CN215418953U - 高能量中红外飞秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高能量中红外飞秒激光器，该激光器包括依次设置的中红外皮秒脉冲激光光路、中红外激光放大器和脉冲压缩器；其中，中红外激光放大器采用多冲程板条放大结构。本实用新型采用多冲程板条结构放大中红外超短脉冲激光，具有模式匹配好、制冷效果佳、热效应小、增益高等诸多优点，可以获得高能量、高效率、高光束质量的中红外超短脉冲激光输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及超快激光技术领域，具体涉及一种高能量中红外飞秒激光器。
背景技术
中红外飞秒激光在热成像、环境监测、中红外制导、光电对抗等领域具有广泛的应用。特别的，高脉冲能量的中红外飞秒激光在强场物理、阿秒科学、高次谐波产生、频率梳精密测量等应用领域有着独特的优势。
目前，主要通过将可见光波段或近红外波段的飞秒激光参量下转换产生中红外飞秒激光，包括光参量振荡(OPO)和光参量放大(OPA)等方式。利用OPO产生中红外飞秒激光需要采用同步泵浦技术，因此对谐振腔调节精度要求极高，导致激光系统的抗环境干扰能力差；另外，受限于谐振腔的光学长度，通过OPO产生的中红外飞秒激光的重复频率通常为百兆赫兹量级，因此单脉冲能量往往很低(仅数十nJ)，难以满足实际应用的需求。OPA是目前产生高能量中红外飞秒激光的主流方式，其产生的单脉冲能量可达mJ量级，但是OPA通常采用多级放大，并且每一级放大都要严格保证泵浦光与闲频光在时间上同步和空间上重叠，因此调节难度大、系统复杂且成本高；另外，OPA过程中泵浦光和闲频光之间容易出现逆转换效应，从而破坏闲频光的时域波形和相干性，因此通常需要将OPA的转换效率压制在较低的水平。2019年，文献1[E.Migal,A.Pushkin,B.Bravy etal.,3.5-mJ 150-fs Fe:ZnSehybrid mid-IR femtosecond laser at 4.4μm for driving extreme nonlinearoptics,Optics Letters 44(10),2550-2553(2019)]在利用OPA产生低能量中红外飞秒激光的基础上通过块状Fe:ZnSe晶体啁啾脉冲放大(CPA)中红外飞秒激光，最后实现了3.5mJ的4.4微米中红外飞秒激光输出。尽管该方案获得了较高能量的中红外飞秒激光输出，但是仍然采用了3级OPA系统，因此依然存在调节难度大、系统复杂、成本高、转换效率低等问题；另外，受限于块状Fe:ZnSe晶体的增益能力和散热能力，难以进一步提高中红外飞秒激光的脉冲能量。文献2[L.J.He,K.Liu,Y.Bo etal.,30.5-μJ,10-kHz,picosecond opticalparametric oscillator pumped synchronously and intracavity by a regenerativeamplifier,Optics Letters 43(3),539-542(2018)]提出利用再生放大OPO技术将高重频(76MHz)、低能量(22.4nJ)的1微米皮秒激光转换为低重频(10kHz)、高能量(30.5μJ)的1.5微米皮秒激光，该方案仅需要OPO腔的光学长度与再生放大腔的光学长度保持一致，从而降低了对谐振腔调节精度的要求。这种技术从原理上可以产生较高能量的中红外皮秒脉冲激光，但是受限于非线性光学晶体的损伤阈值并且没有考虑色散补偿，因此难以产生高能量(mJ量级)的中红外飞秒脉冲激光。
因此，行业内急需研发一种结构简单、能产生高能量、高效率、高光束质量的中红外飞秒激光的激光器。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种能产生高效率、高光束质量的高能量中红外飞秒激光器。
本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：
一种高能量中红外飞秒激光器，包括依次设置的中红外皮秒脉冲激光光路、中红外激光放大器和脉冲压缩器；其中，中红外激光放大器采用多冲程板条放大结构。
优选地，所述中红外激光放大器包括第一反射镜、第一腔镜、中红外激光增益介质、第二腔镜、第二反射镜和中红外激光泵浦源，第一腔镜和第二腔镜上下设置形成放大腔，中红外激光增益介质设置在放大腔内，第一反射镜、第二反射镜分别倾斜设置在中红外激光增益介质的两端，分别作为中红外激光放大器的输入端和输出端，中红外激光泵浦源设置在第一腔镜的上方或者第二腔镜下方，第一腔镜和第二腔镜的角度可调节。
