CN208241075U - 一种皮秒激光双程两级放大装置 - Google Patents
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Abstract
一种皮秒激光双程两级放大装置，包括皮秒种子源、偏振分束镜、第一双色镜、第二双色镜和第三双色镜，其中，皮秒种子源，位于偏振分束镜的注入端，用于产生种子光并注入到偏振分束镜；偏振分束镜，用以透射平行偏振方向的种子光而滤除垂直偏振的种子光；第一双色镜，位于偏振分束镜透射种子光的光轴上，且第一双色镜的镜面与该光轴呈一定角度；第二双色镜，位于第一双色镜反射种子光的光轴上，且第二双色镜的镜面与该光轴呈一定角度，本实用新型利用了第一激光晶体和第二激光晶体进行两级放大技术，放大增益可以提高两个数量级达到105，具有放大增益高、输出功率稳定性好、输出光斑质量高的优点，使得放大后的皮秒激光脉冲可以广泛应用在微加工领域。
Description
技术领域
本发明涉及皮秒激光放大技术领域，具体涉及一种皮秒激光双程两级放大装置。
背景技术
随着激光技术的迅速发展，激光在科研、生物、医疗、材料加工、通信、国防等各个领域均得到了重要的应用。由于超快激光在材料加工方面有着“冷加工”的优势，窄脉宽、高峰值功率、高单脉冲能量的皮秒激光器得到业界的广泛关注。然而，受限于极高的峰值功率密度给SESAM锁模器件带来的损伤，高功率的皮秒激光不能直接从振荡器产生，这就促使皮秒种子光放大装置应运而生。而现有的皮秒种子光放大装置存在放大增益低、输出功率稳定性差、输出光斑质量低等缺点，因此无法满足用户高要求的使用需求。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种皮秒激光双程两级放大装置，以解决现有的皮秒种子光放大装置放大增益低、输出功率稳定性差、输出光斑质量低等缺点的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种皮秒激光双程两级放大装置，包括皮秒种子源、偏振分束镜、第一双色镜、第二双色镜和第三双色镜，其中，
皮秒种子源，位于偏振分束镜的注入端，用于产生种子光并注入到偏振分束镜；
偏振分束镜，用以透射平行偏振方向的种子光而滤除垂直偏振的种子光；
第一双色镜，位于偏振分束镜透射种子光的光轴上，且第一双色镜的镜面与该光轴呈一定角度；
第二双色镜，位于第一双色镜反射种子光的光轴上，且第二双色镜的镜面与该光轴呈一定角度；
第三双色镜，位于第二双色镜反射种子光的光轴上，且第二双色镜的镜面与该光轴垂直，以使得第三双色镜所反射的种子光可经原传输光路返回到偏振分束镜，并由偏振分束镜输出；
所述皮秒种子偏振分束镜之间的光路上设有第一半波片，所述偏振分束镜与第一双色镜之间的光路上沿种子光自偏振分束镜至第一双色镜的方向依次设有法拉第旋转镜、第二半波片和聚焦透镜，所述第一双色镜与第二双色镜的光路上，以及第二双色镜与第三双色镜的光路上分别设有第一激光晶体和第二激光晶体；
所述第一双色镜的外侧和第二双色镜的外侧分别对称设有第一泵浦源和第二泵浦源，且第一泵浦源透射过第一双色镜所产生的焦斑、第二泵浦源透射过第二双色镜所产生的焦斑，以及聚焦透镜对种子光的焦斑均重合于第一激光晶体内；
所述第二双色镜的外侧和第三双色镜的外侧分别对称设有第三泵浦源和第四泵浦源，且第三泵浦源透射过第二双色镜所产生的焦斑、第四泵浦源透射过第三双色镜所产生的焦斑，以及种子光的焦斑均重合于第二激光晶体内。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一泵浦源与第一双色镜之间的光路上还设有第一耦合透镜组，所述第二泵浦源与第二双色镜之间的光路上还设有第二耦合透镜组，所述第三泵浦源与第二双色镜之间的光路上还设有第三耦合透镜组，所述第四泵浦源与第三双色镜之间的光路上还设有第四耦合透镜组。