專利名稱：全固態(tài)kHz皮秒激光脈沖再生放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是基于半導(dǎo)體激光二極管(LD)做光泵浦源，可有效對皮秒(ps)脈寬的超短激光脈沖實現(xiàn)106倍放大，輸出激光脈沖重復(fù)頻率為千赫茲(kHz)的一種全固態(tài)再生放大器。再生放大器是超短激光脈沖應(yīng)用不可缺少的環(huán)節(jié)。經(jīng)再生放大器放大后的超短激光脈沖在材料的微細(xì)加工、微電子學(xué)、微光子器件、微型機(jī)械、精密檢測、信息和通訊、醫(yī)療和生物工程等領(lǐng)域都可進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
經(jīng)鎖模激光器產(chǎn)生的光脈沖由于其極窄的脈沖寬度(10-10-10-15秒)，受到人們的廣泛關(guān)注，但其單脈沖能量(納焦)低，單通或多通能量放大器，不能實現(xiàn)對弱信號的有效放大，需要首先通過再生放大器才能實現(xiàn)對其有效的放大。再生放大器是超短激光脈沖應(yīng)用不可缺少的部分。
再生放大器包括由法拉第旋轉(zhuǎn)器、λ/2波片、偏振片組成的種子光導(dǎo)入、放大光導(dǎo)出部分和具有增益介質(zhì)的再生放大器諧振腔兩部分。它的基本工作原理是從鎖模脈沖波列(種子光)中選出單脈沖，并使其在放大器增益介質(zhì)中往返多次得到106倍左右放大后輸出。
文獻(xiàn)一，1993年12月日本Osaka大學(xué)的Kenta Naito等人在Appl.Phys.Lett.上發(fā)表了第一篇激光二極管泵浦的Nd:YAG再生放大器，題目是“Demonstration of high energy extraction efficiency in a laser-diode pumped highgain Nd:YAG regenerative amplifier”，把910ps的種子光由0.5nJ放大到6mJ，但其工作頻率低為50Hz。
文獻(xiàn)二，1994年8月加拿大的D.R.Walker等人在Appl.Phys.Lett.上發(fā)表文章“High power diode-pumped Nd:YAG regenerative amplifier for picosecondpulses”，該文章報道了5KHz工作頻率的LD泵浦的Nd:YAG再生放大器，其中普克爾盒采用LN做電光晶體，獲得了脈寬為25ps，脈沖能量2.5mJ的放大輸出。
文獻(xiàn)三，2001年6月瑞士的Micheal J.P.Dymott和Kurt J.Weingarten在APPLIED OPTICS雜志上發(fā)表了“Picosecond diode-pumped laser system with9.3-W average power and 2.3-mJ pulse energy”，文中為了減小Nd:YAG再生放大器的熱致雙折射效應(yīng)，先由再生放大器將單脈沖能量只放大到460μJ，再通過增加一級四通放大，獲得了2.3mJ，20.5ps，工作頻率為4KHz的輸出。
目前LD泵浦的全固態(tài)kHz Nd:YAG皮秒激光脈沖再生放大器，主要存在的問題有(1)Nd:YAG棒因熱致雙折射效應(yīng)引起的退偏，使放大效率、光束質(zhì)量降低。文獻(xiàn)三通過在再生放大器后增加一級四通放大，一方面降低了再生放大器的放大倍數(shù)，另一方面通過四通放大部分光路補(bǔ)償Nd:YAG棒熱致退偏問題，使最終得到所需的放大能量。由于增加了四通放大，使激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加。(2)KD*P晶體普克爾盒在高平均功率情況下，即高重復(fù)頻率工作時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)，使腔內(nèi)損耗增加，限制了再生放大器能量的提高。文獻(xiàn)二通過選用LN晶體普克爾盒來解決這個問題，但是LN晶體普克爾盒損傷閾值低，在使用中容易打壞，不是理想的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種采用準(zhǔn)連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光二極管列陣做泵浦光源；選用高損傷閾值，在高平均功率條件下插入損耗低的BBO晶體普克爾盒；利用λ/4波片對Nd:YAG棒熱致雙折射效應(yīng)給與補(bǔ)償。