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：
本實用新型涉及ー種用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，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，具有精度尚、熱影響區(qū)域極小、加エ邊緣無毛刺等優(yōu)點。為了滿足上述應(yīng)用，一般要求皮秒激光峰值功率達到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)點是，放大器増益高，可以達到IO6-IO9,但是再生放大腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對脈沖時序要求非常嚴格，同時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，缺點是單級放大增益小，一般可以達到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現(xiàn)將O. 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，實現(xiàn)輸出功率25W，放大增益為12500。為了獲得高的増益和高的峰值功率，行波放大器的増益介質(zhì)ー般為板條結(jié)構(gòu)，但是板條結(jié)構(gòu)需要對放大激光進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)カ影響，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)容本實用新型的目的是克服現(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増益雙程行波放大器。本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，特點是包括半導(dǎo)體ニ極管泵浦源、激光晶體和皮秒種子源，半導(dǎo)體ニ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行擴束，擴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)體ニ極管泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過第一透鏡和第ニ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。進ー步地，上述的用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，其中，所述半導(dǎo)體ニ極管泵浦源為150W功率、888. 5nm波段ニ極管端面泵浦，其尾纖纖芯直徑為400微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22。更進一歩地，上述的用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，其中，所述激光晶體為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位于25 50mm。 本實用新型技術(shù)方案突出的實質(zhì)性特點和顯著的進步主要體現(xiàn)在本實用新型采用兩個透鏡對種子源激光先擴束，然后用單個透鏡再聚焦的方式，實現(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；采用單個透鏡及單個平面反射鏡組合方式實現(xiàn)對剩余泵浦光的再次利用，同時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；本實用新型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。
以下結(jié)合附圖
對本實用新型技術(shù)方案作進ー步說明圖I :本實用新型的原理示意圖。
具體實施方式
本實用新型設(shè)計適用于皮秒激光脈沖的高増益雙程行波放大器，其放大增益可以達到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I所示，用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，包括半導(dǎo)體ニ極管泵浦源I、激光晶體5和皮秒種子源13，半導(dǎo)體ニ極管泵浦源I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進行擴束，擴束后的脈沖經(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)體ニ極管泵浦源I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 ニ極管端面泵浦Nd:YV04方式實現(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)點是放大増益高，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増益，同時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，同時由于種子光和泵浦光重合不好，輸出光束質(zhì)量差。本實用新型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増益。采用行波放大方式實現(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)點是，放大器増益高，可以達到IO6-IO9,但是再生放大腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對脈沖時序要求非常嚴格，同時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)點是不需要再生放大腔，結(jié)構(gòu)簡単，穩(wěn)定可靠，且容易獲得較高功率輸出，缺點是單級放大增益小，一般可以達到103-104。采用法拉第旋光器11配合薄膜偏振片12實現(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，從而實現(xiàn)激光雙程放大。采用對皮秒種子源13激光先擴束再聚焦的方式，實現(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現(xiàn)對于剩余泵浦光的再次利用，提高放大器增益，同時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O. 6%的晶體，仍然有近20%的泵浦光未被晶體吸收，采用這ー措施可以實現(xiàn)95%以上的泵浦光被晶體吸收。半導(dǎo)體ニ極管泵浦源I為150W功率、888. 5nm波段ニ極管端面泵浦，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3X3X30mm3，晶體具有1. 5°楔角，晶體摻雜濃度在O. 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)的重疊率，必須設(shè)計調(diào)整好第一透鏡2、第二透鏡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。在抽運光功率150w時，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，放大器輸出功率為5. 14W，此時對應(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，用光束質(zhì)量分析儀測得光束質(zhì)量因子M2〈l. 5，放大器運行8小時的穩(wěn)定度小于3%。從結(jié)果可以看出，本實用新型行波放大器具有放大增益高，光束質(zhì)量好，運行穩(wěn)定等優(yōu)點，可以廣泛用于皮秒激光應(yīng)用領(lǐng)域。綜上所述，本實用新型采用兩個透鏡對種子源激光先擴束，然后用單個透鏡再聚焦的方式，實現(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；采用單個透鏡及單個平面反射鏡組合方式實現(xiàn)對剩余泵浦光的再次利用，同時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；本實用新型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。 需要理解到的是以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，其特征在于包括半導(dǎo)體ニ極管泵浦源、激光晶體和皮秒種子源，半導(dǎo)體ニ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行擴束，擴束后的脈沖經(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)體ニ極管泵浦源發(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I所述的用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，其特征在于所述半導(dǎo)體ニ極管泵浦源為150W功率、888. 5nm波段ニ極管端面泵浦，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I所述的用于皮秒激光脈沖放大的高増益雙程行波放大器，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O. 5% 1%，晶體長度位于.25 50mmo
專利摘要本實用新型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行擴束聚焦，實現(xiàn)種子光泵浦光在晶體內(nèi)的重疊，同時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。
文檔編號H01S3/00GK202405610SQ20112056228
公開日2012年8月29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