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源均为半导体二极管泵浦源，半导体二极管泵浦源的波长为808nm或88Xnm，平均输出功率为25W，输出光纤纤芯为200～400um，数值孔径NA＝0.22。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体均为具有线偏振辐射性质的激光晶体，其型号为Nd：YVO4或Nd：GVO4。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体均水平放置，且第一激光晶体的端面和第二激光晶体的端面均设有一个1°～2°的用以防止自激振荡的楔角。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体上还均连接有循环冷却水。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一双色镜上用于入射种子光的入射角为45°，所述第二双色镜上用于入射种子光的入射角为45°。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一双色镜、第二双色镜和第三双色镜均镀有泵浦光增透膜和种子光高反膜。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体均镀有泵浦光增透膜和种子光增透膜。
作为本发明的进一步优选技术方案，第一半波片、第二半波片和聚焦透镜均镀有种子光增透膜。
本发明的皮秒激光双程两级放大装置可以达到如下有益效果：
本发明的皮秒激光双程两级放大装置，利用第一激光晶体和第二激光晶体两块激光晶体进行两级放大技术，提高了种子光的放大增益，并由于采用了两级放大后，放大增益可以提高两个数量级直至达到105，因此，本发明具有放大增益高、输出功率稳定性好、输出光斑质量高的优点，且使得放大后的皮秒激光脉冲可以广泛应用在微加工领域。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明皮秒激光双程两级放大装置提供的一实例的结构示意图；
图2为本发明图1所示皮秒激光双程两级放大装置的光路图。
图中：1、皮秒种子源，2、第一半波片，3、偏振分束镜，4、法拉第旋转镜，5、第二半波片，6、聚焦透镜，7、第一双色镜，8、第一激光晶体，9、第二双色镜，10、第二激光晶体，11、第三双色镜，12、第一泵浦源，13、第一耦合透镜组，14、第二泵浦源，15、第二耦合透镜组，16、第三泵浦源，17、第三耦合透镜组，18、第四浦源，19、第四耦合透镜组。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，皮秒激光双程两级放大装置包括皮秒种子源1、偏振分束镜3、第一双色镜7、第二双色镜9和第三双色镜11，其中，
皮秒种子源1，位于偏振分束镜3的注入端，用于产生种子光并注入到偏振分束镜3；
偏振分束镜3，用以透射平行偏振方向的种子光而滤除垂直偏振的种子光；
第一双色镜7，位于偏振分束镜3透射种子光的光轴上，且第一双色镜7的镜面与该光轴呈一定角度；
第二双色镜9，位于第一双色镜7反射种子光的光轴上，且第二双色镜9的镜面与该光轴呈一定角度；
第三双色镜11，位于第二双色镜9反射种子光的光轴上，且第二双色镜9的镜面与该光轴垂直，以使得第三双色镜11所反射的种子光可经原传输光路返回到偏振分束镜3，并由偏振分束镜3输出；
所述皮秒种子源1与偏振分束镜3之间的光路上设有第一半波片2，所述偏振分束镜3与第一双色镜7之间的光路上沿种子光自偏振分束镜3至第一双色镜7的方向依次设有法拉第旋转镜4、第二半波片5和聚焦透镜6，所述第一双色镜7与第二双色镜9的光路上，以及第二双色镜9与第三双色镜11的光路上分别设有第一激光晶体8和第二激光晶体10；
所述第一双色镜7的外侧和第二双色镜9的外侧分别对称设有第一泵浦源12和第二泵浦源14，且第一泵浦源12透射过第一双色镜7所产生的焦斑、第二泵浦源14透射过第二双色镜9所产生的焦斑，以及聚焦透镜6对种子光的焦斑均重合于第一激光晶体8内；