本再生放大器完全克服了目前所報道的全固態(tài)kHz Nd:YAG皮秒脈沖再生放大器的缺點，實現(xiàn)了對4～30皮秒超短激光脈沖的有效放大，放大倍數(shù)為1.5×106，工作頻率1kHz。其結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高，光束質(zhì)量好，使用方便可靠，并且可以滿足商業(yè)應(yīng)用的要求。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為包括第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器3構(gòu)成的再生放大器種子光導(dǎo)入和放大光導(dǎo)出裝置、具有增益介質(zhì)的放大諧振腔，增益介質(zhì)由激光晶體9、泵浦光10、熱沉11組成；還包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的第二偏振片4、第一λ/4波片5、普克爾盒6、第三偏振片8，特征是放大諧振腔的兩個腔鏡由第一全反鏡7和第二全反鏡14構(gòu)成，諧振腔內(nèi)設(shè)置第二λ/4波片12和負(fù)透鏡13，其中，第二λ/4波片12設(shè)置在激光晶體9后，第二全反腔鏡14前，波片的快軸與入射的線偏振光的光矢量平行，負(fù)透鏡13設(shè)置在激光晶體9和第二λ/4波片12之間或第二λ/4波片12和第二全反腔鏡14之間，具體位置根據(jù)激光晶體9的熱透鏡焦距大小以及所選用的負(fù)透鏡13的焦距大小，最后通過實驗確定。再生放大器采用6～12個、峰值功率40W的準(zhǔn)連續(xù)半導(dǎo)體激光二極管列陣做泵浦光源；選用φ3×65mm或φ4×65mm，摻雜濃度1％及以下Nd:YAG棒做激光增益介質(zhì)；放大器諧振腔采用平-平腔結(jié)構(gòu)，此時腔內(nèi)加入負(fù)透鏡用于補(bǔ)償激光增益介質(zhì)產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)，或采用凹-凸腔結(jié)構(gòu)，此時腔內(nèi)不需加入負(fù)透鏡，熱透鏡效應(yīng)通過凹凸腔直接得到補(bǔ)償；在激光晶體和第二全反腔鏡間加入第二λ/4波片，用于補(bǔ)償增益介質(zhì)產(chǎn)生的熱致雙折射效應(yīng)。泵浦光驅(qū)動源工作在1kHz頻率下，驅(qū)動源帶有同步信號輸出功能；普克爾盒采用BBO晶體做電光Q開關(guān)晶體，有利于高平均功率的獲得；驅(qū)動普克爾盒的高壓電源，工作頻率為1-10kHz，第一延時時間從0-1ms可調(diào)，第二延時0-1μs可調(diào)，加壓上升沿時間為幾個ns。通過調(diào)節(jié)普克爾盒高壓電源加壓時間，控制BBO電光Q開關(guān)，完成對種子光單脈沖的選取，并控制其在諧振腔內(nèi)往返多次，直到增益達(dá)到最大，然后倒空輸出，實現(xiàn)大于106倍的放大。
本發(fā)明的另一種技術(shù)方案同以上方案相同，所不同的是Nd:YAG棒也可換成Nd:YLF棒，此時在激光晶體和第二全反腔鏡間不加入第二λ/4波片。具體結(jié)構(gòu)為包括第一偏振片、λ/2波片和法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成的再生放大器種子光導(dǎo)入和放大光導(dǎo)出裝置；還包括增益介質(zhì)的放大諧振腔，增益介質(zhì)由激光晶體、泵浦源、熱沉組成；還包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的第二偏振片、λ/4波片、普克爾盒、第三偏振片；特征是放大諧振腔的兩個腔鏡由第一全反腔鏡和第二全反腔鏡平面反射鏡構(gòu)成，為平平腔結(jié)構(gòu)，諧振腔內(nèi)設(shè)置負(fù)透鏡，其中，負(fù)透鏡設(shè)置在激光晶體和第二全反腔鏡之間；所述的激光晶體為Nd:YLF棒；所述的泵浦源為準(zhǔn)連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光二極管列陣，泵浦源工作頻率為1kHz。
