CN216981120U - 基于cpa技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，包括：飞秒激光种子光源，用于提供飞秒种子光；啁啾布拉格光纤光栅，用于将所述飞秒种子光展宽为纳秒激光脉冲；光耦合输入输出器，用于对纳秒激光脉冲耦合输入以及对放大处理后的纳秒激光脉冲进行耦合输出；再生放大激光腔，用于对耦合输入的纳秒激光脉冲进行再生放大处理；所述光耦合输入输出器包括光纤耦合准直模块、光隔离器、第一1/2波片和薄膜偏振片；再生放大激光腔包括普克尔斯盒、第二1/2波片、第一反射模块、第二反射模块、第一望远模块、第二望远模块、第一碟片增益介质、第二碟片增益介质和第三反射模块。本实用新型可实现高重频、高脉冲能量的激光脉冲输出。

Description

基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器。

背景技术

当前，超快激光的热管理和色散管理的解决方案的快速发展使得新颖的系统设计能够提供很高的平均和峰值功率以及脉冲能量。有些激光系统可将脉冲能量拓展到几十甚至百毫焦耳。总体来说，目前主要有以下几种实现方式：

板状激光器，在几十MHz重复频率下产生了平均功率超过1kW的亚皮秒脉冲，在12.5kHz下可以产生20mJ的脉冲能量。但是，由于具有很强的非对称热透镜效应，平均功率的提升往往是以光束质量恶化为代价的。

光纤激光器，在100kHz重复频率下以mJ范围内的输出能量提供非常好的光束质量(M2<1.2)。一种多个放大器通道的相干组合允许通过使用八个通道扩展该技术，可将脉冲能量拓展到几十毫焦。

对激光工作物质的超低温冷却，可在千赫兹的重复频率实现几十mJ的脉冲能量，但是需要以大幅降低增益带宽为代价。并且，目前这些主流技术在实现百毫焦超短激光脉冲存在技术上的限制或系统过于复杂等缺陷。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，旨在基于碟片增益的激光系统，在常温下实现高重频/高脉冲能量。

本实用新型实施例提供了一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，包括：

飞秒激光种子光源，用于提供飞秒种子光；

啁啾布拉格光纤光栅，用于将所述飞秒种子光展宽为纳秒激光脉冲；

光耦合输入输出器，用于对所述纳秒激光脉冲进行耦合输入以及对放大处理后的纳秒激光脉冲进行耦合输出；

再生放大激光腔，用于对耦合输入的纳秒激光脉冲进行再生放大处理；

所述光耦合输入输出器包括光纤耦合准直模块、光隔离器、第一1/2波片和薄膜偏振片；

所述再生放大激光腔包括普克尔斯盒、第二1/2波片、第一反射模块、第二反射模块、第一望远模块、第二望远模块、第一碟片增益介质、第二碟片增益介质和第三反射模块；其中，所述第一望远模块、第一碟片增益介质与第二望远模块、第二碟片增益介质关于所述第二反射模块对称分布；

飞秒种子光经过所述啁啾布拉格光纤光栅脉冲展宽成为纳秒激光脉冲，以避免飞秒种子光在放大过程发生器件损伤，所述纳秒激光脉冲依次经过所述光纤耦合输入输出器中的光纤耦合准直模块、光隔离器和第一1/2波片，转变为线性p偏振，并穿过所述薄膜偏振片进入所述再生放大激光腔；

纳秒激光脉冲通过未加电压的普克尔斯盒和第二1/2波片后，由线性p偏振转变为s偏振，并经过所述第一反射模块后进入所述第一碟片增益介质中；s偏振的飞秒种子光在第一碟片增益介质中提取能量后依次经过第一望远模块、第二反射模块、第二望远模块后进入所述第二碟片增益介质中提取能量；

纳秒激光脉冲在所述第二碟片增益介质中提取能量后依次经过第三反射模块和薄膜偏振片后返回至已加电压的普克尔斯盒，并保持s偏振在所述再生放大激光腔中来回往复震荡，以对所述第一碟片增益介质和第二碟片增益介质中的能量进行多次提取，直至纳秒激光脉冲的能量增益至饱和，然后通过所述光耦合输入输出器输出已经放大的纳秒激光脉冲。

