CN112886371A - 基于碟片增益介质的激光再生放大器 - Google Patents

基于碟片增益介质的激光再生放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碟片增益介质的激光再生放大器包括种子光源、光纤耦合准直模块、再生放大谐振腔、泵浦模块和光隔离器，再生放大谐振腔包括包括第一偏振片、法拉第旋转器、1/2波片、第二偏振片、普克尔盒、1/4波片、第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、碟片增益介质、第七腔镜和第八腔镜，所述第一腔镜、第三腔镜和第五腔镜为凹面镜，所述第四腔镜、第七腔镜和第八腔镜为平面镜。本发明的种子光在再生放大谐振腔内往复振荡，每次经过碟片增益介质后能量都得到放大，具有更低的热透镜效应，放大效率线性化程度和脉冲稳定性高，并能保证极高的光束质量。

Description

基于碟片增益介质的激光再生放大器
技术领域
本发明涉及激光脉冲放大技术领域，特别是涉及一种基于碟片增益介质的激光再生放大器。
背景技术
由于激光精细加工的需求越来越来越广，超快(皮秒/飞秒)激光是一种不可或缺的工具。超快激光脉冲现阶段主要通过锁模技术实现，其平均功率一般在毫瓦、单脉冲能量在纳焦耳量级，限制了其在工业加工领域的应用。为了获得更高功率的超快激光，需要对锁模振荡腔输出的种子激光进行放大。目前针对锁模技术产生的超快激光脉冲有行波放大和再生放大两种方式，行波放大是种子激光以单通或多通方式通过激光增益介质，增益系数有限，仅限于低功率放大(一般100瓦以下)；再生放大是种子激光在再生放大谐振腔内往返几十次甚至上百次，增益系数达105-107，可将种子激光平均功率提升到千瓦、单脉冲能量到几百毫焦量级。
目前常见的再生放大谐振腔有棒状增益介质谐振腔和板条增益介质谐振腔。棒状增益介质再生放大谐振腔在高功率热透镜效应非常严重，很难实现高平均功率输出且因为热畸变影响，激光光束质量不高。板条增益介质再生放大谐振腔，虽然也可以实现高功率和大单脉冲能量放大，但因为板条增益介质本身的长条形状，其输出光斑也是长条形状，其在XY方向的发散角和光束质量都不一致，需要复杂的整形光路才能实现圆形光斑输出。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种基于碟片增益介质的激光再生放大器，减小热透镜效应，改善激光光束质量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于碟片增益介质的激光再生放大器，包括：
种子光源，用于提供S偏振的种子光；
光纤耦合准直模块，将种子光进行准直；
再生放大谐振腔，包括第一偏振片、法拉第旋转器、1/2波片、第二偏振片、普克尔盒、1/4波片、第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、碟片增益介质、第七腔镜和第八腔镜，所述第一腔镜、第三腔镜和第五腔镜为凹面镜，所述第四腔镜、第七腔镜和第八腔镜为平面镜；
泵浦模块，用于产生泵浦光并给碟片增益介质提供能量；
光隔离器，用于防止经过再生放大谐振腔放大后的种子光脉冲返回到种子光源，所述光隔离器和第一偏振片之间设置有45°反射镜；
种子光经过光纤耦合准直模块准直后通过光隔离器被45°反射镜反射依次通过第一偏振片、法拉第旋转器、1/2波片、第二偏振片、未加电压的普克尔盒和1/4波片到达第一腔镜，种子光第一次通过1/4波片时由P偏振变成圆偏振，被第一腔镜反射再次通过1/4波片，由圆偏振变成S偏振，然后再次通过未加电压的普克尔盒到达第二偏振片，被第二偏振片反射后依次被第三腔镜、第四腔镜和第五腔镜反射到达碟片增益介质，种子光的能量得到放大并被碟片增益介质反射至第七腔镜，种子光被第七腔镜反射至第八腔镜后沿原光路反射至第二偏振片，被第二偏振片反射通过加载1/4波片电压的普克尔盒，保持S偏振的种子光在第一腔镜、第二偏振片、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、碟片增益介质、第七腔镜和第八腔镜之间往复振荡，直到种子光的能量增益到目标值后将普克尔盒的电压降为0，放大后的种子光通过普克尔盒穿过1/4波片并被第一腔镜反射再次穿过1/4波片，偏振态由S偏振变为P偏振，经第二偏振片透射穿过1/2波片和法拉第旋转器，由P偏振变为S偏振，经第一偏振片反射输出。
