CN112838464A - 不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，公开了一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，包括：使多束不同中心波长的皮秒脉冲激光束入射啁啾布拉格光栅，多束皮秒脉冲激光束相邻的两两之间的脉冲间距为cT/2n，其中，c为光速，T为脉冲间隔，n为啁啾布拉格光栅的平均折射率；多束皮秒脉冲激光束在啁啾布拉格光栅的内部满足布拉格衍射条件和空间啁啾率的要求，从而可实现多束皮秒脉冲激光束的合束。通过上述方式，本发明能够简化多波长合束系统的结构复杂性，同时可以高效放大皮秒脉冲，获得更高能量和更大峰值功率。

Description

不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法。
背景技术
超短激光脉冲由于脉冲持续时间短，峰值功率高，在工业加工中产生的热效应低、加工精度高。纳秒激光脉冲可以获得很高的能量输出，在工业加工中得到广泛应用，但是，其脉冲持续时间大于“电子-声子”弛豫时间(约10ps)，加工过程中不可避免地产生热影响区，导致微裂纹、溅射等不良现象，影响加工精度和性能。对于皮秒脉冲而言，尽管其脉宽小于“电子-声子”弛豫时间，热影响区极小，具有“冷加工”的优势，但是其结构复杂、运行和维护成本高，平均功率低，很难实现工业化应用。
皮秒激光器相比于飞秒激光器，结构简单、造价低、皮实可靠，且平均功率高；与纳秒激光器相比，皮秒激光脉冲具有更小的热影响区，加工精度和质量高。因此，皮秒脉冲激光越来越受到工业加工、科研等领域的青睐。
激光合束技术是一种有效地提高激光输出功率和功率密度的方法。激光合束方法通常有相干合束、偏振合束和光谱合束等。相干合束技术利用相长干涉获得更高的输出功率、更高光束质量，但其对激光器要求苛刻，技术实现相对比较复杂，需要对各束光源进行精准的相位控制，规模庞大。偏振合束对具有两个相互垂直方向的偏振激光束进行合束，不能实现多个光源进行合束的能力。光谱合束中，更多波长的光束进行合束致使其合束系统结构更复杂。
因此，如何简化多波长合束系统的结构复杂性，同时高效放大皮秒脉冲，获得更高能量和更大峰值功率是亟待解决的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，能够简化多波长合束系统的结构复杂性，同时可以高效放大皮秒脉冲，获得更高能量和更大峰值功率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，包括：使多束不同中心波长的皮秒脉冲激光束入射啁啾布拉格光栅，多束皮秒脉冲激光束相邻的两两之间的脉冲间距为cT/2n，其中，c为光速，T为脉冲间隔，n为啁啾布拉格光栅的平均折射率；多束皮秒脉冲激光束在啁啾布拉格光栅的内部满足布拉格衍射条件和空间啁啾率的要求，从而可实现多束皮秒脉冲激光束的合束。
优选的，多束皮秒脉冲激光束在入射啁啾布拉格光栅之前，先经过了分束组件，且在合束后，又通过分束组件出射；所述分束组件通过控制入射的皮秒脉冲激光束的偏振特性，实现入射的多束皮秒脉冲激光束和衍射后合束脉冲激光的分离。
优选的，所述分束组件包括偏振分束器和1/4波片。
优选的，所述偏振分束器、1/4波片和所述啁啾布拉格光栅具有相同的光轴。
优选的，所述皮秒脉冲激光束为周期脉冲光束，其脉冲宽度为百皮秒或者数十皮秒量级。
优选的，所述啁啾布拉格光栅有多块，多块啁啾布拉格光栅的空间啁啾率相同，多块啁啾布拉格光栅的光栅周期不同；多块啁啾布拉格光栅的排放顺序与入射的皮秒脉冲激光束的中心波长有关，光栅周期短的啁啾布拉格光栅对应中心波长短的皮秒脉冲激光束，光栅周期长的啁啾布拉格光栅对应中心波长长的皮秒脉冲激光束，以此类推；相邻的啁啾布拉格光栅的通带具有连续性。
本发明的有益效果是：本发明能够简化多波长合束系统的结构复杂性，提高多波长合束系统的简单性和有效性，以及实施方便，同时可高效放大皮秒脉冲，获得更高能量和更大峰值功率。本发明的可扩展性强，可实现更高功率、高光束质量的光谱合束输出，克服了单个激光器输出功率的极限问题。同时，该方案原理简单、皮实、稳定可靠、成本低，可高效应用于多束不同波长的皮秒脉冲激光的合束。
附图说明
图1是本发明不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法实施例1的结构示意图；
