CN115084989A - 一种固体激光放大器及飞秒脉冲激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体激光放大器及飞秒脉冲激光装置。固体激光放大器包括泵浦源、激光晶体和激光调制单元；激光调制单元包括多个偏振相关光学器件，偏振相关光学器件在传输信号光束时三次改变信号光束的偏振态，使信号光束四次经过激光晶体；泵浦源出射泵浦光，泵浦光从激光晶体的第一端和第二端耦合入激光晶体。本发明的技术方案，针对小信号增益过程中的提取效率低下、热量分布不均及光束质量恶化的缺点，通过优化放大结构，采用四程双偏振态放大模式，减少增益介质中由于光偏振吸收特性造成的能量损失，同时往返通过增益介质的两程之间进行球差自补偿，提高光束质量及光光转化效率，同时采用泵浦光双端注入，使增益介质热分布更加均匀。

Description

一种固体激光放大器及飞秒脉冲激光装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种固体激光放大器及飞秒脉冲激光装置。

背景技术

高能量飞秒激光器以其极高的峰值功率、窄的脉冲宽度，在材料精细微加工、半导体行业、太阳能光伏、科学研究等领域得到了广泛的应用。

由于飞秒脉冲峰值能量非常高，光纤器件可承受的峰值能量有限，直接放大很容易引起放大器器件损坏，因此高功率飞秒激光器通常采用光纤+脉冲展宽+固体主震荡功率放大MOPA+脉冲压缩结构，先利用展宽器将种子光脉冲展宽至几百皮秒甚至纳秒量级，然后输入放大器进行脉冲放大，放大器输出的激光再通过脉冲压缩装置，将百皮秒输出脉冲压缩至飞秒量级输出。

传统的大能量固体放大器包括以下几种主流方案：1、碟片放大结构，薄片结构散热好，晶体热畸变小，增益高且输出光束质量优异，特别适用于高功率大能量激光器，但晶体及散热结构工艺复杂，且光路结构调试不易；2、板条放大结构，采用大面冷却方式，增大散热面积，改变了热流方向，仅存一维热分布，可以实现高功率大能量的输出，结构相对碟片激光器简单，但输出的光束质量维度上差异较大，光斑圆度较差；3、再生放大结构是一种谐振腔结构，能实现高增益的放大效果，但需要时间控制与光路设计的精确匹配；4、块(棒)状晶体端面泵浦结构，冷却系统简单，容易实现模式匹配，对于小信号增益有极大优势，但存在径向温度梯度，热光效应强，难以实现既高功率输出的同时又保证高光束质量。

发明内容

本发明提供了一种固体激光放大器及飞秒脉冲激光装置，该固体激光放大器针对小信号增益过程中的提取效率低下、热量分布不均以及光束质量恶化的缺点，通过优化放大结构，采用四程双偏振态放大模式，减少增益介质中由于光偏振吸收特性造成的能量损失，同时往返通过增益介质的两程之间进行球差自补偿，提高光束质量以及光光转化效率，同时采用泵浦光双端注入，使增益介质热分布更加均匀。

根据本发明的一方面，提供了一种固体激光放大器，包括泵浦源、激光晶体和激光调制单元；

所述激光调制单元包括多个偏振相关光学器件，待放大的信号光束入射至所述激光调制单元，所述偏振相关光学器件用于在传输所述信号光束时三次改变所述信号光束的偏振态，使所述信号光束四次经过所述激光晶体；

所述泵浦源用于出射泵浦光，所述泵浦光从所述激光晶体的第一端和第二端耦合入所述激光晶体；

所述激光晶体用于吸收所述泵浦光以实现所述信号光束的四程放大。

可选的，所述偏振相关光学器件包括二分之一波片、偏振分光镜、法拉第旋转器和四分之一波片；

所述激光调制单元包括沿第一方向共光轴依次排列的第一二分之一波片、第一偏振分光镜、法拉第旋转器、第二二分之一波片、第二偏振分光镜和第一双色镜，所述激光调制单元还包括第二双色镜、第一反射镜、第二反射镜、四分之一波片和第三反射镜，其中所述第一双色镜、所述激光晶体和所述第二双色镜沿第二方向共光轴排列，所述第一反射镜与所述第二偏振分光镜的第二端相对设置且沿所述第二方向共光轴排列，所述第二反射镜、所述四分之一波片和所述第三反射镜沿所述第二方向共光轴排列，所述第一方向和所述第二方向交叉；