进一步的，还包括一用于对放大的纳秒激光脉冲进行脉宽压缩的可调脉冲压缩器，所述可调脉冲压缩器提供的二阶色散和三阶色散与所述啁啾布拉格光纤光栅提供的从飞秒展宽到纳秒所需的二阶色散和三阶色散分别相对应。

进一步的，所述可调脉冲压缩器包括第一光栅、第二光栅、第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组和第四反射镜组；其中，所述第一光栅和第二光栅平行设置，所述第一反射镜组和所述第三反射镜组均设置于一可移动平台上；

放大的纳秒激光脉冲通过所述第一光栅衍射后依次经过第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组、第二反射镜组和第一反射镜组后，进入所述第二光栅发生衍射，并通过第四反射镜组反射后实现光轴抬高，然后返回至所述第二光栅，并再次经过第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组、第二反射镜组和第一反射镜组后，由所述第一光栅输出压缩光。

进一步的，还包括一用于同时对所述第一碟片增益介质和第二碟片增益介质进行泵浦的泵浦源。

进一步的，所述泵浦源通过一分光镜将泵浦光束分束为第一泵浦光束和第二泵浦光束，所述第一泵浦光束直接照射至所述第一碟片增益介质中，所述第二泵浦光束通过一第四反射模块反射至所述第二碟片增益介质中。

进一步的，所述第一反射模块沿光路依次包括竖直方向平行且不在同一水平线上的第一0°反射镜和第二0°反射镜；

所述第二反射模块包括竖直方向与所述第二0°反射镜平行的第三0°反射镜；

所述第三反射模块包括正向设置的第一45°反射镜；

所述第四反射模块包括反向设置的第二45°反射镜。

进一步的，所述第一望远模块沿光路依次包括第一凹面镜和第一凸面镜；所述第二望远模块沿光路依次包括第二凸面镜和第二凹面镜，其中，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率参数相同，所述第一凸面镜和第二凸面镜的曲率参数相同。

进一步的，所述可调脉冲压缩器的压缩范围为1.6～10皮秒。

进一步的，所述普克尔斯盒内设置有两个电光晶体，以使普克尔斯盒的相位调制为λ/2，两个所述电光晶体均为偏硼酸钡晶体，所述普克尔斯盒的通光孔径为所述偏硼酸钡晶体长度的80％～90％；

所述偏硼酸钡的左右两侧镀金或铬，上下两端镀有1030nm的增透膜。

进一步的，所述第一碟片增益介质和第二碟片增益介质结构相同，所述第一碟片增益介质为圆盘型结构，且圆盘型结构的直径为12～30mm，厚度为0.100～0.250mm，晶体锲角为0～0.05°；

所述第一碟片增益介质为掺杂Yb质量浓度为0.3％～10％的YAG晶体；

所述YAG晶体经抛光后，在上表面镀有940～969nm以及1030nm的增透膜，在后表面上镀有940～969nm的以及1030nm的反射膜，且Yb：YAG晶体的后表面直接焊接、键合和/或胶合在热沉材料上；