图2是本发明不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法实施例1中入射的皮秒脉冲激光的示意图；
图3是本发明不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法实施例1中入射的皮秒脉冲激光经啁啾布拉格光栅合束后的脉冲激光的分布示意图；
图4是本发明不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法实施例2的结构示意图；
图5是本发明不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法实施例3的结构示意图；
图6是本发明不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法实施例4的结构示意图。
附图中各部件的标记如下：1、偏振分束器；2、1/4波片；3、啁啾布拉格光栅；31、第一啁啾布拉格光栅；32、第二啁啾布拉格光栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图6，本发明实施例包括：
实施例1
一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，包括：
两束皮秒脉冲激光束(高斯型皮秒脉冲激光束)；两束皮秒脉冲激光束的中心波长分别为λ1＝1053nm、λ2＝1056nm，两束皮秒脉冲激光束的脉宽Δt均为100ps，两束皮秒脉冲激光束的脉冲间隔T为800ps，两束皮秒脉冲激光束的传播方向平行于光轴。
一块啁啾布拉格光栅3；所述啁啾布拉格光栅3的厚度为10cm、空间啁啾率SCR为0.33nm/cm。
这两束皮秒脉冲激光束入射啁啾布拉格光栅3的入射方向相同，这两束皮秒脉冲激光束经所述啁啾布拉格光栅3完成合束需满足以下两个条件：
1、这两束皮秒脉冲激光束满足所述啁啾布拉格光栅3的布拉格条件：
λ＝2nΛ(z)·cosα
其中，n为啁啾布拉格光栅3的平均折射率，Λ(z)为啁啾布拉格光栅3的周期，z为啁啾布拉格光栅3的厚度，α为皮秒脉冲激光束入射啁啾布拉格光栅3的入射角度，λ为入射的皮秒脉冲激光束的中心波长。
2、这两束皮秒脉冲激光束之间存在的脉冲间距为cT/2n，其中，c为光速，T为脉冲间隔，n为啁啾布拉格光栅3的平均折射率，即要求啁啾布拉格光栅3的空间啁啾率SCR满足公式：SCR＝|λ2-λ1|/cT。
即这两束皮秒脉冲激光束在所述啁啾布拉格光栅3的内部满足布拉格衍射条件和空间啁啾率的要求，实现多束皮秒脉冲激光束的合束。如图4所示，两束不同波长的皮秒脉冲激光束(入射脉冲)合为一条光束(合束脉冲)时，输出峰值功率为初始功率的4倍。
同理可知，本发明提供的不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，对于其他波长的皮秒脉冲激光来说，只需要选取不同的中心波长，并根据不同的中心波长差和脉冲间距相应的调整啁啾布拉格光栅3的厚度，可保证多束不同波长的激光束从啁啾布拉格光栅3中出射，从而实现不同波长皮秒脉冲激光束的合束。
实施例2
一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，在实施例1的基础上，增加了偏振分束器1和1/4波片(四分之一波片、四分之一推迟板)2组成的分束组件。所述偏振分束器1、1/4波片2和所述啁啾布拉格光栅3具有相同的光轴。两束皮秒脉冲激光束在入射啁啾布拉格光栅3之前，先经过了分束组件；且在经过啁啾布拉格光栅3衍射并合束后，又依次通过1/4波片2、偏振分束器1出射，以分离出合束的脉冲激光；所述分束组件通过控制入射的皮秒脉冲激光束的偏振特性，实现入射脉冲激光(入射的两束皮秒脉冲激光束)和衍射后合束脉冲激光的分离。
偏振分束器1和1/4波片2用于控制进入啁啾布拉格光栅3中皮秒脉冲激光的偏振特性，承担着入射脉冲激光和衍射后合束脉冲激光的分离作用。
实施例3
一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，包括：
两束皮秒脉冲激光束(周期脉冲光束)；两束皮秒脉冲激光束的脉冲间距均为30ps、脉冲宽度均为10ps，其中一束皮秒脉冲激光束的中心波长为1053nm，另一束皮秒脉冲激光束的中心波长为1055nm。