所述信号光束经过所述第一二分之一波片透射后为第一偏振方向的光束，入射至所述第一偏振分光镜发生透射，经过所述法拉第旋转器、所述第二二分之一波片后偏振态不变，入射至所述第二偏振分光镜发生透射，经过所述第一双色镜反射后第一次入射至所述激光晶体；

所述激光晶体透射的所述第一偏振方向的光束经过所述第二双色镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第二反射镜和所述第二双色镜依次反射后第二次入射至所述激光晶体，此过程中所述第一偏振方向的光束两次透射所述四分之一波片，变为第二偏振方向的光束；

所述第二偏振方向的光束经过所述激光晶体透射、所述第一双色镜反射后入射至所述第二偏振分光镜发生反射至所述第一反射镜，并原路返回第三次入射至所述激光晶体；

所述激光晶体透射的所述第二偏振方向的光束经过所述第二双色镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第二反射镜和所述第二双色镜依次反射后第四次入射至所述激光晶体，此过程中所述第二偏振方向的光束两次透射所述四分之一波片，变为第一偏振方向的光束；

第一偏振方向的光束经过所述第一双色镜反射、所述第二偏振分光镜透射后，再经过所述第二二分之一波片和所述法拉第旋转器透射后变为第二偏振方向的光束，再入射至所述第一偏振分光镜发生反射并输出。

可选的，所述激光调制单元还包括激光整形透镜组，所述激光整形透镜组包括设置于所述第一二分之一波片远离所述第一偏振分光镜的一侧、所述第一二分之一波片和所述第一偏振分光镜之间或所述第一反射镜与所述第二偏振分光镜之间的至少一个位置的至少一片透镜。

可选的，所述激光调制单元还包括第一隔离器，所述隔离器位于所述第一二分之一波片和所述第一偏振分光镜之间。

可选的，所述泵浦源包括第一泵浦源和第二泵浦源，所述第一泵浦源输出的泵浦光从所述激光晶体的第一端耦入所述激光晶体，所述第二泵浦源输出的泵浦光从所述激光晶体的第二端耦入所述激光晶体。

可选的，还包括泵浦光整形透镜组，所述泵浦光整形透镜组包括位于所述第一泵浦源和所述第一双色镜之间的至少一片透镜以及位于所述第二泵浦源和所述第二双色镜之间的至少一片透镜。

可选的，还包括位于所述第一偏振分光镜的放大光束输出端的第二隔离器。

可选的，还包括位于所述第一偏振分光镜的放大光束输出端的至少一片透镜。

可选的，还包括位于所述第一偏振分光镜的放大光束输出端的第三二分之一波片。

根据本发明的另一方面，提供了一种飞秒脉冲激光装置，包括种子源、光纤放大器、脉冲展宽器、上述任意一种固体激光放大器以及脉冲压缩器；

所述种子源用于输出飞秒种子脉冲；

所述光纤放大器用于将所述飞秒种子脉冲预放大为预放大脉冲；

所述脉冲展宽器用于将所述预放大脉冲在时域上展宽为展宽脉冲；

所述固体激光放大器用于放大所述展宽脉冲的功率；

所述脉冲压缩器用于将放大后的展宽脉冲进行时域压缩，输出飞秒激光脉冲。

本发明实施例的技术方案，包括泵浦源、激光晶体和激光调制单元，通过激光调制单元在传输信号光束时三次改变信号光束的偏振态，使信号光束四次经过激光晶体；通过泵浦源从激光晶体的第一端和第二端耦合入激光晶体的泵浦光；采用双端泵浦四次过激光晶体的方式进行增益放大，结构紧凑，减少光学元器件，四程往返，光光转化效率高，两次双通的晶体热球差补偿，光束质量优异，另外泵浦光从激光晶体两端入射，在总的泵浦光功率相同的情况下热量被分散，也有助于减小热畸变，提高光束质量。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种固体激光放大器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种固体激光放大器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种固体激光放大器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种固体激光放大器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种飞秒脉冲激光装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

小信号光经过增益介质时的放大倍率高，但实际的光光转化效率低，仅有不到15％，其余大部分都以热损耗的形式浪费，为了解决现有技术小信号增益过程中的提取效率低下、热量分布不均、光束质量恶化的缺点，本发明实施例提供的一种固体激光放大器，包括泵浦源、激光晶体和激光调制单元；激光调制单元包括多个偏振相关光学器件，待放大的信号光束入射至激光调制单元，偏振相关光学器件用于在传输信号光束时三次改变信号光束的偏振态，使信号光束四次经过激光晶体；泵浦源用于出射泵浦光，泵浦光从激光晶体的第一端和第二端耦合入激光晶体；激光晶体用于吸收泵浦光以实现信号光束的四程放大。

