CN119921166B - 一种高功率脉宽重频可调谐激光器 - Google Patents
一种高功率脉宽重频可调谐激光器Info
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Abstract
本申请涉及激光技术领域，本申请提供一种高功率脉宽重频可调谐激光器，包括：输入输出光路，配置为输入种子光以及输出放大后的激光；再生放大器光路，配置为对输入的种子光进行放大；脉宽压缩模块，配置为对放大后的种子光进行脉宽压缩，输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光，所述脉宽压缩模块包括：第三偏振分光片、第三1/2波片、第一电控横向移动平面反射镜、第二电控横向移动平面反射镜、非线性晶体以及第四平面反射镜。本发明基于非线性晶体多通压缩方法，搭建一台高功率碟片激光器，其含有非线性晶体与1/2波片或加入普克尔盒的环形腔进行脉宽压缩，并通过电控横向移动平面反射镜最终得到高功率脉宽重频可调谐脉冲串。
Description
技术领域
本申请涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种高功率脉宽重频可调谐激光器。
背景技术
高功率超短激光技术的革新时刻推动着高能物理、聚变能源、精密测量、精细微加工、生物医学等应用领域的开拓和发展。激光脉宽的大小直接影响激光脉冲的能量密度和峰值功率，进而影响激光与物质相互作用的效果。现有激光脉宽压缩普遍采用光栅对压缩器实现,光栅对压缩器的工作原理是:正啁啾脉冲经过平行光栅时对不同光谱成分经历不同光程,长波长经历的光程大于短波长,引入与展宽器共轭的负色散补偿正啁啾实现脉冲压缩。然而其难以解决高功率激光脉冲压缩的技术问题。
发明内容
本申请一些实施例提供一种高功率脉宽重频可调谐激光器，包括：
输入输出光路，配置为输入种子光以及输出放大后的激光，所述输入输出光路包括：种子光源、第一平面反射镜、第一1/2波片、第一偏振分光片、法拉第旋光器以及第二1/2波片；
再生放大器光路，配置为对输入的种子光进行放大，所述再生放大器光路包括：第二偏振分光片、第一普克尔盒、1/4波片、第二平面反射镜、凹面反射镜、球面反射镜、第三平面反射镜以及碟片模块；
脉宽压缩模块，配置为对放大后的种子光进行脉宽压缩，输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光，所述脉宽压缩模块包括：第三偏振分光片、第三1/2波片、第一电控横向移动平面反射镜、第二电控横向移动平面反射镜、非线性晶体17以及第四平面反射镜；
其中，所述种子光源输出展宽的ns级s偏振态种子光，所述种子光经由第一平面反射镜、第一1/2波片，s偏振态种子光变为p偏振态的种子光，再经过第一偏振分光片、法拉第旋光器以及第二1/2波片进入所述再生放大器光路；
进入所述再生放大器光路中的种子光通过第一普克尔盒、1/4波片、第二平面反射镜、凹面反射镜，经凹面反射镜反射后原路返回依次通过所述第二平面反射镜、所述1/4波片、所述第一普克尔盒、第二偏振分光片、球面反射镜、第三平面反射镜后到达所述碟片模块，经过所述碟片模块放大后沿原路返回在谐振腔内往返进行放大，放大后的种子光从所述第一偏振分光片输出至脉宽压缩模块第一普克尔盒；
所述激光在所述脉宽压缩模块内循环压缩，通过旋转所述第三1/2波片的角度可以旋转线偏振光的偏振方向，控制所述非线性晶体色散量控制压缩量，每经过一圈都可以压缩脉宽一次，从而输出脉宽可调谐的脉冲串。
在一些实施例中,所述脉宽压缩模块还包括：第二普克尔盒，设置于所述第三偏振分光片和所述第二1/2波片之间。
在一些实施例中,通过调节所述第一电控横向移动平面反射镜和第二电控横向移动平面反射镜来调节所述脉冲串的重复频率。
在一些实施例中,所述再生放大器光路还包括：
泵浦源，用于输出泵浦光对所述碟片模块21进行泵浦。
在一些实施例中,所述碟片模块包括以下至少之一：Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CALGO、Yb:LuScO3、Ho:YAG、Ho:KYW、Tm:YAG、Tm:KYW、Cr:ZnSe 以及 Tm:LLF。