优选的是，所述第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第七腔镜、第八腔镜和碟片增益介质构成一稳腔，所述种子光的激光模式与所述稳腔的本征模式相匹配。
优选的是，所述第三腔镜与第五腔镜构成一望远镜系统。
优选的是，所述碟片增益介质为圆盘形，所述碟片增益介质的厚度小于0.2mm，所述碟片增益介质的直径为10mm～20mm。
优选的是，所述碟片增益介质与一热沉键合连接，所述热沉通过水流导热。
优选的是，所述普克尔盒内设置有偏硼酸钡晶体。
优选的是，所述碟片增益介质为晶体、玻璃或陶瓷，所述碟片增益介质内掺杂有Nd离子、Yb离子或Ti离子。
优选的是，所述第一偏振片和第二偏振片均为对P偏振1030nm波长光高透过率，对S偏振1030nm波长光高反射率，所述第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第七腔镜、第八腔镜和碟片增益介质均为对1030nm光高反射率。
优选的是，所述泵浦模块包括泵浦激光和泵浦腔，所述泵浦激光由光纤耦合半导体激光器或半导体激光阵列输出。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明基于碟片增益介质的激光再生放大器包括种子光源、光纤耦合准直模块、再生放大谐振腔、泵浦模块和光隔离器，再生放大谐振腔包括第一偏振片、法拉第旋转器、1/2波片、第二偏振片、普克尔盒、1/4波片、第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、碟片增益介质、第七腔镜和第八腔镜，种子光在再生放大谐振腔内往复振荡，每次经过碟片增益介质后能量都得到放大，使用碟片增益介质相比棒状增益介质和板条增益介质有更低的热透镜效应，放大效率线性化程度和脉冲稳定性高，并能保证极高的光束质量；碟片增益介质通过键合固定在热沉上，得到高效均匀冷却，进一步降低了热透镜效应，获得高平均功率、高光束质量的激光输出。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明基于碟片增益介质的激光再生放大器的结构示意图；
附图2为本发明基于碟片增益介质的激光再生放大器的模拟光路图。
其中：1、第一腔镜；2、第二偏振片；3、第三腔镜；4、第四腔镜；5、第五腔镜；6、碟片增益介质；7、第七腔镜；8、第八腔镜；9、种子光源；10、光纤耦合准直模块；11、光隔离器；12、45°反射镜；13、第一偏振片；14、法拉第旋转器；15、1/2波片；16、普克尔盒；17、1/4波片；18、泵浦模块。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个原件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
附图1为本发明一种基于碟片增益介质的激光再生放大器的结构示意图，包括种子光源9、光纤耦合准直模块10、再生放大谐振腔、泵浦模块18和光隔离器11。
本实施例中，种子光源9提供脉宽小于10皮秒、重频为50MHz、波长为1030纳米、平均功率不小于50mW的S偏振的种子光。光纤耦合准直模块10将种子光进行准直，经光纤耦合准直后输出的光斑直径为0.9mm。
再生放大谐振腔用于将注入的种子光脉冲进行多次振荡反射，实现激光脉冲能量放大，输出放大后的激光脉冲。其包括第一偏振片13、法拉第旋转器14、1/2波片15、第二偏振片2、普克尔盒16、1/4波片17、第一腔镜1、第三腔镜3、第四腔镜4、第五腔镜5、碟片增益介质6、第七腔镜7和第八腔镜8。其中，第一腔镜1为R3000mm的凹面镜，第三腔镜3为R400mm的凹面镜，第五腔镜5为R1000mm的凹面镜，第三腔镜3到第五腔镜5的距离为700mm，第四腔镜4、第七腔镜7和第八腔镜8为平面镜或近似为平面镜。第一偏振片13和第二偏振片2均为对P偏振1030nm波长光高透过率，对S偏振1030nm波长光高反射率，第一腔镜1、第三腔镜3、第四腔镜4、第五腔镜5、第七腔镜7、第八腔镜8和碟片增益介质6均为对1030nm光高反射率。第二偏振片2为零级薄膜偏振片。
