專利名稱：用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，屬于固體激光放大技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高能量皮秒激光器以其高的峰值功率、窄的脈沖寬度，在材料精細(xì)微加工，LED劃片，太陽能光伏，科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相對于納秒激光，采用皮秒激光加工材料，具有精度高、熱影響區(qū)域極小、加工邊緣無毛刺等優(yōu)點(diǎn)。為了滿足上述應(yīng)用，一般要求皮秒激光峰值功率達(dá)到MW量級，目前產(chǎn)生MW量級峰值功率皮秒激光的原理是從幾十MHz鎖模種子源激光器通，過電光調(diào)制的方法，選出kHz到百kHz種子光脈沖，然后經(jīng)過放大實(shí)現(xiàn)瓦級功率輸出。種子光脈沖放大的方式有兩種，再生放大及行波放大。再生放大技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是，放大器增益高，可以達(dá)到IO6-IO9,但是再生放大腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對脈沖時(shí)序要求非常嚴(yán)格，同時(shí)需要加入電光腔倒空功能，制作難度非常大。行波放大技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，不需要再生放大腔，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，且容易獲得較高功率輸出， 缺點(diǎn)是單級放大增益小，一般可以達(dá)到103_104。目前，國際上大多數(shù)公司都采用再生放大器放大皮秒脈沖，例如High Q laser, Ekspla, Trumpf，Coherent等公司，最高輸出功率可以達(dá)到百kHz頻率下50W以上。國外也有研究用于皮秒脈沖放大的行波放大器。例如，2006年意大利Antonio Agnesi等人，采用兩級板條激光器實(shí)現(xiàn)將0. InJ單脈沖能量放大到10uJ，放大增益為IO5 ；2009日本K. Nawata 等人采用2mW皮秒種子源激光兩次通過楔形板條Nd: YV04構(gòu)成的行波放大器，實(shí)現(xiàn)輸出功率25W，放大增益為12500。為了獲得高的增益和高的峰值功率，行波放大器的增益介質(zhì)一般為板條結(jié)構(gòu)，但是板條結(jié)構(gòu)需要對放大激光進(jìn)行多次整形會造成激光光斑質(zhì)量變差。采用端面泵浦Nd:YV04方式可以解決此問題，但是由于Nd:YV04端面熱應(yīng)力影響，不能承受高的泵浦功率(小于40W)，放大增益很小。近年來研究發(fā)現(xiàn)，采用888. 5nm泵浦光代替808nm 泵浦光可以有效的降低晶體熱效應(yīng)40%以上，因此晶體端面可以承受更高的泵浦功率(大于 150W)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，特點(diǎn)是包括半導(dǎo)體二極管泵浦源、 激光晶體和皮秒種子源，半導(dǎo)體二極管泵浦源銜接第一透鏡，第一透鏡銜接第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接激光晶體，激光晶體銜接第三透鏡，第三透鏡銜接第二平面鏡，所述皮秒種子源銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器銜接第六透鏡，第六透鏡銜接第五透鏡，第五透鏡銜接第四透鏡，第四透鏡與第一平面鏡相銜接；皮秒種子源的脈沖薄膜偏振片后保持偏振態(tài)不變，通過法拉第旋光器后偏振態(tài)旋轉(zhuǎn) 45°，再經(jīng)過第六透鏡和第五透鏡進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的脈沖激光器經(jīng)過第四透鏡和第一平面鏡聚焦到激光晶體內(nèi)部；半導(dǎo)體二極管泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過第一透鏡和第二透鏡聚焦到激光晶體內(nèi)部，種子光在激光晶體內(nèi)部第一次放大后，種子光以及未被晶體吸收的泵浦光經(jīng)過第三透鏡準(zhǔn)直，再經(jīng)過第二平面鏡反射回到激光晶體中，對種子光二次放大及剩余泵浦光再次利用；二次放大后的激光脈沖經(jīng)過第一平面鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡到達(dá)法拉第旋光器，經(jīng)過法拉第旋光器后的放大激光偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，偏振態(tài)與第一次入射到薄膜偏振片的偏振態(tài)垂直，雙程放大的激光從薄膜偏振片反射出。