在一些实施例中,还包括：
控制模块，通过调节所述第二普克尔盒下降沿电压，所述脉冲串的脉宽逐渐减小的同时改变偏振态，从而输出脉宽可调谐的高功率脉冲串。
在一些实施例中,所述脉冲串的脉宽为ps级脉冲。
在一些实施例中,所述碟片再生放大器腔体中放大光路的光斑最小直径为2mm-2.1mm。
本申请实施例的上述方案与相关技术相比，至少具有以下有益效果：
本发明提出了一种输出脉宽重频可调的新型激光器，并可实现脉冲串激光输出。本发明基于非线性晶体多通压缩方法，搭建一台高功率碟片激光器，其含有非线性晶体与1/2波片或加入普克尔盒的环形腔进行脉宽压缩，最终得到高功率脉宽可调谐脉冲串。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。在附图中：
图1为本申请一些实施例提供的激光器的结构示意图；
图2为本申请另一些实施例提供的脉宽压缩模块的结构示意图；
图3为本申请另一些实施例提供的脉宽压缩模块的结构示意图；
图4为本申请另一些实施例提供的脉宽压缩模块的控制过程示意图。
附图标记说明：
种子光源14、第一平面反射镜13、第一1/2波片12、第一偏振分光片11、法拉第旋光器10、第二1/2波片9、第二偏振分光片7、第一普克尔盒2、1/4波片3、第二平面反射镜4、凹面反射镜5、球面反射镜8、第三平面反射镜6、碟片模块21、第三偏振分光片15、第三1/2波片22、第一电控横向移动平面反射镜19、第二电控横向移动平面反射镜18、非线性晶体17、第四平面反射镜16、第二普克尔盒20、泵浦源1。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。
还需要说明的是，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商品或者装置不仅包括那些要素，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商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
激光脉宽的大小直接影响激光脉冲的能量密度和峰值功率，进而影响激光与物质相互作用的效果。啁啾脉冲放大技术(CPA)可应用于超短脉冲激光器，先把超短光脉冲在时域上展宽，然后再放大到高能量，最后把脉冲宽度压缩回去，这种方法有效降低了放大器中脉冲的峰值功率，并且摆脱了非线性效应的限制，从这种激光系统中可以获得高峰值功率的超短脉冲。
本发明采用非线性晶体多通压缩方法，解决了高功率激光脉宽压缩问题，利用环形腔中的非线性晶体使得不同光谱成分经历不同光程,长波长经历的光程大于短波长,引入与展宽器共轭的负色散补偿正啁啾实现脉冲压缩。同时环形腔内1/2波片和/或普克尔盒通过电光效应实现对光束的调制，能够在特定条件下阻断光束的透射，实现光束的快速开关或Q开关功能，从而在激光系统中实现高能量脉冲的产生或光信号的精确控制。调节普克尔盒的电脉冲宽度与延时，控制光在环形腔中的循环次数进而控制通过环形腔圈数就可以改变输出脉宽，因为圈数不同可改变色散量不同，通过调节普克尔盒下降沿电压，激光脉宽慢慢变窄，偏振态改变就可以输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光。或直接加入1/2波片，通过旋转角度来进行脉冲串激光输出。
下面结合附图对本申请进行详细说明。
如图1所示，本申请提供一种高功率脉宽重频可调谐碟片激光器，包括输入输出光路、再生放大器光路以及脉宽压缩模块，输入输出光路配置为输入种子光以及输出放大后的激光，所述输入输出光路包括：种子光源14、第一平面反射镜13、第一1/2波片12、第一偏振分光片11、法拉第旋光器10以及第二1/2波片9。
再生放大器光路配置为对输入的种子光进行放大，所述再生放大器光路包括：第二偏振分光片7、第一普克尔盒2、1/4波片3、第二平面反射镜4、凹面反射镜5、球面反射镜8、第三平面反射镜6以及碟片模块21。