或者，所述第一碟片增益介质为掺杂Nd³⁺、Ho或者Tm³⁺中的任意一种的CALGO、KYW、KGW、KLW、Lu₂O₃、Sc₂O₃或者YVO₄晶体。

本实用新型实施例提供了一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，飞秒激光种子光源，用于提供飞秒种子光；啁啾布拉格光纤光栅，用于将所述飞秒种子光展宽为纳秒激光脉冲；光耦合输入输出器，用于对所述纳秒激光脉冲进行耦合输入以及对放大处理后的纳秒激光脉冲进行耦合输出；再生放大激光腔，用于对耦合输入的纳秒激光脉冲进行再生放大处理；所述光耦合输入输出器包括光纤耦合准直模块、光隔离器、第一1/2波片和薄膜偏振片；所述再生放大激光腔包括普克尔斯盒、第二1/2波片、第一反射模块、第二反射模块、第一望远模块、第二望远模块、第一碟片增益介质、第二碟片增益介质和第三反射模块；其中，所述第一望远模块、第一碟片增益介质与第二望远模块、第二碟片增益介质关于所述第二反射模块对称分布；飞秒种子光经过所述啁啾布拉格光纤光栅脉冲展宽成为纳秒激光脉冲，以避免飞秒种子光在放大过程发生器件损伤，所述纳秒激光脉冲依次经过所述光纤耦合输入输出器中的光纤耦合准直模块、光隔离器和第一1/2波片，转变为线性p偏振，并穿过所述薄膜偏振片进入所述再生放大激光腔；纳秒激光脉冲通过未加电压的普克尔斯盒和第二1/2波片后，由线性p偏振转变为s偏振，并经过所述第一反射模块后进入所述第一碟片增益介质中；s偏振的飞秒种子光在第一碟片增益介质中提取能量后依次经过第一望远模块、第二反射模块、第二望远模块后进入所述第二碟片增益介质中提取能量；纳秒激光脉冲在所述第二碟片增益介质中提取能量后依次经过第三反射模块和薄膜偏振片后返回至已加电压的普克尔斯盒，并保持s偏振在所述再生放大激光腔中来回往复震荡，以对所述第一碟片增益介质和第二碟片增益介质中的能量进行多次提取，直至纳秒激光脉冲的能量增益至饱和，然后通过所述光耦合输入输出器输出已经放大的纳秒激光脉冲。本实用新型实施例基于碟片增益的激光系统在常温下实现具有高重频/高脉冲能量，脉冲能量可达200毫焦，脉冲宽度为1.6～10皮秒，同时极佳光束质量的激光脉冲输出，同时又极大的减化了系统。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，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为本实用新型实施例提供的一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器的系统结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器中的可调脉冲压缩器的光路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器中的可调脉冲压缩器的子光路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器中的可调脉冲压缩器的另一子光路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器中的再生放大激光腔的激光模式分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

下面请参见图1，本实用新型实施例提供的一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，包括：

飞秒激光种子光源1，用于提供飞秒种子光；

啁啾布拉格光纤光栅2，用于将所述飞秒种子光展宽为纳秒激光脉冲；

光耦合输入输出器，用于对所述纳秒激光脉冲进行耦合输入以及对放大处理后的纳秒激光脉冲进行耦合输出；

再生放大激光腔，用于对耦合输入的纳秒激光脉冲进行再生放大处理；

所述光耦合输入输出器包括光纤耦合准直模块、光隔离器3、第一1/2波片4和薄膜偏振片5；

所述再生放大激光腔包括普克尔斯盒6、第二1/2波片7、第一反射模块、第二反射模块、第一望远模块、第二望远模块、第一碟片增益介质8、第二碟片增益介质9和第三反射模块；其中，所述第一望远模块、第一碟片增益介质与第二望远模块、第二碟片增益介质关于所述第二反射模块对称分布；

飞秒种子光经过所述啁啾布拉格光纤光栅2脉冲展宽成为纳秒激光脉冲，以避免飞秒种子光在放大过程发生器件损伤，所述纳秒激光脉冲依次经过所述光纤耦合输入输出器中的光纤耦合准直模块、光隔离器3和第一1/2波片4，转变为线性p偏振，并穿过所述薄膜偏振片5进入所述再生放大激光腔；

纳秒激光脉冲通过未加电压的普克尔斯盒6和第二1/2波片7后，由线性p偏振转变为s偏振，并经过所述第一反射模块后进入所述第一碟片增益介质8中；s偏振的纳秒激光脉冲在第一碟片增益介质8中提取能量后依次经过第一望远模块、第二反射模块、第二望远模块后进入所述第二碟片增益介质9中提取能量；