進(jìn)一步地，上述的用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，其中，所述半導(dǎo)體二極管泵浦源為150W功率、888. 5nm波段二極管端面泵浦，其尾纖纖芯直徑為400微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22。更進(jìn)一步地，上述的用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，其中，所述激光晶體為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在0. 5% 1%，晶體長度位于25 50mm。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在
本發(fā)明采用兩個(gè)透鏡對種子源激光先擴(kuò)束，然后用單個(gè)透鏡再聚焦的方式，實(shí)現(xiàn)種子激光與泵浦光的最大限度重疊，提高放大器的提取效率；采用單個(gè)透鏡及單個(gè)平面反射鏡組合方式實(shí)現(xiàn)對剩余泵浦光的再次利用，同時(shí)將第一次放大后的種子激光反射回激光晶體內(nèi)部，完成激光的二次放大；本發(fā)明放大器具有放大增益高，輸出光斑質(zhì)量優(yōu)異，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明 圖1 本發(fā)明的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明設(shè)計(jì)適用于皮秒激光脈沖的高增益雙程行波放大器，其放大增益可以達(dá)到 1000倍，可將激光器的峰值功率由kW放大到MW量級，輸出放大激光穩(wěn)定，光束質(zhì)量優(yōu)異，結(jié)構(gòu)簡單。如圖1所示，用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，包括半導(dǎo)體二極管泵浦源1、激光晶體5和皮秒種子源13，半導(dǎo)體二極管泵浦源1銜接第一透鏡2，第一透鏡 2銜接第二透鏡3，第二透鏡3銜接第一平面鏡4，第一平面鏡4銜接激光晶體5，激光晶體 5銜接第三透鏡6，第三透鏡6銜接第二平面鏡7，皮秒種子源13銜接薄膜偏振片12，薄膜偏振片12銜接法拉第旋光器11，法拉第旋光器11銜接第六透鏡10，第六透鏡10銜接第五透鏡9，第五透鏡9銜接第四透鏡8，第四透鏡8與第一平面鏡4相銜接；皮秒種子源13的脈沖經(jīng)過薄膜偏振片12后保持偏振態(tài)不變，通過法拉第旋光器11后偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)過第六透鏡10和第五透鏡9進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的脈沖經(jīng)過第四透鏡8和第一平面鏡4聚焦到激光晶體5內(nèi)部，調(diào)整第六透鏡10和第五透鏡9之間的距離使得聚焦光斑大概為SOOum ； 半導(dǎo)體二極管泵浦源1發(fā)出的泵浦光經(jīng)過第一透鏡2和第二透鏡3聚焦到激光晶體內(nèi)部5， 聚焦光斑也保持在800um，種子光在激光晶體5內(nèi)部第一次放大后，種子光以及未被晶體吸收的泵浦光經(jīng)過第三透鏡6準(zhǔn)直，再經(jīng)過第二平面鏡7反射回到激光晶體5中，對種子光二次放大及剩余泵浦光再次利用；二次放大后的激光脈沖經(jīng)過第一平面鏡4、第四透鏡8、第五透鏡9和第六透鏡10到達(dá)法拉第旋光器11，經(jīng)過法拉第旋光器11后的放大激光偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，偏振態(tài)與第一次入射到薄膜偏振片12的偏振態(tài)垂直，雙程放大的激光從薄膜偏振片12反射出。行波放大器采用888. 5nm 二極管端面泵浦Nd: YV04方式實(shí)現(xiàn)種子光脈沖的放大。 用于皮秒激光的放大器有板條放大、光纖放大、側(cè)面泵浦晶體放大等形式。