串联的第一啁啾布拉格光栅31和第二啁啾布拉格光栅32组成的啁啾布拉格系统；第一啁啾布拉格光栅31和第二啁啾布拉格光栅32的空间啁啾率相同，均为7nm/cm；第一啁啾布拉格光栅31的光栅周期小于第二啁啾布拉格光栅32的光栅周期；所述第一啁啾布拉格光栅31对应中心波长为1053nm的皮秒脉冲激光束，所述第二啁啾布拉格光栅32对应中心波长为1055nm的皮秒脉冲激光束，第一啁啾布拉格光栅31和第二啁啾布拉格光栅32两者的位置不能调换；第一啁啾布拉格光栅31和第二啁啾布拉格光栅32的通带具有连续性。
这两束皮秒脉冲激光束正入射啁啾布拉格系统中，入射的皮秒脉冲激光束部分波长在第一啁啾布拉格光栅31中发生衍射，入射的皮秒脉冲激光束剩余部分波长继续在第二啁啾布拉格光栅32中发生衍射，从而实现了不同波长皮秒脉冲激光束的合束。
同理可知，本发明提供的不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，对于其他波长的皮秒脉冲激光来说，根据选取的不同中心波长的脉冲激光，相应的选择多块不同周期但光栅空间啁啾率相同的啁啾布拉格光栅，并按照一定次序串联放置使用，位置不能调换，各相邻啁啾布拉格光栅之间的间距d可相同，也可不同。
多块啁啾布拉格光栅的空间啁啾率相同，但是光栅周期不同，而折射率调制幅度也可不同，因此各啁啾布拉格光栅的频谱响应带宽不同，但串联结构中相邻啁啾布拉格光栅的通带具有连续性。多块啁啾布拉格光栅各自的响应带宽独立，可以叠加出一个更大的带宽。通过多块啁啾布拉格光栅的叠加，可以实现更大的响应带宽，合成更多的皮秒脉冲激光束。
实施例4
一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，在实施例3的基础上，增加了偏振分束器1和1/4波片(四分之一波片、四分之一推迟板)2组成的分束组件。使得两束皮秒脉冲激光束在入射第一啁啾布拉格光栅31之前，先经过了分束组件，且在经过啁啾布拉格系统衍射并合束后，又从偏振分束器1和1/4波片2组成的分束组件出射；所述分束组件通过控制入射的皮秒脉冲激光束的偏振特性，实现入射脉冲激光和衍射后合束脉冲激光的分离。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，其特征在于，包括：使多束不同中心波长的皮秒脉冲激光束入射啁啾布拉格光栅，多束皮秒脉冲激光束相邻的两两之间的脉冲间距为cT/2n，其中，c为光速，T为脉冲间隔，n为啁啾布拉格光栅的平均折射率；多束皮秒脉冲激光束在啁啾布拉格光栅的内部满足布拉格衍射条件和空间啁啾率的要求，从而可实现多束皮秒脉冲激光束的合束。
2.根据权利要求1所述的不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，其特征在于：多束皮秒脉冲激光束在入射啁啾布拉格光栅之前，先经过了分束组件，且在合束后，又通过分束组件出射；所述分束组件通过控制入射的皮秒脉冲激光束的偏振特性，实现入射的多束皮秒脉冲激光束和衍射后合束脉冲激光的分离。
3.根据权利要求2所述的不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，其特征在于：所述分束组件包括偏振分束器和1/4波片。
4.根据权利要求3所述的不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，其特征在于：所述偏振分束器、1/4波片和所述啁啾布拉格光栅具有相同的光轴。
5.根据权利要求1所述的不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，其特征在于：所述皮秒脉冲激光束为周期脉冲光束，其脉冲宽度为百皮秒或者数十皮秒量级。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的不同波长皮秒脉冲激光束的合束方法，其特征在于：所述啁啾布拉格光栅有多块，多块啁啾布拉格光栅的空间啁啾率相同，多块啁啾布拉格光栅的光栅周期不同；多块啁啾布拉格光栅的排放顺序与入射的皮秒脉冲激光束的中心波长有关，光栅周期短的啁啾布拉格光栅对应中心波长短的皮秒脉冲激光束，光栅周期长的啁啾布拉格光栅对应中心波长长的皮秒脉冲激光束，以此类推；相邻的啁啾布拉格光栅的通带具有连续性。
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