脉宽压缩模块配置为对放大后的种子光进行脉宽压缩，输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光，所述脉宽压缩模块包括：第三偏振分光片15、第三1/2波片22、第一电控横向移动平面反射镜19、第二电控横向移动平面反射镜18、非线性晶体17以及第四平面反射镜16。
其中，所述种子光源输出展宽的ns级s偏振态种子光，所述种子光经由第一平面反射镜13、第一1/2波片12，s偏振态种子光变为p偏振态的种子光，再经过第一偏振分光片11、法拉第旋光器10以及第二1/2波片9进入所述再生放大器光路；种子源是由光纤锁模振荡器产生的ps级脉冲激光，经过光纤展宽器，激光脉宽展宽至ns级，展宽后输出与放大器腔体匹配好的s偏振态种子光，将其注入到由碟片模块构建的再生放大光路中。其中，法拉第旋光器10，利用磁光材料的非互易性质，改变入射激光相位，与第二1/2波片9，能够有效防止光路中由于反射或背向散射产生的后向光对光源产生不良影响。
在一些实施例中，种子光源14可以为光纤激光器，光纤激光器发射出的激光为所需放大的种子光，光纤激光器产生的皮秒光经放大展宽后利用声光调制器进行选频，重频范围在10Hz-100MHz。s偏振态的种子光经过光束变换，使得进入碟片再生放大谐振腔体的光斑与谐振腔腔型特性所匹配。光束变换后的s偏振态的种子光通过45度第一平面反射镜13、第一1/2波片12后变为p偏振态，p偏振态的种子光经过第一偏振分光片11后通过法拉第旋光器10、第二1/2波片9作用仍保持p偏振态，而后经第二偏振分光片7耦合进入碟片再生放大器谐振腔体中。进入碟片再生放大器谐振腔体中的p偏振态的种子光依次通过未加电压的第一普克尔盒2、1/4波片3、45度第二平面反射镜4、凹面反射镜5，经凹面反射镜5反射后原路返回依次通过45度第二平面反射镜4、1/4波片3后变为s偏振态，s偏振态的种子光通过未加电压的第一普克尔盒2后经第二偏振分光片7反射后依次通过球面反射镜8、第三平面反射镜6后到达腔内增益介质碟片模块21，种子光能量得到放大并且由碟片模块21反射后原路返回。在此过程中，s偏振态的种子光两次通过1/4波片3及施加四分之一波电压保持工作状态的第一普克尔盒2，偏振态保持不变，因此由第二偏振分光片7反射后在谐振腔内往返振荡，多次通过碟片模块21获得增益进行能量放大。当种子光能量放大到目标值后，撤销施加在第一普克尔盒2的四分之一波电压，使其保持未工作状态，腔内放大后的s偏振态的种子光两次通过1/4波片3及未施加电的第一普克尔盒2后变为p偏振态，p偏振态的放大光经第二偏振分光片7耦合输出，而后经过第二1/2波片9及法拉第旋光器10后变为s偏振态，经过第一偏振分光片11后反射输出至脉宽压缩模块。
通过控制所述第一普克尔盒2工作状态及工作时间控制所述种子光在谐振腔往返时间，所述种子光能量放大至目标值后从所述第一偏振分光片11输出。其中,第二平面反射镜4是对45度入射的激光全反射，对谐振腔光路进行折叠同时方便光路调节。凹面反射镜5作用是缩小入射激光的发散角，对0度入射的激光全反射。45度的第二偏振分光片7作用是对p偏振态的激光高透，s偏振态的激光高反，入射光与镜片法线夹角为45度。1/4波片3作用是改变种子光相位，将线偏振光转换为圆偏振光，将圆偏振转换为线偏振。第一普克尔盒2作用是加电压时，第一普克尔盒相当于一个1/4波片，即激光通过后的相位变化45度。第二平面反射镜4是对45度入射的激光全反射，对谐振腔光路进行折叠同时方便光路调节。
如图2所示，输入所述脉宽压缩模块内的激光经过所述脉宽压缩模块循环压缩，通过旋转所述第三1/2波片22的角度可以旋转线偏振光的偏振方向，控制所述非线性晶体17色散量控制压缩量，每经过一圈都可以压缩脉宽一次，从而输出脉宽可调谐的脉冲串。在一些实施例中,所述脉冲串的脉宽为ps级脉冲。