光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)是放大增益高，但是不能承受很高的峰值功率；板條放大的方式可以獲得比較高的增益， 同時(shí)可以承受很高的峰值功率，但是需要對激光脈沖做多次整形，且種子光和泵浦光重疊不夠好；側(cè)面泵浦方式放大增益不夠大，同時(shí)由于種子光和泵浦光重合不好，輸出光束質(zhì)量差。本發(fā)明放大器采用端面泵浦方式泵浦激光晶體，從而增加泵浦光和種子激光的重疊率以提高光束質(zhì)量，同時(shí)可以承受很高的峰值功率。采用888. 5nm光泵浦Nd:YV04晶體的優(yōu)勢是，將粒子直接從基態(tài)激發(fā)到激光上能級，有效的減小了量子虧損，使得激光晶體可以承受大于150W泵浦功率，在高功率泵浦下，放大器具有非常高的增益。采用行波放大方式實(shí)現(xiàn)種子光脈沖的放大。皮秒脈沖放大的方式有兩種，再生放大及行波放大。再生放大技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是，放大器增益高，可以達(dá)到IO6-IO9,但是再生放大腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對脈沖時(shí)序要求非常嚴(yán)格，同時(shí)需要加入電光腔倒空功能，制作難度非常大。行波放大技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要再生放大腔，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，且容易獲得較高功率輸出，缺點(diǎn)是單級放大增益小，一般可以達(dá)到103-104。采用法拉第旋光器11配合薄膜偏振片12實(shí)現(xiàn)激光的雙程放大。采用雙程放大方式，可以有效的提升放大器的放大增益。實(shí)現(xiàn)雙程放大的方式為種子光經(jīng)過薄膜偏振片 12后，經(jīng)過法拉第旋光器11，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)過第一次放大后，種子光被反射回激光晶體5內(nèi)部做二次放大，再次經(jīng)過法拉第旋光器11時(shí)偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，所以經(jīng)過偏振片可以反射輸出，從而實(shí)現(xiàn)激光雙程放大。采用對皮秒種子源13激光先擴(kuò)束再聚焦的方式，實(shí)現(xiàn)種子激光與泵浦光的最大限度重疊，提高放大器的提取效率。泵浦光經(jīng)過聚焦后進(jìn)入激光晶體5然后發(fā)散，而種子源輸出激光發(fā)散角很小，近乎于平行光，如果種子光直接通過晶體，由于重疊率低，無法獲得高的提取效率。將種子源擴(kuò)束再聚焦，可以有效提升提取效率。采用凸透鏡加上反射鏡的方式實(shí)現(xiàn)對于剩余泵浦光的再次利用，提高放大器增益，同時(shí)可以完成種子光第一次放大后被反射回激光晶體內(nèi)部做第二次放大的作用。由于 Nd YV04晶體對888. 5nm處的光吸收率低，采用30mm長，摻雜0. 6%的晶體，仍然有近20%的泵浦光未被晶體吸收，采用這一措施可以實(shí)現(xiàn)95%以上的泵浦光被晶體吸收。半導(dǎo)體二極管泵浦源1為150W功率、888. 5nm波段二極管端面泵浦，其尾纖纖芯直徑為400微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22。激光晶體5為Nd YV04，晶體尺寸為3 X 3 X 30mm3，晶體具有1. 5 °楔角，晶體摻雜濃度在0. 5% 1%，晶體長度位于25 50mm。防止高功率泵浦下晶體自激振蕩，通循環(huán)水對晶體進(jìn)行精確冷卻控溫。為了提高放大器的提取效率，種子源激光經(jīng)過激光晶體時(shí)的偏振態(tài)為45°偏振， 所以激光晶體的放置滿足其偏振在45°方向。為了增加種子光和泵浦光在晶體內(nèi)的重疊鏡3、第四透鏡8、第五透鏡9、第六透鏡10的焦距。根據(jù)上述技術(shù)方案，構(gòu)建皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器裝置。在抽運(yùn)光功率150w時(shí)，獲得不同種子光頻率下激光器的輸出功率，脈沖重復(fù)率為IOOkHz時(shí)，放大器輸出功率為5. 14W，此時(shí)對應(yīng)的種子源激光功率5mW，得到放大器增益大于1000。在激光功率5. 14W時(shí)，用光束質(zhì)量分析儀測得光束質(zhì)量因子M2<1. 5，放大器運(yùn)行8小時(shí)的穩(wěn)定度小于3%。