镜M15反射，返回，期间，光脉冲经过一次泵浦放大模块，即Nd:YAG晶体，光强放大一次。第二BBO晶体BBO2始终处于加压状态，光脉冲在再生放大谐振腔内往返振荡，每经过一次泵浦放大模块，即Nd:YAG晶体，光强放大一次。
加载至第二BBO晶体BBO2上的矩形脉冲如图3中“加载至BBO2上的电压”所示。
④当光脉冲放大到一定能量后，第二BBO晶体转换为未加压状态，放大后的光脉冲，经过第四偏振片TFP4和第三偏振片TFP3，光经过四分之一波片QWP、第二BBO晶体BBO2，此时第二BBO晶体处于非加压状态，光由第八腔镜M8反射回来，再次经过第二BBO晶体BBO2和四分之一波片QWP，光偏振态由竖直变为水平偏振，经过第三偏振片TFP3输出至单向隔离组件20。
⑤在第四偏振片TFP4处，第二光电探测器PIN2通过第四偏振片TFP4透过的光进行采样，控制器将根据获得再生放大采样信号的强弱调节泵浦电流斜率的大小，泵浦电流为在一定泵浦电流上调制锯齿波。
加载至Nd:YAG晶体的锯齿波电流如图3中“加载至Nd:YAG晶体上的电流”所示。
该4个种子光脉冲在再生放大谐振腔中再生放大的过程如图3中“再生放大过程”所示。从再生放大谐振腔内出射的激光如图3中“输出放大的激光脉冲”所示。
四、单向隔离组件
单向隔离组件用于将脉冲选择器选出的种子光导入再生放大谐振腔；将由再生放大谐振腔中射出的放大激光与种子光脉冲串进行隔离向外界射出，而非射向种子源。
请参照图1，单向隔离组件包括：45°法拉第旋转器FR、第二二分之一波片HWP2、第二偏振片TFP2、第五偏振片TFP5。其中，45°法拉第旋转器FR为TGG晶体，其在固定强磁场下具有旋转功能，能够将入射光的偏振态顺时针旋转45°。第二偏振片TFP2和第五偏振片TFP5为竖直放置，即水平偏振态的偏振光透过，竖直偏振态的偏振光反射。
单向隔离组件隔离种子光和出射激光的原理是：
1、对于正向入射的光，通过第二偏振片TFP2，第二二分之一波片HWP2，45°法拉第旋转器FR，正向偏振光全部通过；
具体而言：当种子光脉冲由脉冲选择器射入时，种子光脉冲为水平偏振光，首先穿过第二偏振片TFP2；穿过第二二分之一波片HWP2，种子光脉冲的偏振方向沿着光路传播方向逆时针旋转45°；进入45°法拉第旋转器FR，由于45°法拉第旋转器FR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，故种子偏振光穿过单向隔离组件后仍然呈水平偏振状态，能够经过第三偏振片TFP3射入再生放大谐振腔。
2、对于反向的偏振光，经过偏振片经过45°法拉第旋转器FR，第二二分之一波片HWP2，改变偏振态，被第二偏振片TFP2反射，与原光路分离；而后被第五偏振片TFP5反射，从而向外界射出。
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45°法拉第旋转器FR，偏振态沿着光路传播方向顺时针旋转45°，再经过第二二分之一波片HWP2，继续沿着光路传播方向顺时针旋转45°，光变为垂直偏振光，射向第二偏振片TFP2，在此处产生反射，被射向第五偏振片TFP5，并由第五偏振片TFP5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。
五、控制器
本实施例中，激光器系统还包括：控制器40，其通过第一光电二极管PIN1和第二光电二极管PIN2进行采样，对激光二极管LD、第一BBO晶体BBO1、第二BBO晶体BBO2进行控制；对泵浦放大模块进行供电，以实现激光的输出。
下文以设定对4个种子光脉冲进行放大为例，对本实施例激光器系统的控制时序进行详细说明：
1、控制器40接收由第一光电探测器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。
控制器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。
出射的种子光脉冲序列如图3中“种子光脉冲序列”所示。
2、控制器40根据时间基准信号和选定的脉冲数“4”，向脉冲选择器中的第一BBO晶体加载持续4个周期的二分之一波电压的矩形脉冲，从而在种子光脉冲序列中选择出连续的4个种子光脉冲。
通过调整周期矩形脉冲的基准延时，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。
本实施例中，加载至第一BBO晶体BBO1上的二分之一波电压如图3中“加载至BBO1上的二分之一波电压”所示，所选择的4个种子光脉冲如图3中“选择的种子光脉冲”所示。
3、控制器40向第二BBO晶体BBO2输出周期矩形脉冲；
在施加于第二BBO晶体BBO2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。
4、控制器40向Nd:YAG晶体供电，提供泵浦电流。