所述第二双色镜9的外侧和第三双色镜11的外侧分别对称设有第三泵浦源16和第四泵浦源18，且第三泵浦源16透射过第二双色镜9所产生的焦斑、第四泵浦源18透射过第三双色镜11所产生的焦斑，以及种子光的焦斑均重合于第二激光晶体10内；
所述第一泵浦源12与第一双色镜7之间的光路上还设有第一耦合透镜组13，所述第二泵浦源14与第二双色镜9之间的光路上还设有第二耦合透镜组15，所述第三泵浦源16与第二双色镜9之间的光路上还设有第三耦合透镜组17，所述第四泵浦源18与第三双色镜11之间的光路上还设有第四耦合透镜组19。
本发明装置中，利用法拉第旋转镜4对种子光的偏振方向进行调控、配合偏振分束镜3对偏振的选择性透射或反射特性，从而可实现种子光的双程放大。
本发明提到的双程放大技术的实现原理如下：
平行偏振的种子光经过偏振分束镜3透射后，经过法拉第旋转镜4，偏振方向旋转45°，最后原路返回时，再次经过法拉第旋转镜4，偏振方向再次旋转45°，偏振方向由平行偏振变成了垂直偏振，即可经偏振分束镜3反射出去。
如图2所示，本发明装置的光传输光路路径如下：
皮秒种子源1输出的种子光依次经过第一半波片2、偏振分束镜3、法拉第旋转镜4、第二半波片5，再依次经过聚焦透镜6的聚焦、第一双色镜7的反射，将种子光聚焦到第一激光晶体8上；然后种子光透射出第一激光晶体8，并依次通过第二双色镜9的反射、第二激光晶体10，最后入射到第三双色镜11，由于第三双色镜11的入射角为90度，经过双色镜的反射，种子光原路返回，并再次经过法拉第旋转镜4，最后由偏振分束镜3反射输出。
在种子光的传输过程中，第一泵浦源12的浦源光依次经过第一耦合透镜组13、第一双色镜7，以及第二泵浦源14的泵浦光依次经过第二耦合透镜组15、第二双色镜9，两者的焦斑均与种子光焦斑重合于第一激光晶体8内；第三泵浦源16的浦源光依次经过第三耦合透镜组17、第二双色镜9，以及第四泵浦源18的泵浦光依次经过第四耦合透镜组19、第三双色镜11，两者的焦斑与种子光光斑重合于第二激光晶体10内。在第一至第四泵浦源18的连续抽运下，种子光从第一激光晶体8、第二激光晶体10中获得增益，从而得到放大。
本发明的皮秒激光双程两级放大装置，利用第一激光晶体8和第二激光晶体10两块激光晶体进行两级放大技术，提高了种子光的放大增益，并由于行波单级放大增益仅有103，采用两级放大后，放大增益可以提高两个数量级达到105。
具体实施中，所述第一泵浦源12、第二泵浦源14、第三泵浦源16和第四泵浦源18均为半导体二极管泵浦源，半导体二极管泵浦源的波长为808nm或88Xnm，平均输出功率为25W，输出光纤纤芯为200～400um，数值孔径NA＝0.22。
具体实施中，所述第一激光晶体8和第二激光晶体10均为具有线偏振辐射性质的激光晶体，其型号为Nd：YVO4或Nd：GV04，所述第一激光晶体8和第二激光晶体10均水平放置，且第一激光晶体8的端面和第二激光晶体10的端面均设有一个1°～2°的用以防止自激振荡的楔角。所述第一激光晶体8和第二激光晶体10上还均连接有循环冷却水。
具体实施中，所述第一双色镜7上用于入射种子光的入射角为45°，所述第二双色镜9上用于入射种子光的入射角为45°。
具体实施中，所述第一双色镜7、第二双色镜9和第三双色镜11均镀有泵浦光增透膜和种子光高反膜；所述第一激光晶体8和第二激光晶体10均镀有泵浦光增透膜和种子光增透膜；第一半波片2、第二半波片5和聚焦透镜6均镀有种子光增透膜。
本发明的一实施例中，在种子源注入种子光功率为0.1mW，重复频率为100KHz时，通过优化第一至第四泵浦源18的泵浦功率大小以及优化种子光的光斑、泵浦光的光斑在第一、第二激光晶体10内的重合程度和光斑模式匹配，使得放大后的种子光输出功率为10.6W，放大增益约为105。在对放大后的激光功率进行长达6h的连续监控记录，功率波动＜2％，放大后的输出光斑圆度为0.99。本发明装置具有放大增益高、输出功率稳定性好、输出光斑质量高的优点，放大后的皮秒激光脉冲可以广泛应用在微加工领域。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，包括皮秒种子源、偏振分束镜、第一双色镜、第二双色镜和第三双色镜，其中，