在一些实施例中，如图3所示，所述脉宽压缩模块还包括第二普克尔盒20，设置于所述第三偏振分光片15和所述第三1/2波片22之间。输入所述脉宽压缩模块内的激光透过第三偏振分光片15，使光进入脉冲压缩模块，通过调节环形腔内的第二普克尔盒20下降沿电压，脉宽逐渐减小的同时改变偏振态，能够输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光串。在一些实施例中,还包括控制模块，控制模块用于调节所述第二普克尔盒20下降沿电压。如图3所示，激光第一次经过第二普克尔盒20处于关压状态，第三1/2波片22的光轴方向与入射光偏振方向成45°角，则经过第三1/2波片22后偏振改变，随后普克尔盒加压，则光一直在环形腔内压缩，可进一步提高压缩比，通过调节环形腔内的普克尔盒下降沿电压，使电压缓慢下降，脉宽逐渐减小的同时通过改变偏振态，能够输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光，通过普克尔盒可以使功率保持稳定输出，从而得到功率一致的脉宽可调谐脉冲串，比上一种方案压缩程度更高。
在一些实施例中，如图4所示，经过第一电控横向移动平面反射镜19、第二电控横向移动平面反射镜18进行光路折叠，控制模块控制第一电控横向移动平面反射镜19、第二电控横向移动平面反射镜18横向移动来调节环形腔中脉冲压缩路径进而改变脉冲周期大小即改变重复频率大小，通过电控横向移动平面反射镜最终得到高功率脉宽重频可调谐脉冲串。通过在环形腔中引入非线性晶体17，例如偏硼酸钡(BBO)晶体，使得不同光谱成分经历不同的光程，其中长波长成分经历的光程大于短波长成分。所述脉宽压缩模块引入了与展宽器共轭的负色散，从而补偿正啁啾，实现脉冲的有效压缩。
在一些实施例中，整个脉宽压缩模块被内置在一个单片铝外壳中，具有很高的热稳定性和机械稳定性。基于非线性晶体的多通压缩结构将输出脉冲重新压缩到持续时间为ps级脉冲，输出光束具有优良的光束质量和均匀性。
在一些实施例中，所述再生放大器光路还包括泵浦源1，用于输出泵浦光对所述碟片模块21进行泵浦。泵浦源1为激光介质提供能量，以实现粒子数反转，从而产生激光。在一些实施例中,泵浦源1，例如为半导体激光器，输出激光中心波长为 969 nm或940 nm的泵浦光，泵浦源1输出的泵浦光对碟片模块21进行泵浦；其中，为使得碟片再生放大器输出激光具有良好的光束质量，碟片处激光光斑大小需要与泵浦光斑大小满足一定的模式匹配要求，即激光光斑大小应为泵浦光斑大小的0.7-0.8倍，以实现基横模的激光输出。
在一些实施例中，其中，第一普克尔盒2由数字延迟信号发生器产生的电脉冲控制其工作与否，通过控制电脉冲的延时与宽度，与第二偏振分光片7共同控制种子光的输出及在腔内往返次数。碟片激光晶体包括以下至少之一：Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CALGO、Yb:LuScO3、Ho:YAG、Ho:KYW、Tm:YAG、Tm:KYW、Cr:ZnSe 以及 Tm:LLF；碟片激光晶体的直径为5-50mm，例如为Yb:YAG 碟片激光晶体，其厚度为百微米量级，直径为5-50mm，掺杂浓度 0.3-10%，碟片前表面镀有对于泵浦光波长和种子光波长的增透膜，后表面镀有对泵浦光波长和种子光波长的高反膜。
在一些实施例中,所述碟片再生放大器腔体中放大光路的光斑最小直径为2mm-2.1mm。
本发明提出了一种输出脉宽重频可调的新型激光器，并可实现脉冲串激光输出。本发明基于非线性晶体多通压缩方法，搭建一台高功率碟片激光器，其含有非线性晶体与1/2波片或加入普克尔盒的环形腔进行脉宽压缩，最终得到高功率脉宽可调谐脉冲串。
本发明通过在环形腔中引入非线性晶体实现脉冲的有效压缩，高功率激光在环形腔内多通运行可以获得较大的压缩因子，并通过调节环形腔内的普克尔盒或1/2波片，输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光。经过两个电控横向移动平面反射镜，进行光路折叠，通过横向移动来调节环形腔中脉冲压缩路径进而改变脉冲周期大小。本申请操作简单、成本低廉，为实现更高功率和更高能量的脉冲压缩，为超快光学开辟更多方向。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用举例的方式描述，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或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种高功率脉宽重频可调谐激光器，其特征在于,包括：