本发明实施例的技术方案，采用双端泵浦四次过激光晶体的方式进行增益放大，结构紧凑，减少光学元器件，四程往返，光光转化效率高，两次双通的晶体热球差补偿，光束质量优异，另外泵浦光从激光晶体两端入射，在总的泵浦光功率相同的情况下热量被分散，也有助于减小热畸变，提高光束质量。

以上为本发明的核心思路，以下结合具体实施例和附图介绍本发明实施例提供的光放大器的结构，其中附图中示出的器件数量及位置关系仅是示意性的，在能实现相同功能的情况下，适当增加或减少某些器件、调整器件相对位置或各实施例之间相互组合等变形，均在本发明实施例的保护范围之内。

图1为本发明实施例提供的一种固体激光放大器的结构示意图。参考图1，该固体激光放大器包括泵浦源10、激光晶体20和激光调制单元30，激光调制单元30包括多个偏振相关光学元件，偏振相关光学器件包括二分之一波片、偏振分光镜、法拉第旋转器和四分之一波片。

激光调制单元30包括沿第一方向x共光轴依次排列的第一二分之一波片301、第一偏振分光镜302、法拉第旋转器303、第二二分之一波片304、第二偏振分光镜305和第一双色镜306，激光调制单元30还包括第二双色镜307、第一反射镜308、第二反射镜309、四分之一波片310和第三反射镜311，其中第一双色镜306、激光晶体20和第二双色镜307沿第二方向y共光轴排列，第一反射镜308与第二偏振分光镜305的第二端相对设置且沿第二方向y共光轴排列，第二反射镜309、四分之一波片310和第三反射镜311沿第二方向y共光轴排列，第一方向x和第二方向y交叉。其中偏振分光镜可以对某种偏振方向的偏振光(例如平行偏振光)透射，对另一偏振方向的偏振光(例如垂直偏振光)反射。第一双色镜306和第二双色镜307可以透射泵浦光而反射信号光。

信号光束经过第一二分之一波片301透射后为第一偏振方向(例如平行偏振)的光束，入射至第一偏振分光镜302发生透射，经过法拉第旋转器303、第二二分之一波片304后偏振态不变，入射至第二偏振分光镜305发生透射，经过第一双色镜306反射后第一次入射至激光晶体20；

激光晶体20透射的第一偏振方向的光束经过第二双色镜307、第二反射镜309、第三反射镜311、第二反射镜309和第二双色镜307依次反射后第二次入射至激光晶体20，此过程中第一偏振方向的光束两次透射四分之一波片310，变为第二偏振方向的光束(第一次偏振状态改变)；

第二偏振方向的光束经过激光晶体20透射、第一双色镜306反射后入射至第二偏振分光镜305发生反射至第一反射镜308，并原路返回第三次入射至激光晶体20；

激光晶体20透射的第二偏振方向的光束经过第二双色镜307、第二反射镜309、第三反射镜311、第二反射镜309和第二双色镜307依次反射后第四次入射至激光晶体20，此过程中第二偏振方向的光束两次透射四分之一波片310，变为第一偏振方向的光束(第二次偏振状态改变)；

第一偏振方向的光束经过第一双色镜306反射、第二偏振分光镜305透射后，再经过第二二分之一波片304和法拉第旋转器303透射后变为第二偏振方向的光束(第三次偏振状态改变)，再入射至第一偏振分光镜302发生反射并输出。

具体实施时，信号光束为脉冲光信号，输出脉冲宽度300ps～500ps，输出波长为1026nm～1034nm，输出光谱宽度8nm，输出光束为水平偏振光；偏振分光镜材质为熔融石英，消光比>1000:1；二分之一波片中心波长为1030nm，法拉第旋转器采用福晶科技HPRO-FS-50-5-1030-N-A01，激光晶体采用2％掺杂的尺寸为3mm×3mm×25mm的Yb：YAG晶体，泵浦光采用NA值为0.22，芯径为135μm的200W，940nm激光二极管LD模块，双色镜为AR@940nm&HR@1030nm。YAG晶体采用通水冷却座焊接包裹方式进行固定制冷，光纤LD模块用水冷座传导冷却方式进行冷却，信号光束采用芯径为20μm的光纤输出。

继续参考图1，可选的，泵浦源10包括第一泵浦源11和第二泵浦源12，第一泵浦源11输出的泵浦光从激光晶体20的第一端耦入激光晶体20，第二泵浦源12输出的泵浦光从激光晶体20的第二端耦入激光晶体20。