本發(fā)明的有益效果是(1)準(zhǔn)連續(xù)泵浦降低了激光器冷卻系統(tǒng)的制冷量，從而降低了系統(tǒng)的體積和成本，同時延長了泵浦光源的使用壽命；(2)有效解決了Nd:YAD再生放大器熱效應(yīng)問題，放大倍數(shù)以及光束質(zhì)量得到有效保證。


圖1是本發(fā)明的光路原理圖。
圖2本發(fā)明另一方案光路原理圖。
圖3再生放大器腔倒空輸出的單個巨脈沖圖4再生放大器輸出的1KHz脈沖序列圖中包括1、第一偏振片，2、λ/2波片，3、法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器，4、第二偏振片，5、第一λ/4波片，6、普克爾盒，7、第一全反腔鏡，8、第三偏振片，9、激光晶體，10、半導(dǎo)體激光二極管陣列，11、熱沉，12、第二λ/4波片，13、負(fù)透鏡，14、第二全反腔鏡。7和14兩個全反腔鏡間為再生放大諧振腔。第一偏振片1右側(cè)向左箭頭表示種子光導(dǎo)入，斜向上箭頭表示放大光導(dǎo)出。
具體實施例方式
在圖1中，第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器3構(gòu)成了再生放大器種子光導(dǎo)入和放大光導(dǎo)出裝置；第一全反腔鏡7和第二全反腔鏡14構(gòu)成了再生放大器諧振腔的兩個腔鏡。
水平偏振的鎖模種子光經(jīng)第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器3后，仍為水平偏振，經(jīng)第二偏振片4導(dǎo)入再生放大諧振腔；光經(jīng)過第一λ/4波片5和普克爾盒6(此時普克爾盒上電壓為0)，到達(dá)全反腔鏡后被全反射，再一次通過第一λ/4波片5和普克爾盒6(此時普克爾盒上電壓為0)，其偏振方向變?yōu)榇怪逼窆猓坏诙衿?和第三偏振片8反射，并通過由激光晶體9、半導(dǎo)體激光二極管陣列10、熱沉11組成的增益介質(zhì)被放大，同時熱致雙折射效應(yīng)和熱透鏡效應(yīng)分別被第二λ/4波片12和負(fù)透鏡13補(bǔ)償，第二λ/4波片放置時要求其快軸與入射線偏振光的光矢量平行。調(diào)節(jié)普克爾盒驅(qū)動高壓源加到普克爾盒6上λ/4波長電壓的加壓第一延時時間，選出單一種子光脈沖，然后調(diào)節(jié)第二延時時間控制所選出的種子光在諧振腔內(nèi)往返次數(shù)，每次通過由激光晶體9、半導(dǎo)體激光二極管陣列10、熱沉11組成的半導(dǎo)體側(cè)泵模塊種子光既被放大一次，其往返次數(shù)由側(cè)泵模塊增益以及諧振腔損耗決定，當(dāng)達(dá)到增益飽和，光從激光晶體9出射后，撤掉普克爾盒電光Q開關(guān)上所加λ/4波長電壓，經(jīng)第三偏振片8、第二偏振片4反射，射向第一λ/4波片5、普克爾盒6后，被第一全反腔鏡7反射又一次通過第一λ/4波片5，垂直偏振光變?yōu)樗狡窠?jīng)第二偏振片4透射，此時被導(dǎo)入的種子光完成了腔內(nèi)的放大過程。放大后的水平偏振光經(jīng)法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器3、λ/2波片2，其偏振態(tài)被旋轉(zhuǎn)，變?yōu)榇怪逼窆?，被第一偏振?反射，最終完成了放大光的導(dǎo)出。
選擇合適焦距的負(fù)透鏡13，調(diào)節(jié)負(fù)透鏡的前后位置以及旋轉(zhuǎn)第二λ/4波片12，實現(xiàn)熱效應(yīng)的補(bǔ)償。
圖2為本發(fā)明的另一種方案，包括第一偏振片1、λ/2波片2和法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器3構(gòu)成的再生放大器種子光導(dǎo)入和放大光導(dǎo)出裝置、具有增益介質(zhì)的放大諧振腔，增益介質(zhì)由Nd:YLF棒作為激光晶體9、準(zhǔn)連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光二極管列陣10作為泵浦源、熱沉11組成；還包括第二偏振片4、第一λ/4波片5、普克爾盒6、第三偏振片8；放大諧振腔的兩個腔鏡由第一全反鏡7和第二全反鏡14平面反射鏡構(gòu)成，諧振腔內(nèi)設(shè)置負(fù)透鏡13，其中，負(fù)透鏡13設(shè)置在激光晶體9和第二全反腔鏡14間；泵浦源工作頻率為1kHz。
通過放置在第一偏振片放大光導(dǎo)出方向上的光電管，監(jiān)測再生放大器腔倒空輸出情況，圖3和圖4為光電管探測到的經(jīng)示波器顯示出的放大輸出單脈沖波形及1KHz脈沖序列波形。