第一腔镜1、第三腔镜3、第四腔镜4、第五腔镜5、第七腔镜7、第八腔镜8和碟片增益介质6构成一稳腔，种子光的激光模式与该稳腔的本征模式相匹配。第三腔镜3到第五腔镜5之间构成一个望远镜系统，使激光光束在再生放大谐振腔之间多次往返时保持不变，又能使再生放大谐振腔有大的模体积。
碟片增益介质6为圆盘形，碟片增益介质6的厚度小于0.2mm，直径为10mm～20mm，直径与厚度比为50：1以上。在再生放大谐振腔中，碟片增益介质6既是反射激光的腔镜，又是激光增益介质。碟片增益介质6可以是晶体、玻璃或陶瓷，碟片增益介质6内掺杂有Nd离子、Yb离子或Ti离子。本实施例中碟片增益介质6使用掺杂Yb浓度9％的YAG晶体，厚度为0.12mm，直径为10mm，经抛光后，一面镀930-1040nm增透膜，一面镀930-1040nm全反膜，镀全反膜面键合在一铜钨合金制成的热沉上，形成良好的导热，并通过热沉背部水流将热传导出去，使碟片增益介质6上的热分布几乎可以近似为一维热传导，得到高效均匀冷却，在工作中几乎无热透镜效应，因此可获得高平均功率、大单脉冲能量、高光束质量的激光输出。
通过普克尔盒16的光束保证了较小的直径，因此仅需较小口径的晶体加载合适的高压，在再生放大谐振腔处于放大状态时，使普克尔盒16为1/4波片。本实施例中普克尔盒16选用口径为3mmX3mm、长度为25mm的偏硼酸钡晶体，偏硼酸钡晶体加压的两面镀金，激光通过的两端面镀1030nm增透膜。
附图2为本实施例中，再生放大谐振腔的光路模拟图，横坐标0到2035mm，对应第一腔镜1到第八腔镜8的光程，从图中可以看到，经过普克尔盒16的光斑直径约为0.9mm，经过碟片增益介质6的光斑直径约为2.3mm，保证了可以使用较小口径的偏硼酸钡晶体，又保证了在碟片增益介质6上有较大的模式，此腔对距离变化不敏感。
泵浦模块18用于产生泵浦光并给碟片增益介质6提供能量。泵浦模块18包括泵浦激光和泵浦腔，泵浦激光由光纤耦合半导体激光器或半导体激光阵列输出，泵浦激光经透镜准直后，经泵浦腔多次经过碟片增益介质6，为激光抽运提供能量。泵浦腔可实现12-96次的多次往返泵浦。本实施例中，泵浦模块18中使用的泵浦激光为光纤耦合输出的带锁波的半导体激光器，波长为969nm，最大输出功率为400瓦。在800KHz下，设定放大时间900ns，使用317w瓦的泵浦激光时实现了200W的激光输出，光光转换效率达到了63％。
光隔离器11用于防止经过再生放大谐振腔放大后的种子光脉冲返回到种子光源9，光隔离器11和第一偏振片13之间设置有45°反射镜12。
工作时，种子光源9输出的种子光经过光纤耦合准直模块10准直后通过光隔离器11被45°反射镜12反射依次通过第一偏振片13、法拉第旋转器14、1/2波片15、第二偏振片2、未加电压的普克尔盒16和1/4波片17到达第一腔镜1，种子光第一次通过1/4波片17时其偏振态由P偏振变成圆偏振，被第一腔镜1反射再次通过1/4波片17，由圆偏振变成S偏振，然后再次通过未加电压的普克尔盒16到达第二偏振片2，被第二偏振片2反射后依次被第三腔镜3、第四腔镜4和第五腔镜5反射到达碟片增益介质6，种子光的能量得到放大并被碟片增益介质6反射至第七腔镜7，种子光被第七腔镜7反射至第八腔镜8后沿原光路反射至第二偏振片2，被第二偏振片2反射通过加载1/4波片电压的普克尔盒16，保持S偏振的种子光在第一腔镜1、第二偏振片2、第三腔镜3、第四腔镜4、第五腔镜5、碟片增益介质6、第七腔镜7和第八腔镜8之间往复振荡几十次，每次经过碟片增益介质6后，种子光的能量都得到放大，直到种子光的能量增益到目标值后将普克尔盒16的电压降为0，放大后的种子光通过普克尔盒16穿过1/4波片17并被第一腔镜1反射再次穿过1/4波片17，偏振态由S偏振变为P偏振，经第二偏振片2透射穿过1/2波片15和法拉第旋转器14，由P偏振变为S偏振，经第一偏振片13反射输出。
本实施例基于碟片增益介质的激光再生放大器比基于棒状增益介质和板条增益介质的再生放大谐振腔有更低的热透镜效应，放大效率线性化程度和脉冲稳定性高，光束质量在高低功率下基本一致。通过匹配种子光在再生放大谐振腔模式与谐振腔的本征模式，实现放大，由于碟片增益介质在厚度尺寸上远小于本身的直径且具有良好的背部冷却，热影响可以近似为一维，几乎无热透镜效应，因此本实施例中的再生放大谐振腔既可以实现高平均功率大单脉冲能量额放大，还能保证很好的激光光束质量。