优选地，中红外皮秒脉冲激光光路包括2微米飞秒激光振荡器、光隔离器、脉冲展宽器、2微米激光放大器和再生放大器同步泵浦光参量振荡器、第一双色镜、第二双色镜；2微米飞秒激光振荡器、光隔离器、脉冲展宽器、2微米激光放大器、再生放大器同步泵浦光参量振荡器和第一双色镜同光轴设置；脉冲压缩器、中红外激光放大器和第二双色镜依次同光轴设置，第一双色镜和第二双色镜均倾斜设置、倾斜方向相反、位于同一竖直光轴上。
优选地，所述2微米飞秒激光振荡器为2微米全固态飞秒锁模激光器或者2微米光纤飞秒锁模激光器；所述2微米激光放大器为棒状放大结构、板条放大结构和碟片放大结构中的一种。
优选地，所述中红外激光增益介质为Fe2+掺杂II-VI族三元激光晶体材料，包所述中红外激光增益介质为Fe:ZnS、Fe:ZnSe、Fe:ZnMnSe、Fe:ZnMgSe、Fe:CdMnTe、Fe:CdTe和Fe:CdHgTe中的一种。
优选地，所述第一双色镜和第二双色镜的第一面均镀有对2微米激光的高透膜和中红外激光的高反膜；所述第一双色镜和第二双色镜的第二面均镀有对2微米激光的高透膜；所述第一反射镜和第二反射镜的第一面均镀有对中红外激光的高反膜；所述第一腔镜和第二腔镜的第一面均镀有对泵浦光的增透膜和中红外激光的高反膜，所述第一腔镜和第二腔镜的第二面均镀有对泵浦光的增透膜。
优选地，所述中红外激光泵浦源为高能量的2.7-3.0微米波段纳秒脉冲激光器。
优选地，中红外激光泵浦源的数量为2，2个中红外激光泵浦源分别设置在第一腔镜的上方、第二腔镜下方。
本实用新型相对于现有技术具有如下优点：
1、采用多冲程板条结构放大中红外超短脉冲激光，具有模式匹配好、制冷效果佳、热效应小、增益高等诸多优点，中红外皮秒脉冲激光通过第一反射镜后反射到第一腔镜，经第一腔镜反射后第一次通过中红外激光增益介质并入射到第二腔镜，经过第二腔镜反射后第二次通过中红外激光增益介质并入射到第一腔镜，经过第一腔镜反射后第三次通过中红外激光增益介质并入射到第二腔镜，如此反复，直至中红外皮秒脉冲激光最后一次通过第二腔镜反射后经过第二反射镜输出，可以获得高能量、高效率、高光束质量的中红外超短脉冲激光输出。
2、采用再生放大OPO技术产生中红外超短脉冲激光，可以将高重频、低能量的2微米超短脉冲激光转换为低重频、高能量的中红外超短脉冲激光，并且降低中红外超短脉冲激光产生系统的调节难度、复杂度和成本。
3、从一系列Fe2+掺杂II-VI族三元激光晶体材料中优选中红外激光增益介质，便于获得高能量、高效率的中红外超短脉冲激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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为实施例1的光路结构示意图。
图2为实施例2的光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
实施例1
图1是本实用新型的一种高能量中红外飞秒激光的光路示意图，参见图1，一种高能量中红外飞秒激光器包括2微米飞秒锁模激光器1、光隔离器2、脉冲展宽器3、2微米激光放大器4、再生放大器同步泵浦光参量振荡器5、中红外激光放大器8和脉冲压缩器15；2微米飞秒激光振荡器1输出的2微米飞秒脉冲激光依次通过光隔离器2和脉冲展宽器3后转换为2微米皮秒脉冲激光，再注入2微米激光放大器4；放大后的2微米皮秒脉冲激光先通过再生放大器同步泵浦光参量振荡器5产生中红外皮秒脉冲激光，中红外皮秒脉冲激光依次通过第一双色镜6和第二双色镜7后，注入中红外激光放大器8产生高能量中红外皮秒脉冲激光，最后通过脉冲压缩器15输出高能量中红外飞秒脉冲激光。
具体地，2微米飞秒锁模激光器1为2微米全固态飞秒锁模激光器，用于产生2微米飞秒锁模激光，重复频率为100MHz，脉冲宽度小于100fs，平均功率为100mW；光隔离器2由法拉第旋光器和偏振片构成，用于防止返向脉冲激光干扰2微米飞秒锁模激光器1；脉冲展宽器3为镀金光栅，用于将2微米飞秒种子激光的脉冲宽度拓宽至100ps量级；2微米激光放大器4采用棒状放大结构，用于将2微米皮秒脉冲激光进行放大，放大后的平均功率为10W；再生放大器同步泵浦光参量振荡器5用于将高重频(100MHz)、低能量(100nJ)的2微米皮秒脉冲激光转换为低重频(10Hz)、高能量(数百μJ)的中红外皮秒脉冲激光，波长调谐范围为3-5微米，脉冲宽度为100ps量级；第一双色镜6和第二双色镜7，镀有对2微米激光的高透膜和3-5微米激光的高反膜，用于反射中红外皮秒脉冲激光和透射2微米皮秒脉冲激光；中红外激光放大器8采用多冲程板条放大结构，用于将中红外皮秒脉冲激光进行放大，放大后的单脉冲能量为50mJ；脉冲压缩器15为镀金光栅，用于将放大后的中红外皮秒脉冲激光的脉冲宽度压缩至100fs，压缩后的中红外飞秒脉冲激光的单脉冲能量为40mJ，重复频率为10Hz，波长调谐范围3.9-4.8微米。