從結(jié)果可以看出，本發(fā)明行波放大器具有放大增益高，光束質(zhì)量好，運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛用于皮秒激光應(yīng)用領(lǐng)域。綜上所述，本發(fā)明采用兩個(gè)透鏡對種子源激光先擴(kuò)束，然后用單個(gè)透鏡再聚焦的方式，實(shí)現(xiàn)種子激光與泵浦光的最大限度重疊，提高放大器的提取效率；采用單個(gè)透鏡及單個(gè)平面反射鏡組合方式實(shí)現(xiàn)對剩余泵浦光的再次利用，同時(shí)將第一次放大后的種子激光反射回激光晶體內(nèi)部，完成激光的二次放大；本發(fā)明放大器具有放大增益高，輸出光斑質(zhì)量優(yōu)異，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。需要理解到的是以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，其特征在于包括半導(dǎo)體二極管泵浦源、激光晶體和皮秒種子源，半導(dǎo)體二極管泵浦源銜接第一透鏡，第一透鏡銜接第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接激光晶體，激光晶體銜接第三透鏡，第三透鏡銜接第二平面鏡，所述皮秒種子源銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器銜接第六透鏡，第六透鏡銜接第五透鏡，第五透鏡銜接第四透鏡，第四透鏡與第一平面鏡相銜接；皮秒種子源的脈沖經(jīng)過薄膜偏振片后保持偏振態(tài)不變，通過法拉第旋光器后偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)過第六透鏡和第五透鏡進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的脈沖經(jīng)過第四透鏡和第一平面鏡聚焦到激光晶體內(nèi)部；半導(dǎo)體二極管泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過第一透鏡和第二透鏡聚焦到激光晶體內(nèi)部，種子光在激光晶體內(nèi)部第一次放大后，種子光以及未被晶體吸收的泵浦光經(jīng)過第三透鏡準(zhǔn)直，再經(jīng)過第二平面鏡反射回到激光晶體中，對種子光二次放大及剩余泵浦光再次利用；二次放大后的激光脈沖經(jīng)過第一平面鏡、第四透鏡、第五透鏡和第六透鏡到達(dá)法拉第旋光器，經(jīng)過法拉第旋光器后的放大激光偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，偏振態(tài)與第一次入射到薄膜偏振片的偏振態(tài)垂直，雙程放大的激光從薄膜偏振片反射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，其特征在于所述半導(dǎo)體二極管泵浦源為150W功率、888. 5nm波段二極管端面泵浦，其尾纖纖芯直徑為400微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，其特征在于所述激光晶體為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在0. 5% 1%，晶體長度位于 25 50mmo
全文摘要
本發(fā)明涉及用于皮秒激光脈沖放大的高增益雙程行波放大器，半導(dǎo)體二極管泵浦源銜接第一透鏡，第一透鏡銜接第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接激光晶體，激光晶體銜接第三透鏡，第三透鏡銜接第二平面鏡，所述皮秒種子源銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器銜接第六透鏡，第六透鏡銜接第五透鏡，第五透鏡銜接第四透鏡，第四透鏡與第一平面鏡相銜接。利用透鏡組合對種子激光進(jìn)行擴(kuò)束聚焦，實(shí)現(xiàn)種子光泵浦光在晶體內(nèi)的重疊，同時(shí)利用透鏡及反射鏡的組合將剩余的泵浦光反射回晶體內(nèi)部進(jìn)行再次利用。具有放大增益高、輸出光斑質(zhì)量優(yōu)異、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01S3/094GK102510000SQ20111045020
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者李立衛(wèi), 趙裕興 申請人:蘇州德龍激光有限公司