皮秒种子源，位于偏振分束镜的注入端，用于产生种子光并注入到偏振分束镜；
偏振分束镜，用以透射平行偏振方向的种子光而滤除垂直偏振的种子光；
第一双色镜，位于偏振分束镜透射种子光的光轴上，且第一双色镜的镜面与该光轴呈一定角度；
第二双色镜，位于第一双色镜反射种子光的光轴上，且第二双色镜的镜面与该光轴呈一定角度；
第三双色镜，位于第二双色镜反射种子光的光轴上，且第二双色镜的镜面与该光轴垂直，以使得第三双色镜所反射的种子光可经原传输光路返回到偏振分束镜，并由偏振分束镜输出；
所述皮秒种子偏振分束镜之间的光路上设有第一半波片，所述偏振分束镜与第一双色镜之间的光路上沿种子光自偏振分束镜至第一双色镜的方向依次设有法拉第旋转镜、第二半波片和聚焦透镜，所述第一双色镜与第二双色镜的光路上，以及第二双色镜与第三双色镜的光路上分别设有第一激光晶体和第二激光晶体；
所述第一双色镜的外侧和第二双色镜的外侧分别对称设有第一泵浦源和第二泵浦源，且第一泵浦源透射过第一双色镜所产生的焦斑、第二泵浦源透射过第二双色镜所产生的焦斑，以及聚焦透镜对种子光的焦斑均重合于第一激光晶体内；
所述第二双色镜的外侧和第三双色镜的外侧分别对称设有第三泵浦源和第四泵浦源，且第三泵浦源透射过第二双色镜所产生的焦斑、第四泵浦源透射过第三双色镜所产生的焦斑，以及种子光的焦斑均重合于第二激光晶体内。
2.根据权利要求1所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一泵浦源与第一双色镜之间的光路上还设有第一耦合透镜组，所述第二泵浦源与第二双色镜之间的光路上还设有第二耦合透镜组，所述第三泵浦源与第二双色镜之间的光路上还设有第三耦合透镜组，所述第四泵浦源与第三双色镜之间的光路上还设有第四耦合透镜组。
3.根据权利要求2所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源均为半导体二极管泵浦源，半导体二极管泵浦源的波长为808nm或88Xnm，平均输出功率为25W，输出光纤纤芯为200～400um，数值孔径NA＝0.22。
4.根据权利要求3所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一激光晶体和第二激光晶体均为具有线偏振辐射性质的激光晶体，其型号为Nd：YVO4或Nd：GVO4。
5.根据权利要求4所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一激光晶体和第二激光晶体均水平放置，且第一激光晶体的端面和第二激光晶体的端面均设有一个1°～2°的用以防止自激振荡的楔角。
6.根据权利要求5所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一激光晶体和第二激光晶体上还均连接有循环冷却水。
7.根据权利要求6所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一双色镜上用于入射种子光的入射角为45°，所述第二双色镜上用于入射种子光的入射角为45°。
8.根据权利要求7所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一双色镜、第二双色镜和第三双色镜均镀有泵浦光增透膜和种子光高反膜。
9.根据权利要求8所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一激光晶体和第二激光晶体均镀有泵浦光增透膜和种子光增透膜。
10.根据权利要求9所述的皮秒激光双程两级放大装置，其特征在于，所述第一半波片、第二半波片和聚焦透镜均镀有种子光增透膜。
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