權(quán)利要求
1.全固態(tài)kHz皮秒激光脈沖再生放大器，包括第一偏振片(1)、λ/2波片(2)和法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器(3)構(gòu)成的再生放大器種子光導(dǎo)入和放大光導(dǎo)出裝置；具有增益介質(zhì)的放大諧振腔，增益介質(zhì)由激光晶體(9)、泵浦源(10)、熱沉(11)組成；沿光的傳播方向還依次經(jīng)過包括第二偏振片(4)、第一λ/4波片(5)、普克爾盒(6)、第三偏振片(8)；其特征是放大諧振腔的兩個腔鏡由第一全反腔鏡(7)和第二全反腔鏡(14)構(gòu)成，為平平腔結(jié)構(gòu)，諧振腔內(nèi)設(shè)置第二λ/4波片(12)和負(fù)透鏡(13)，其中，第二λ/4波片(12)設(shè)置在激光晶體(9)和第二全反腔鏡(14)間，波片的快軸與入射的線偏振光的光矢量平行，負(fù)透鏡(13)設(shè)置在激光晶體(9)和第二λ/4波片(12)之間或第二λ/4波片(12)和第二全反腔鏡(14)之間；所述的激光晶體(9)為Nd:YAG棒；所述的泵浦源為準(zhǔn)連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光二極管列陣(10)，泵浦源工作頻率為1kHz。
2.全固態(tài)kHz皮秒激光脈沖再生放大器，包括第一偏振片(1)、λ/2波片(2)和法拉第光學(xué)旋轉(zhuǎn)器(3)構(gòu)成的再生放大器種子光導(dǎo)入和放大光導(dǎo)出裝置、具有增益介質(zhì)的放大諧振腔，增益介質(zhì)由激光晶體(9)、泵浦源(10)、熱沉(11)組成；沿光的傳播方向還依次經(jīng)過包括第二偏振片(4)、λ/4波片(5)、普克爾盒(6)、第三偏振片(8)；其特征是放大諧振腔的兩個腔鏡由第一全反腔鏡(7)和第二全反腔鏡(14)構(gòu)成，為平平腔結(jié)構(gòu)，諧振腔內(nèi)設(shè)置負(fù)透鏡(13)，其中，負(fù)透鏡(13)設(shè)置在激光晶體(9)和第二全反腔鏡(14)之間；所述的激光晶體(9)為Nd:YLF棒；所述的泵浦源為準(zhǔn)連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光二極管列陣(10)，泵浦源工作頻率為1kHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全固態(tài)kHz皮秒激光脈沖再生放大器，其特征是所述的普克爾盒(6)采用BBO晶體做電光Q開關(guān)晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全固態(tài)kHz皮秒激光脈沖再生放大器，其特征是采用6～12個所述的準(zhǔn)連續(xù)半導(dǎo)體激光二極管列陣(10)做泵浦光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)kHz皮秒激光脈沖再生放大器，其特征是所述的Nd:YAG棒為φ3×65mm或φ4×65mm，摻雜濃度為1％及小于1％。
全文摘要
全固態(tài)kHz皮秒激光脈沖再生放大器，屬于一種全固態(tài)再生放大器。特征是放大諧振腔的兩個腔鏡由第一全反腔鏡(7)和第二全反腔鏡(14)構(gòu)成的平平腔，諧振腔內(nèi)設(shè)置負(fù)透鏡(12)和第二λ/4波片(13)，其中，第二λ/4波片設(shè)置在激光晶體(9)和第二全反腔鏡間，波片的快軸與入射的線偏振光的光矢量平行，負(fù)透鏡設(shè)置在激光晶體和第二λ/4波片之間或第二λ/4波片和第二全反腔鏡之間；激光晶體為Nd:YAG棒；泵浦源為準(zhǔn)連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光二極管列陣(10)，泵浦源工作頻率為1kHz?；蛘卟捎肗d:YLF棒，此時不加入第二λ/4波片。本發(fā)明降低了系統(tǒng)的體積和成本，有效解決了Nd:YAD再生放大器熱效應(yīng)問題，放大倍數(shù)以及光束質(zhì)量得到有效保證。
文檔編號H01S5/00GK101055401SQ200710099589
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者李港, 陳檬, 常亮 申請人:北京工業(yè)大學(xué)