纳秒激光脉冲在所述第二碟片增益介质9中提取能量后依次经过第三反射模块和薄膜偏振片后返回至已加电压的普克尔斯盒6，并保持s偏振在所述再生放大激光腔中来回往复震荡，以对所述第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9中的能量进行多次提取，直至纳秒激光脉冲的能量增益至饱和，然后通过所述光耦合输入输出器输出已经放大的纳秒激光脉冲。

本实施例提供的一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，主要包括飞秒激光种子光源1、啁啾布拉格光纤光栅2、光耦合输入输出器和再生放大激光腔，其中，所述光耦合输入输出器包括包括光纤耦合准直模块、光隔离器3、第一1/2波片4和薄膜偏振片5，所述再生放大激光腔包括普克尔斯盒6、第二1/2波片7、第一反射模块、第二反射模块、第一望远模块、第二望远模块、第一碟片增益介质8、第二碟片增益介质9和第三反射模块。

本实用新型实施例基于碟片增益的激光系统在常温下实现具有高重频/高脉冲能量、脉冲能量可达200毫焦、脉冲宽度为1.6-10皮秒，同时极佳光束质量的激光脉冲输出，同时又极大的减化了系统。本实施例采用基于CPA(啁啾放大)的再生放大器，使飞秒种子光的脉宽从几百飞秒展宽到接近一个纳秒，即展宽为所述纳秒激光脉冲，从而避免高峰值功率的脉冲对腔内光学元件的损伤。该再生放大器可对脉冲能量为微焦的种子源放大到百毫焦的激光输出，放大倍数可达10⁵到10⁶。优选的，为进一步提升脉冲能量接近焦耳级别，需要再增加一个或多个多通放大器，放大倍数取决于输入光功率和通道数，一般能够达到2到5倍。为实现千瓦级平均功率，焦耳级脉冲能量的激光光脉冲奠定基础。具体来说，本实施例利用两个碟片晶体(即所述第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9)对能量进行有效储存，提高脉冲输出能量，增加往返增益。同时，本实施例所述的再生放大器为环形腔体设计，如此，可以对输入和输出进行有效隔离，避免使用光旋转器，从而提高输出光束质量。另外，本实施例所述的再生放大器的再生放大激光腔内采用双望远系统结构设计，使的激光模式与泵浦光斑更好匹配。

在具体应用场景中，由于超快激光加工具有热影响区小、加工精度高等特点，在半导体、新能源等新型领域中不可替代的作用，已成为主流的竞争领域，成为近来来激光精密制造的重要发展方向。随着3C、汽车、半导体、显示面板等行业的快速发展，各行业对玻璃、陶瓷、OLED等材料的微加工需求越来越高，碟片超快激光得天独厚的高重频、高能量的超短激光脉冲优势，将成为未来精密设备和材料加工方面的主流，并将进一步大范围应用于诸多经济领域，如：消费电子、移动设备、显示屏、半导体、印制电路板等精密加工，以及医疗、科研和军事等领域。

在中小功率领域(数十瓦，μJ级)超快激光器已具备较为成熟的技术方案，但在高性能(数百瓦，mJ级)领域尚需深入研究。目前超快激光厂商主要采用光纤激光技术，但由于光纤模场面积受到限制，无法实现高峰值功率、高平均功率的超快脉冲激光器产品。而且在目前的科研大型装置中，如光参量啁啾脉冲放大系统(OPCPA)、阿秒脉冲光源以及高能X射线装置等领域中需要的高能量泵浦源，增加了对高功率高能量脉冲的泵浦激光器的需求。而将OPCPA系统缩放到千赫重复率的太瓦峰值功率需要能量为百mJ的皮秒泵浦脉冲。故本实用新型实施例所能够产生的高能量超短脉冲的战略和应用价值也十分凸显。

本实用新型实施例的现实意义还在于该高功率碟片激光器系统(即所述基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器)可以直接应用于科研大装置中，打破国外激光厂商对该领域的长期垄断。科研市场的需求主要以20至200mJ(毫焦)单脉冲能量，1kHz(千赫兹)重复频率，1至10ps(皮秒)的高脉冲能量超快激光系统为主。随着大型科研装置的设立和应用开发未来会对该系统有稳定的持续需求增长。