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 (9)

1.一种基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于，包括：
种子光源，用于提供S偏振的种子光；
光纤耦合准直模块，将种子光进行准直；
再生放大谐振腔，包括第一偏振片、法拉第旋转器、1/2波片、第二偏振片、普克尔盒、1/4波片、第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、碟片增益介质、第七腔镜和第八腔镜，所述第一腔镜、第三腔镜和第五腔镜为凹面镜，所述第四腔镜、第七腔镜和第八腔镜为平面镜；
泵浦模块，用于产生泵浦光并给碟片增益介质提供能量；
光隔离器，用于防止经过再生放大谐振腔放大后的种子光脉冲返回到种子光源，所述光隔离器和第一偏振片之间设置有45°反射镜；
种子光经过光纤耦合准直模块准直后通过光隔离器被45°反射镜反射依次通过第一偏振片、法拉第旋转器、1/2波片、第二偏振片、未加电压的普克尔盒和1/4波片到达第一腔镜，种子光第一次通过1/4波片时由P偏振变成圆偏振，被第一腔镜反射再次通过1/4波片，由圆偏振变成S偏振，然后再次通过未加电压的普克尔盒到达第二偏振片，被第二偏振片反射后依次被第三腔镜、第四腔镜和第五腔镜反射到达碟片增益介质，种子光的能量得到放大并被碟片增益介质反射至第七腔镜，种子光被第七腔镜反射至第八腔镜后沿原光路反射至第二偏振片，被第二偏振片反射通过加载1/4波片电压的普克尔盒，保持S偏振的种子光在第一腔镜、第二偏振片、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、碟片增益介质、第七腔镜和第八腔镜之间往复振荡，直到种子光的能量增益到目标值后将普克尔盒的电压降为0，放大后的种子光通过普克尔盒穿过1/4波片并被第一腔镜反射再次穿过1/4波片，偏振态由S偏振变为P偏振，经第二偏振片透射穿过1/2波片和法拉第旋转器，由P偏振变为S偏振，经第一偏振片反射输出。
2.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第七腔镜、第八腔镜和碟片增益介质构成一稳腔，所述种子光的激光模式与所述稳腔的本征模式相匹配。
3.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述第三腔镜与第五腔镜构成一望远镜系统。
4.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述碟片增益介质为圆盘形，所述碟片增益介质的厚度小于0.2mm，所述碟片增益介质的直径为10mm～20mm。
5.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述碟片增益介质与一热沉键合连接，所述热沉通过水流导热。
6.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述普克尔盒内设置有偏硼酸钡晶体。
7.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述碟片增益介质为晶体、玻璃或陶瓷，所述碟片增益介质内掺杂有Nd离子、Yb离子或Ti离子。
8.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述第一偏振片和第二偏振片均为对P偏振1030nm波长光高透过率，对S偏振1030nm波长光高反射率，所述第一腔镜、第三腔镜、第四腔镜、第五腔镜、第七腔镜、第八腔镜和碟片增益介质均为对1030nm光高反射率。
9.根据权利要求1所述的基于碟片增益介质的激光再生放大器，其特征在于：所述泵浦模块包括泵浦激光和泵浦腔，所述泵浦激光由光纤耦合半导体激光器或半导体激光阵列输出。
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CN115347449A (zh) * 2022-10-18 2022-11-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 薄片再生放大器及放大方法

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