在其他实施例中，也可以设置一个泵浦源分束的方式为两个激光晶体同时提供泵浦光，具体实施时可以根据实际情况设计。通过设计泵浦光从晶体的两端入射，在总的泵浦光功率相同的情况下热量被分散，也有助于减小热畸变，提高光束质量。

可选的，激光调制单元还包括激光整形透镜组，激光整形透镜组包括设置于第一二分之一波片远离第一偏振分光镜的一侧、第一二分之一波片和第一偏振分光镜之间或第一反射镜与第二偏振分光镜之间的至少一个位置的至少一片透镜。

示例性的，图2为本发明实施例提供的另一种固体激光放大器的结构示意图，参考图2，激光整形透镜组包括设置于第一二分之一波片301远离第一偏振分光镜302的一侧的透镜312、第一二分之一波片301和第一偏振分光镜302之间的透镜313和第一反射镜308与第二偏振分光镜305之间透镜314。

通过设置激光整形透镜组，可以提高光斑质量，有利于光路调制。

继续参考图2，可选的，激光调制单元30还包括第一隔离器315，隔离器315位于第一二分之一波片301和第一偏振分光镜302之间。第一隔离器315用来保证信号光束单向传输，避免信号光束的回波对种子源产生影响。

可选的，固体激光放大器还包括泵浦光整形透镜组，泵浦光整形透镜组包括位于第一泵浦源和第一双色镜之间的至少一片透镜以及位于第二泵浦源和第二双色镜之间的至少一片透镜。

示例性的，图3为本发明实施例提供的又一种固体激光放大器的结构示意图。参考图3，泵浦光整形透镜组包括第一泵浦源11和第一双色镜306之间的透镜13、14以及位于第二泵浦源12和第二双色镜307之间的透镜15、16。

图4为本发明实施例提供的又一种固体激光放大器的结构示意图，参考图4，可选的，固体激光放大器还包括位于第一偏振分光镜302的放大光束输出端的第二隔离器316。

可选的，固体激光放大器还包括位于第一偏振分光镜302的放大光束输出端的透镜317、318。

可选的，固体激光放大器还包括位于第一偏振分光镜302的放大光束输出端的第三二分之一波片319。

具体实施时，透镜312为F＝25的透镜，透镜313和透镜314为F＝200的透镜，透镜13和透镜15为F＝30的透镜，将泵浦光光束调准直，透镜14和透镜16为F＝100的透镜，将泵浦光整形耦合进激光晶体20，泵浦光焦点处于激光晶体20内部端面附近。调试过程先将信号光束以设计的光路完成调试，在光路的关键位置处加入小孔光阑进行定位便于调试，保证光路的准直性和往返光轴的重合度，再依次对激光晶体20两个端面的泵浦光进行调试，通过调整耦合透镜位置使放大后光束的质心位置保持不变。然后将透镜314位置处的光束导出监测，调整透镜313的位置使透镜314处的光斑功率最佳；随后再监测透镜317位置处的光束，调整透镜314，使透镜317处的光斑功率最佳，随后通过透镜317与透镜318进行光束整形。

图5本发明实施例提供的一种飞秒脉冲激光装置的结构示意图。参考图5，该飞秒脉冲激光装置包括种子源1、光纤放大器2、脉冲展宽器3、上述实施例提供的任意一种固体激光放大器4以及脉冲压缩器5；种子源1用于输出飞秒种子脉冲；光纤放大器2用于将飞秒种子脉冲预放大为预放大脉冲；脉冲展宽器3用于将预放大脉冲在时域上展宽为展宽脉冲；固体激光放器4用于放大展宽脉冲的功率；脉冲压缩器5用于将放大后的展宽脉冲进行时域压缩，输出飞秒激光脉冲。具体实施时，光纤放大器2和脉冲展宽器3可以集成在一起，具体实施时可以根据实际情况设计。

由于本发明实施例提供的飞秒脉冲激光装置包括上述实施例提供的任意一种固体激光放大器，具有与固体激光放大器相同或相应的技术效果，此处不再详述。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种固体激光放大器，其特征在于，包括泵浦源、激光晶体和激光调制单元；

所述激光调制单元包括多个偏振相关光学器件，待放大的信号光束入射至所述激光调制单元，所述偏振相关光学器件用于在传输所述信号光束时三次改变所述信号光束的偏振态，使所述信号光束四次经过所述激光晶体；