在一实施例中，还包括一用于对放大的纳秒激光脉冲进行脉宽压缩的可调脉冲压缩器，所述可调脉冲压缩器提供的二阶色散和三阶色散与所述啁啾布拉格光纤光栅提供的从飞秒展宽到纳秒所需的二阶色散和三阶色散分别相对应。

进一步的，结合图2，在一实施例中，所述可调脉冲压缩器包括第一光栅011、第二光栅012、第一反射镜组013、第二反射镜组014、第三反射镜组015和第四反射镜组016；其中，所述第一光栅011和第二光栅012平行设置，所述第一反射镜组013和所述第三反射镜组015均设置于一可移动平台上；

放大的纳秒激光脉冲通过所述第一光栅011衍射后依次经过第一反射镜组013、第二反射镜组014、第三反射镜组015、第二反射镜组014和第一反射镜组013后，进入所述第二光栅012发生衍射，并通过第四反射镜组016反射后实现光轴抬高，然后返回至所述第二光栅012，并再次经过第一反射镜组013、第二反射镜组014、第三反射镜组015、第二反射镜组014和第一反射镜组013后，由所述第一光栅011输出压缩光。

本实施例中，利用所述可调脉冲压缩器实现对放大的纳秒激光脉冲的脉冲压缩，在一具体实施例中，所述可调脉冲压缩器的压缩范围为1.6～10皮秒。更进一步的，如果对种子光的相位调制后再进行放大，那么压缩后的脉宽可以小于1皮秒。

具体来说，纳秒激光脉冲从第一光栅011衍射(透射或反射光栅)后依次经过第一反射镜组013、第二反射镜组014、第三反射镜组015、第二反射镜组014、第一反射镜组013和第二光栅012后，各个光谱成分组成的条形光斑被第四反射镜组016反射后光轴抬高被返回后依次经过第二光栅012、第一反射镜组013、第二反射镜组014、第三反射镜组015、第二反射镜组014、第一反射镜组013和第一光栅011输出被压缩光。在这里，所述第一反射镜组013和第三反射镜组015的位置可调，例如将二者设置在一可移动平台上，达到位置移动调整的效果。

在另一具体实施例中，结合图3和图4，所述可调脉冲压缩器还包括用于将输入的激光反射至第一光栅011的第一压缩器反射镜017，以及用于将第二光栅012输出的压缩光进行反射输出的第二压缩器反射镜018。图3和图4中，箭头指向方向即为光路行进方向，其中，图3为激光达到第四反射镜组016的光路示意图，图4为激光从第四反射镜组016实现光轴抬高并返回的光路示意图。

在一实施例中，还包括一用于同时对所述第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9进行泵浦的泵浦源10。

进一步的，在一实施例中，所述泵浦源10通过一分光镜11将泵浦光束分束为第一泵浦光束和第二泵浦光束，所述第一泵浦光束直接照射至所述第一碟片增益介质8中，所述第二泵浦光束通过一第四反射模块反射至所述第二碟片增益介质9中。

本实施例中，通过一个泵浦源同时对两个碟片增益介质进行泵浦，并通过所述分光镜11(例如50/50分束器)和第四反射模块对泵浦光束进行分光和反射，使再生放大器具有良好的泵浦匀化的平顶功率，中心波长为940nm或969nm，所述第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9上的泵浦光斑尺寸为5到6毫米。

在一实施例中，所述第一反射模块沿光路依次包括竖直方向平行且不在同一水平线上的第一0°反射镜12和第二0°反射镜13；

所述第二反射模块包括竖直方向与所述第二0°反射镜13平行的第三0°反射镜14；

所述第三反射模块包括正向设置的第一45°反射镜15；

所述第四反射模块包括反向设置的第二45°反射镜16。

以及，在一实施例中，所述第一望远模块沿光路依次包括第一凹面镜17和第一凸面镜18；所述第二望远模块沿光路依次包括第二凸面镜19和第二凹面镜20，其中，所述第一凹面镜17和第二凹面镜20的曲率参数相同，所述第一凸面镜18和第二凸面镜19的曲率参数相同。