中红外激光放大器8包括第一反射镜9、第一腔镜10、中红外激光增益介质11、第二腔镜12、第二反射镜13和中红外激光泵浦源14；第一反射镜9和第二反射镜13镀有3-5微米激光的高反膜；第一腔镜10和第二腔镜12镀有2.8微米激光的增透膜和3-5微米激光的高反膜；中红外激光增益介质11为Fe:ZnSe晶体，设置为长≥宽>高的板条状，以增益介质11的长×宽面为水平面，并且在该面设有冷却装置；中红外激光泵浦源14采用主动调Q的Cr:Er:YSGG激光器，中心波长为2.8微米，重复频率为10Hz，单脉冲能量为200mJ，脉冲宽度为50ns。
具体地，从再生放大器同步泵浦光参量振荡器5出来的中红外皮秒脉冲激光通过第一反射镜9后入射到第一腔镜10，然后第一次通过中红外激光增益介质11，经过第二腔镜12，然后第二次通过中红外激光增益介质11，再经过第一腔镜10，然后第三次通过中红外激光增益介质11，再经过第二腔镜12，……，通过调节第一腔镜10和第二腔镜12的角度可以控制中红外皮秒脉冲激光通过中红外激光增益介质11的次数，中红外皮秒脉冲激光最后一次通过第二腔镜12后经过第二反射镜13输出，从而实现了中红外脉冲激光可以多次经过中红外激光增益介质11实现高增益放大。
所述脉冲压缩器15包括光栅、啁啾镜、棱镜对、GTI镜和光子晶体光纤，用于将高能量中红外皮秒激光的脉冲宽度压缩到亚百飞秒量级。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：中红外激光放大器8采用中红外激光泵浦源14和中红外激光泵浦源15进行双端泵浦，中红外激光泵浦源14和中红外激光泵浦源15分别设置在分别设置在第二腔镜12下方、第一腔镜10的上方，增加了泵浦光功率和减小了激光晶体热效应，可以实现更高能量、更好光束质量的中红外飞秒激光输出。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应当涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种高能量中红外飞秒激光器，其特征在于：包括依次设置的中红外皮秒脉冲激光光路、中红外激光放大器和脉冲压缩器；
其中，中红外激光放大器采用多冲程板条放大结构。
2.根据权利要求1所述的高能量中红外飞秒激光器，其特征在于，所述中红外激光放大器包括第一反射镜、第一腔镜、中红外激光增益介质、第二腔镜、第二反射镜和中红外激光泵浦源，第一腔镜和第二腔镜上下设置形成放大腔，中红外激光增益介质设置在放大腔内，第一反射镜、第二反射镜分别倾斜设置在中红外激光增益介质的两端，分别作为中红外激光放大器的输入端和输出端，中红外激光泵浦源设置在第一腔镜的上方或者第二腔镜的下方，第一腔镜和第二腔镜的角度可调节。
3.根据权利要求2所述的高能量中红外飞秒激光器，其特征在于，中红外皮秒脉冲激光光路包括2微米飞秒激光振荡器、光隔离器、脉冲展宽器、2微米激光放大器和再生放大器同步泵浦光参量振荡器、第一双色镜、第二双色镜；
2微米飞秒激光振荡器、光隔离器、脉冲展宽器、2微米激光放大器、再生放大器同步泵浦光参量振荡器和第一双色镜同光轴设置；脉冲压缩器、中红外激光放大器和第二双色镜依次同光轴设置，第一双色镜和第二双色镜均倾斜设置、倾斜方向相反、位于同一竖直光轴上。
4.根据权利要求3所述的高能量中红外飞秒激光器，其特征在于，所述2微米飞秒激光振荡器为2微米全固态飞秒锁模激光器或者2微米光纤飞秒锁模激光器；
所述2微米激光放大器为棒状放大结构、板条放大结构和碟片放大结构中的一种。
5.根据权利要求3所述的高能量中红外飞秒激光器，其特征在于，所述中红外激光增益介质为Fe2+掺杂II-VI族三元激光晶体材料，包所述中红外激光增益介质为Fe:ZnS、Fe:ZnSe、Fe:ZnMnSe、Fe:ZnMgSe、Fe:CdMnTe、Fe:CdTe和Fe:CdHgTe中的一种。
6.根据权利要求3所述的高能量中红外飞秒激光器，其特征在于，所述第一双色镜和第二双色镜的第一面均镀有对2微米激光的高透膜和中红外激光的高反膜；所述第一双色镜和第二双色镜的第二面均镀有对2微米激光的高透膜；
所述第一反射镜和第二反射镜的第一面均镀有对中红外激光的高反膜；
所述第一腔镜和第二腔镜的第一面均镀有对泵浦光的增透膜和中红外激光的高反膜，所述第一腔镜和第二腔镜的第二面均镀有对泵浦光的增透膜。
7.根据权利要求2所述的高能量中红外飞秒激光器，其特征在于，所述中红外激光泵浦源为高能量的2.7-3.0微米波段纳秒脉冲激光器。
8.根据权利要求2所述的高能量中红外飞秒激光器，其特征在于，中红外激光泵浦源的数量为2，2个中红外激光泵浦源分别设置在第一腔镜的上方、第二腔镜的下方。
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