所述泵浦源用于出射泵浦光，所述泵浦光从所述激光晶体的第一端和第二端耦合入所述激光晶体；

所述激光晶体用于吸收所述泵浦光以实现所述信号光束的四程放大。

2.根据权利要求1所述的固体激光放大器，其特征在于，所述偏振相关光学器件包括二分之一波片、偏振分光镜、法拉第旋转器和四分之一波片；

所述激光调制单元包括沿第一方向共光轴依次排列的第一二分之一波片、第一偏振分光镜、法拉第旋转器、第二二分之一波片、第二偏振分光镜和第一双色镜，所述激光调制单元还包括第二双色镜、第一反射镜、第二反射镜、四分之一波片和第三反射镜，其中所述第一双色镜、所述激光晶体和所述第二双色镜沿第二方向共光轴排列，所述第一反射镜与所述第二偏振分光镜的第二端相对设置且沿所述第二方向共光轴排列，所述第二反射镜、所述四分之一波片和所述第三反射镜沿所述第二方向共光轴排列，所述第一方向和所述第二方向交叉；

所述信号光束经过所述第一二分之一波片透射后为第一偏振方向的光束，入射至所述第一偏振分光镜发生透射，经过所述法拉第旋转器、所述第二二分之一波片后偏振态不变，入射至所述第二偏振分光镜发生透射，经过所述第一双色镜反射后第一次入射至所述激光晶体；

所述激光晶体透射的所述第一偏振方向的光束经过所述第二双色镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第二反射镜和所述第二双色镜依次反射后第二次入射至所述激光晶体，此过程中所述第一偏振方向的光束两次透射所述四分之一波片，变为第二偏振方向的光束；

所述第二偏振方向的光束经过所述激光晶体透射、所述第一双色镜反射后入射至所述第二偏振分光镜发生反射至所述第一反射镜，并原路返回第三次入射至所述激光晶体；

所述激光晶体透射的所述第二偏振方向的光束经过所述第二双色镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜、所述第二反射镜和所述第二双色镜依次反射后第四次入射至所述激光晶体，此过程中所述第二偏振方向的光束两次透射所述四分之一波片，变为第一偏振方向的光束；

第一偏振方向的光束经过所述第一双色镜反射、所述第二偏振分光镜透射后，再经过所述第二二分之一波片和所述法拉第旋转器透射后变为第二偏振方向的光束，再入射至所述第一偏振分光镜发生反射并输出。

3.根据权利要求2所述的固体激光放大器，其特征在于，所述激光调制单元还包括激光整形透镜组，所述激光整形透镜组包括设置于所述第一二分之一波片远离所述第一偏振分光镜的一侧、所述第一二分之一波片和所述第一偏振分光镜之间或所述第一反射镜与所述第二偏振分光镜之间的至少一个位置的至少一片透镜。

4.根据权利要求2所述的固体激光放大器，其特征在于，所述激光调制单元还包括第一隔离器，所述隔离器位于所述第一二分之一波片和所述第一偏振分光镜之间。

5.根据权利要求2所述的固体激光放大器，其特征在于，所述泵浦源包括第一泵浦源和第二泵浦源，所述第一泵浦源输出的泵浦光从所述激光晶体的第一端耦入所述激光晶体，所述第二泵浦源输出的泵浦光从所述激光晶体的第二端耦入所述激光晶体。

6.根据权利要求5所述的固体激光放大器，其特征在于，还包括泵浦光整形透镜组，所述泵浦光整形透镜组包括位于所述第一泵浦源和所述第一双色镜之间的至少一片透镜以及位于所述第二泵浦源和所述第二双色镜之间的至少一片透镜。

7.根据权利要求2所述的固体激光放大器，其特征在于，还包括位于所述第一偏振分光镜的放大光束输出端的第二隔离器。

8.根据权利要求2所述的固体激光放大器，其特征在于，还包括位于所述第一偏振分光镜的放大光束输出端的至少一片透镜。

9.根据权利要求2所述的固体激光放大器，其特征在于，还包括位于所述第一偏振分光镜的放大光束输出端的第三二分之一波片。

10.一种飞秒脉冲激光装置，其特征在于，包括种子源、光纤放大器、脉冲展宽器、权利要求1～9任一所述的固体激光放大器以及脉冲压缩器；

所述种子源用于输出飞秒种子脉冲；

所述光纤放大器用于将所述飞秒种子脉冲预放大为预放大脉冲；

所述脉冲展宽器用于将所述预放大脉冲在时域上展宽为展宽脉冲；

所述固体激光放大器用于放大所述展宽脉冲的功率；

所述脉冲压缩器用于将放大后的展宽脉冲进行时域压缩，输出飞秒激光脉冲。

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