本实施例中，飞秒种子光经过光纤环形器和CFBG展宽后，成为纳秒激光脉冲，所述纳秒激光脉冲经过准直依次通过光隔离器3和第一1/2波片4成为线性p偏振后，穿过薄膜偏振片5。纳秒激光脉冲通过尚未加电压的普克尔斯盒6中的电光晶体和第二1/2波片7后变成s偏振，经过第一反射模块中的第一0°反射镜12和第二0°反射镜13反射后，经过第一碟片增益介质8。在提取第一碟片增益介质8中储存的能量后，纳秒激光脉冲经过第一望远模块中的第一凹面镜17和第一凸面镜18后，经过第二反射模块中的第三0°反射镜14进入第二望远模块，并经由第二凸面镜19和第二凹面镜20达到所述第二碟片增益介质9。在这里，为保证在两个碟片增益介质处的激光模式相同，所述第一望远模块和第二望远模块在几何结构上是完全对称的。所述的两个对称的望远模块，与再生放大激光腔内的其他反射镜、碟片增益晶体和电光晶体构成一个稳腔，并与激光模式和泵浦光斑模式相匹配。

纳秒激光脉冲经第二碟片增益介质9表面反射后再经过所述第三反射模块中的第一45°反射镜15和薄膜偏振片5后返回原光路，完成一次光路循环。此时，普克尔斯盒6已经加上了1/2玻片电压，纳秒激光脉冲经过1/2玻片电压电光晶体和第二1/2波片7后保持s偏振不变，s偏振光经过已加电压的普克尔斯盒6偏振状态不变，保持s偏振的纳秒激光脉冲可以在所述再生放大激光腔中来回往复震荡，并对储存在两个碟片增益介质中的能量进行多次重复提取，从而实现了激光脉冲能量的有效率放大，直到纳秒激光脉冲的能量增益到饱和后将普克尔斯盒6的驱动电压降为0，纳秒激光脉冲通过第二1/2波片7后偏振由s偏振变为p偏振，再经历一次循环后通过薄膜偏振片5后输出。输出放大后的纳秒激光脉冲进入可调脉宽压缩器实现对激光脉冲的压缩。

在这里，可以理解的是，在其他具体实施例中，所述第一望远模块和第二望远模块可以包含更多数量的凸面镜和凹面镜，以达到更好的激光模式的匹配，并且进一步的，对于望远模块的数量也可以根据实际场景进行选择，只需保证望远模块对称分布即可。同样的，对于第一反射模块、第二反射模块、第三反射模块和第四反射模块中各自包含的反射镜，不论是数量还是反射角度，均可以根据实际场景自行选择。

在一具体实施例中，结合图5所示，纳秒激光脉冲在再生放大激光腔内来回往复震荡的过程中，由于第一望远模块和第二望远模块对称分布，以及第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9对称分布，因此纳秒激光脉冲在第一望远模块和第二望远模块的光斑大小相等，同样的，在所述第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9的光斑大小相等，并且所具有的晶体离子数量和储存的能量也是相同的，因此腔内的激光模式和能量密度分布与泵浦光斑有更好的匹配。

在一实施例中，所述普克尔斯盒6内设置有两个电光晶体，以使普克尔斯盒6的相位调制为λ/2，两个所述电光晶体均为偏硼酸钡晶体，所述普克尔斯盒6的通光孔径为所述偏硼酸钡晶体长度的80％～90％；

所述偏硼酸钡的左右两侧镀金或铬，上下两端镀有1030nm的增透膜。

本实施例中，普克尔斯盒6中的电光晶体主要为BBO(偏硼酸钡)等，为实现高能量脉冲输出，需要其较大的通光口径。该BBO晶体两侧镀金或铬，上下两端镀1030nm的高透射膜。通过在镀金两侧加电压，可以使普克尔斯盒6相位调制为λ/2,从而控制激光在放大腔中的运行时间。在一具体实施例中，两片BBO晶体大小为9×9×20mm³，通光孔径为85％×9mm，BBO上的光斑直径大小为4～5mm。