第二光电探测器PIN2利用第四偏振片TFP4泄露的脉冲能量进行探测，得到每个脉冲在再生放大过程中的光强信号；
控制系统40对该光强信号进行采样，从而获得每个脉冲在再生放大过程中的光强幅值信息。
控制系统40利用采样获取的光强幅值信息，形成锯齿波电流加载至泵浦放大模块，该锯齿波电流的斜率与相应脉冲的光强幅值负相关，从而实现各个脉冲的均匀放大。
该4个种子光脉冲在再生放大谐振腔中再生放大的过程如图3中“再生放大过程”所示。
通过施加于第二BBO晶体BBO2的周期矩形脉冲的下降沿，控制再生放大后的激光输出。最终出射的激光如图3中“输出放大的激光脉冲”所示。
以上对本发明实施例中的相关内容进行了详细说明。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。
至此，已经结合附图对本发明多个实施例进行了详细描述。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。
此外，上述对各元件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)多脉冲再生放大模块中折返腔镜的数目；
(2)种子源中为了增加腔长，也可以增加腔镜的数目；
(3)对于系统的第一BBO晶体和第二BBO晶体，其还可以其他类型的可以在加载电压时改变相位差的电光晶体。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明多脉冲再生放大的激光器系统有了清楚地认识。
综上所述，本发明通过设计多脉冲选择器，改进再生放大谐振腔，解决了以往的再生放大器激光器系统中仅导入一个种子光脉冲放大的问题，能够实现高重复频率多脉冲串输出，极大地提升了输出激光的能量。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，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。
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(或步骤)得以和另一具有相同命名的元件(或步骤)能做出清楚区分，并不意味着该元件(或步骤)有任何的序数，也不代表某一元件(或步骤)与另一元件(或步骤)的顺序。
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 (9)

1.一种多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于，包括：种子源、脉冲选择器、多脉冲再生放大模块、控制器；其中：
所述种子源，用于产生种子光脉冲序列；
所述脉冲选择器，用于在所述控制器的控制下，从所述种子光脉冲序列中可控地选择1个或N个种子光脉冲，N≥2；
所述多脉冲再生放大模块，用于对所述脉冲选择器所选择的1个或多个种子光脉冲进行再生放大；
其中，所述种子源包括：激光二极管，用于产生种子光脉冲序列的泵浦光；所述种子源还包括：第一光电探测器；所述第一光电探测器对所述种子光脉冲序列进行采样；
其中，所述多脉冲再生放大模块包括：再生放大谐振腔；泵浦放大模块，设置于再生放大谐振腔内的光路中；调Q模块，设置于再生放大谐振腔内的光路中；第二光电探测器，用于探测进入再生放大谐振腔内种子光脉冲在再生放大过程中的光强；
所述控制器与所述第一光电探测器信号连接，用于接收由第一光电探测器获得的采样信号，根据该采样信号获得时钟基准信号和光强信号，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；所述控制器与所述第二光电探测器信号连接，用于从所述第二光电探测器采样获取光脉冲的光强幅值信息，形成锯齿波电流加载至泵浦放大模块，该锯齿波电流的斜率与相应脉冲的光强幅值负相关，从而实现各个脉冲的均匀放大。
2.根据权利要求1所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于，所述脉冲选择器包括：第一电光晶体、第一偏振片、吸收体；其中：
所述种子光脉冲序列中的种子光脉冲为单一偏振态；
所述控制器，用于在预设时段向所述第一电光晶体加载电压，所述的预设时段为预设的一个或多个种子光脉冲周期；
所述第一电光晶体，用于在加载电压时，其相位差改变180°，通过其的种子光脉冲的偏振态改变；在未加载电压时，其相位差不改变，通过其的种子光脉冲的偏振态不改变；
所述第一偏振片，用于将水平偏振态或竖直偏振态其中之一的种子光脉冲透射至所述多脉冲再生放大模块，而将其中另一的种子光脉冲反射至吸收体。
3.根据权利要求2所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于，所述控制器向所述第一电光晶体加载的电压为周期矩形脉冲形式的二分之一波电压。
4.根据权利要求3所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于，