输入输出光路，配置为输入种子光以及输出放大后的激光，所述输入输出光路包括：种子光源（14）、第一平面反射镜（13）、第一1/2波片（12）、第一偏振分光片（11）、法拉第旋光器（10）以及第二1/2波片（9）；
再生放大器光路，配置为对输入的种子光进行放大，所述再生放大器光路包括：第二偏振分光片（7）、第一普克尔盒（2）、1/4波片（3）、第二平面反射镜（4）、凹面反射镜（5）、球面反射镜（8）、第三平面反射镜（6）以及碟片模块（21）；
脉宽压缩模块，配置为对放大后的种子光进行脉宽压缩，输出脉宽可调谐的高功率脉冲激光，所述脉宽压缩模块包括：第三偏振分光片（15）、第三1/2波片（22）、第一电控横向移动平面反射镜（19）、第二电控横向移动平面反射镜（18）、非线性晶体（17）以及第四平面反射镜（16）；
其中，所述种子光源输出展宽的ns级s偏振态种子光，所述种子光经由第一平面反射镜（13）、第一1/2波片（12），s偏振态种子光变为p偏振态的种子光，再经过第一偏振分光片（11）、法拉第旋光器（10）以及第二1/2波片（9）进入所述再生放大器光路；
进入所述再生放大器光路中的种子光通过第一普克尔盒（2）、1/4波片（3）、第二平面反射镜（4）、凹面反射镜（5），经凹面反射镜（5）反射后原路返回依次通过所述第二平面反射镜（4）、所述1/4波片（3）、所述第一普克尔盒（2）、第二偏振分光片（7）、球面反射镜（8）、第三平面反射镜（6）后到达所述碟片模块（21），经过所述碟片模块（21）放大后沿原路返回在谐振腔内往返进行放大，放大后的种子光从所述第一偏振分光片（11）输出至脉宽压缩模块；
激光在所述脉宽压缩模块内循环压缩，通过旋转所述第三1/2波片（22）的角度可以旋转线偏振光的偏振方向，控制所述非线性晶体（17）色散量控制压缩量，每经过一圈都可以压缩脉宽一次，从而输出脉宽可调谐的脉冲串。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于,所述脉宽压缩模块还包括：第二普克尔盒（20），设置于所述第三偏振分光片（15）和所述第三1/2波片（22）之间。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于,通过调节所述第一电控横向移动平面反射镜（19）和第二电控横向移动平面反射镜（18）来调节所述脉冲串的重复频率。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于,所述再生放大器光路还包括：
泵浦源（1），用于输出泵浦光对所述碟片模块（21）进行泵浦。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于,所述碟片模块包括以下至少之一：Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CALGO、Yb:LuScO3、Ho:YAG、Ho:KYW、Tm:YAG、Tm:KYW、Cr:ZnSe 以及 Tm:LLF。
6.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于,还包括：
控制模块，通过调节所述第二普克尔盒（20）下降沿电压，所述脉冲串的脉宽逐渐减小的同时改变偏振态，从而输出脉宽可调谐的高功率脉冲串。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于,所述脉冲串的脉宽为ps级脉冲。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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