在一实施例中，所述第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9结构相同，所述第一碟片增益介质8为圆盘型结构，且圆盘型结构的直径为12～30mm，厚度为0.100～0.250mm，晶体锲角为0～0.05°；

所述第一碟片增益介质8为掺杂Yb质量浓度为0.3％～10％的YAG晶体；

所述YAG晶体经抛光后，在上表面镀有940～969nm以及1030nm的增透膜，在后表面上镀有940～969nm的以及1030nm的反射膜，且Yb：YAG晶体的后表面直接焊接、键合和/或胶合在热沉材料上；

或者，所述第一碟片增益介质8为掺杂Nd³⁺、Ho或者Tm³⁺中的任意一种的CALGO、KYW、KGW、KLW、Lu₂O₃、Sc₂O₃或者YVO₄晶体。

本实施例中，第一碟片增益介质8设置为圆盘型结构，且第一碟片增益介质8直径在12到30mm，厚度设置为0.100到0.250mm，且晶体的锲角为0～0.05°，例如0.02°等。第一碟片增益介质8是掺杂Yb浓度(质量浓度)为0.3％～10％(例如7％)的YAG晶体。该晶体在高质量抛光后上表面镀940到969nm和1030nm增透膜，后表面镀940到969nm和1030nm反射膜。另外，碟片晶体全反射后表面直接焊接、键合和/或胶合在铜钨，SiC或金刚石等热沉上，这样的一维的轴向高效率的散热，可以实现碟片的高功率密度的泵浦。

另外，本实施例中的碟片增益介质(即第一碟片增益介质8和第二碟片增益介质9)还可以是掺杂Nd³⁺、Ho或者Tm³⁺中的任意一种的CALGO、KYW、KGW、KLW、Lu₂O₃、Sc₂O₃或者YVO₄晶体。举例来说，碟片增益介质可以是掺杂Nd³⁺的YVO₄晶体，又或者是掺杂Ho的CALGO晶体，还可以是掺杂Ho的YVO₄晶体等等。

本实施例中，再生放大器配置的两个Yb:YAG碟片晶体，它们用作再生放大器中的增益介质，并用全固态半导体激光器泵浦光(DPSS)进行泵浦以得到放大所需的能量。放大器整体结构内置于水冷的单片铝制盒体中，因此具有很高的热稳定性和机械稳定性。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，包括：

飞秒激光种子光源，用于提供飞秒种子光；

啁啾布拉格光纤光栅，用于将所述飞秒种子光展宽为纳秒激光脉冲；

光耦合输入输出器，用于对所述纳秒激光脉冲进行耦合输入以及对放大处理后的纳秒激光脉冲进行耦合输出；

再生放大激光腔，用于对耦合输入的纳秒激光脉冲进行再生放大处理；

所述光耦合输入输出器包括光纤耦合准直模块、光隔离器、第一1/2波片和薄膜偏振片；

所述再生放大激光腔包括普克尔斯盒、第二1/2波片、第一反射模块、第二反射模块、第一望远模块、第二望远模块、第一碟片增益介质、第二碟片增益介质和第三反射模块；其中，所述第一望远模块、第一碟片增益介质与第二望远模块、第二碟片增益介质关于所述第二反射模块对称分布；

飞秒种子光经过所述啁啾布拉格光纤光栅脉冲展宽成为纳秒激光脉冲，以避免飞秒种子光在放大过程发生器件损伤，所述纳秒激光脉冲依次经过所述光纤耦合输入输出器中的光纤耦合准直模块、光隔离器和第一1/2波片，转变为线性p偏振，并穿过所述薄膜偏振片进入所述再生放大激光腔；

纳秒激光脉冲通过未加电压的普克尔斯盒和第二1/2波片后，由线性p偏振转变为s偏振，并经过所述第一反射模块后进入所述第一碟片增益介质中；s偏振的飞秒种子光在第一碟片增益介质中提取能量后依次经过第一望远模块、第二反射模块、第二望远模块后进入所述第二碟片增益介质中提取能量；