所述控制器，用于依据其采样信号获取时钟基准信号；由该时钟基准信号获得起始时间和种子光脉冲周期；由该起始时间、种子光脉冲周期、预设的种子光脉冲数生成加载至所述第一电光晶体的周期矩形脉冲形式的二分之一波电压。
5.根据权利要求2所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于，所述脉冲选择器还包括：第一二分之一波片；
入射所述脉冲选择器的种子光脉冲序列中的种子光脉冲为水平偏振态；所述第一偏振片为竖直放置；
所述种子光脉冲序列中的种子光在通过所述第一二分之一波片后，其偏振态转变为竖直偏振态，而后射向所述第一电光晶体；
所述第一电光晶体，在加载电压时，通过其的种子光脉冲的偏振态转变为水平偏振态，从而穿过所述第一偏振片透射至所述多脉冲再生放大模块；在未加载电压时，通过其的种子光脉冲的偏振态不变，仍为竖直偏振态，从而由所述第一偏振片反射至所述吸收体，由其吸收。
6.根据权利要求5所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于，所述第一电光晶体为BBO晶体；
所述脉冲选择器还包括：第六反射镜，其中，入射所述脉冲选择器的种子光脉冲序列中的种子光脉冲由所述第六反射镜反射至所述第一二分之一波片；
所述脉冲选择器还包括：第七反射镜，其中，由所述第一偏振片透射的种子光脉冲由所述第七反射镜反射至所述多脉冲再生放大模块。
7.根据权利要求1所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于，满足：
L2≥N×L1
其中，L1为所述多脉冲再生放大模块中再生放大谐振腔的腔长，L2为所述种子源中种子谐振腔的腔长。
8.根据权利要求1所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于：所述调Q模块为第二BBO晶体；所述再生放大谐振腔包括：第八腔镜、四分之一波片、第三偏振片、第四偏振片、三组折返腔镜、第十五腔镜；所述多脉冲再生放大模块的工作过程如下：
种子光脉冲呈水平偏振态，穿过第三偏振片，进入再生放大谐振腔；
第二BBO晶体处于未加压状态，种子光脉冲经过四分之一波片和第二BBO晶体，被第八腔镜反射返回，再次经过第二BBO晶体和四分之一波片，偏振态由水平转变为竖直偏振态，在第三偏振片处被反射，而后再被第四偏振片反射；
第二BBO晶体开始加高压，种子光脉冲在三组折返腔镜来回反射，最后又由第十五腔镜反射，返回，期间，光脉冲经过一次泵浦放大模块，光强放大一次；
第二BBO晶体始终处于加压状态，光脉冲在再生放大谐振腔内往返振荡，每经过一次泵浦放大模块，光强放大一次；
当光脉冲放大到预设能量后，第二BBO晶体转换为未加压状态，光脉冲，经过第四偏振片、第三偏振片、四分之一波片、第二BBO晶体，而后由第八腔镜反射回来，再次经过第二BBO晶体和四分之一波片，光偏振态由竖直变为水平偏振，经过第三偏振片输出；
其中，所述控制器向所述第二BBO晶体输出周期矩形脉冲以控制其处于加压状态和未加压状态。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的多脉冲再生放大的激光器系统，其特征在于：
所述激光器系统还包括：单向隔离组件，设置于所述脉冲选择器和多脉冲再生放大模块之间；所述单向隔离组件包括：45°法拉第旋转器、第二二分之一波片、第二偏振片、第五偏振片；其中，所述第二偏振片、第五偏振片为竖直放置；在所述单向隔离组件中：对于正向入射的光，种子光脉冲为水平偏振光，首先穿过第二偏振片；穿过第二二分之一波片，种子光脉冲的偏振方向沿着光路传播方向逆时针旋转45°；进入45°法拉第旋转器，种子光脉冲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；经过第三偏振片，射入再生放大谐振腔；对于反向的偏振光，再生放大后的激光为水平偏振光，首先经过45°法拉第旋转器，偏振态沿着光路传播方向顺时针旋转45°；再经过第二二分之一波片，继续沿着光路传播方向顺时针旋转45°，光变为垂直偏振光；由第二偏振片反射，并由第五偏振片反射至外界；
所述种子源包括：所述激光二极管、整形透镜组、Nd:YVO4晶体、种子光谐振腔；其中：整形透镜组，用于对泵浦光进行整形和规整化；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、第一腔镜、第二腔镜、第三腔镜、第四腔镜、锁模元件；第三腔镜为激光输出镜；种子源的工作过程如下：激光二极管输出泵浦激光；该泵浦激光经由整形透镜组进行整形和规整化；而后泵浦Nd:YVO4晶体，产生振荡光，该振荡光在种子光谐振腔中振荡放大，而后在第三腔镜处出射。
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