纳秒激光脉冲在所述第二碟片增益介质中提取能量后依次经过第三反射模块和薄膜偏振片后返回至已加电压的普克尔斯盒，并保持s偏振在所述再生放大激光腔中来回往复震荡，以对所述第一碟片增益介质和第二碟片增益介质中的能量进行多次提取，直至纳秒激光脉冲的能量增益至饱和，然后通过所述光耦合输入输出器输出已经放大的纳秒激光脉冲。

2.根据权利要求1所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，还包括一用于对放大的纳秒激光脉冲进行脉宽压缩的可调脉冲压缩器，所述可调脉冲压缩器提供的二阶色散和三阶色散与所述啁啾布拉格光纤光栅提供的从飞秒展宽到纳秒所需的二阶色散和三阶色散分别相对应。

3.根据权利要求2所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述可调脉冲压缩器包括第一光栅、第二光栅、第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组和第四反射镜组；其中，所述第一光栅和第二光栅平行设置，所述第一反射镜组和所述第三反射镜组均设置于一可移动平台上；

放大的纳秒激光脉冲通过所述第一光栅衍射后依次经过第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组、第二反射镜组和第一反射镜组后，进入所述第二光栅发生衍射，并通过第四反射镜组反射后实现光轴抬高，然后返回至所述第二光栅，并再次经过第一反射镜组、第二反射镜组、第三反射镜组、第二反射镜组和第一反射镜组后，由所述第一光栅输出压缩光。

4.根据权利要求1所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，还包括一用于同时对所述第一碟片增益介质和第二碟片增益介质进行泵浦的泵浦源。

5.根据权利要求4所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述泵浦源通过一分光镜将泵浦光束分束为第一泵浦光束和第二泵浦光束，所述第一泵浦光束直接照射至所述第一碟片增益介质中，所述第二泵浦光束通过一第四反射模块反射至所述第二碟片增益介质中。

6.根据权利要求5所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述第一反射模块沿光路依次包括竖直方向平行且不在同一水平线上的第一0°反射镜和第二0°反射镜；

所述第二反射模块包括竖直方向与所述第二0°反射镜平行的第三0°反射镜；

所述第三反射模块包括正向设置的第一45°反射镜；

所述第四反射模块包括反向设置的第二45°反射镜。

7.根据权利要求1所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述第一望远模块沿光路依次包括第一凹面镜和第一凸面镜；所述第二望远模块沿光路依次包括第二凸面镜和第二凹面镜，其中，所述第一凹面镜和第二凹面镜的曲率参数相同，所述第一凸面镜和第二凸面镜的曲率参数相同。

8.根据权利要求2所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述可调脉冲压缩器的压缩范围为1.6～10皮秒。

9.根据权利要求1所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述普克尔斯盒内设置有两个电光晶体，以使普克尔斯盒的相位调制为λ/2，两个所述电光晶体均为偏硼酸钡晶体，所述普克尔斯盒的通光孔径为所述偏硼酸钡晶体长度的80％～90％；

所述偏硼酸钡的左右两侧镀金或铬，上下两端镀有1030nm的增透膜。

10.根据权利要求1所述的基于CPA技术的碟片介质高能量超短脉冲激光再生放大器，其特征在于，所述第一碟片增益介质和第二碟片增益介质结构相同，所述第一碟片增益介质为圆盘型结构，且圆盘型结构的直径为12～30mm，厚度为0.100～0.250mm，晶体锲角为0～0.05°；

所述第一碟片增益介质为掺杂Yb质量浓度为0.3％～10％的YAG晶体；

所述YAG晶体经抛光后，在上表面镀有940～969nm以及1030nm的增透膜，在后表面上镀有940～969nm的以及1030nm的反射膜，且Yb：YAG晶体的后表面直接焊接、键合和/或胶合在热沉材料上；

或者，所述第一碟片增益介质为掺杂Nd³⁺、Ho或者Tm³⁺中的任意一种的CALGO、KYW、KGW、KLW、Lu₂O₃、Sc₂O₃或者YVO₄晶体。

Images