输出频率可调的高功率皮秒激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括信号光源、放大器、光束整形模块；放大器包括沿着光路依次排布的光纤放大器和板条放大器；光束整形模块包括光束整形注入模块和光束整形输出模块，光束整形注入模块设置在光纤放大器和板条放大器光路之间，将光纤放大器输出的激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束输出到板条放大器；光束整形输出模块设置在板条放大器的输出光路上，将板条放大器输出的激光在竖直和水平方向进行准直后输出。本发明专利技术通过光纤放大器以及板条放大器两种方式的配合使用，将低功率的脉冲激光放大为频率可调的高功率皮秒脉冲激光，不仅减少放大级数，使结构更简单，同时又能获得满意的放大增益效果。

【技术实现步骤摘要】
输出频率可调的高功率皮秒激光器
本专利技术属于激光器
，尤其涉及一种输出频率可调的高功率皮秒激光器。
技术介绍
高功率的皮秒脉冲具有脉冲宽度窄、峰值功率高、单色性好、与材料作用时间大于热效应扩散时间等优点，在微纳加工、医疗处理、精密测距和国防等领域应用广泛，是激光器领域的前沿研究方向之一，尤其在非线性光学频率转换等应用场合，高功率激光脉冲能获得更高的转换效率。通过产生电学上小于1ns的电脉冲，驱动快速响应的半导体激光器产生皮秒脉冲，其脉冲宽度一般在百皮秒量级，且重复频率可以根据需要，可以实现从1Hz至数MHz的调节，但是其输出功率仅数百微瓦，且由于半导体激光器工作在非稳态模式，其输出激光纵模较多，发射光谱宽。为获得高功率的皮秒脉冲，常采激光脉冲放大的方法，目前激光脉冲放大的方式有两种，即再生放大及行波放大。再生放大技术优点是，放大器增益高，可以达到106～109，但是再生放大腔结构复杂，对脉冲时序要求非常严格，同时需要加入是电光腔倒空功能，制作难度非常大。行波放大技术的优点是，结构简单，易于实现，但是由于激光随着不断放大，其光功率密度逐渐增大，很容易达到放大增益介质的破坏阈值，所在行波放大器的增益有限，一般为104左右。综上所述，采用短脉冲驱动半导体激光器的方式，虽然可以获得短脉冲激光，但是激光光谱较宽，再放大时，会因色散而使得脉冲宽度展宽。再生放大技术因其结构复杂，难易实现稳定的激光输出，行波放大技术，虽然结构简单，但其可以获得的光增益有限。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术旨在提供一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，可将激光器的峰值功率由几kW放大到MW量级。技术方案：一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括：信号光源，用于提供激光器的激光信号；放大器，用于实现对皮秒脉冲激光能量或功率的放大；还包括光束整形模块，用于改变激光光束的形状；放大器包括沿着光路依次排布的光纤放大器和板条放大器；光束整形模块包括光束整形注入模块和光束整形输出模块，光束整形注入模块设置在光纤放大器和板条放大器之间的光路上，将光纤放大器输出的激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束输出到板条放大器；光束整形输出模块设置在板条放大器的输出光路上，将板条放大器输出的激光在垂直和水平方向进行准直后输出。所述光束整形注入模块和光束整形输出模块均由多个柱面镜组成，所述柱面镜上镀有1064nm的增透膜。所述信号光源包括驱动电路、半导体激光器、种子光源和光环形器，所述驱动电路与半导体激光器连接，种子光源与光环形器的端口Ⅰ连接，光环形器的端口Ⅱ与半导体激光器连接，光环形器的端口Ⅲ为信号光源的输出端。种子光源由光环形器的端口Ⅰ输入窄线宽种子光，窄线宽种子光几乎毫无损失地由端口Ⅱ输出到半导体激光器，种子光源通过光环形器实现将输出的窄线宽种子光注入到半导体激光器，然后半导体激光器经由端口Ⅱ输入与种子光线宽一致的光，端口Ⅱ输入的光几乎毫无损失地由端口Ⅲ输出。采用窄线宽种子光源注入锁定方法，有效的压窄了输出激光线宽，不需要加入窄带宽滤波器件，结构简单。所述光源还包括温控模块，用于使所述半导体激光器的工作温度稳定在指定值，所述温控模块与半导体激光器连接。所述温控模块由制冷片和温控电路组成，所述制冷片为半导体制冷片（TEC），其温度波动小于0.1℃。让半导体激光器工作在最佳温度，保证半导体激光器的输出光中心波长不会因为环境温度的改变而发生漂移。所述驱动电路为超短脉冲驱动电路，提供最短脉冲宽度小于1ns的脉冲信号，脉冲频率可以从0～1MHz可调。所述种子光源为单模半导体连续激光器，提供1064nm窄线宽激光。所述光纤放大器包括前端光隔离器、光纤放大泵浦源、光合束器、增益光纤和后端光隔离器，所述前端光隔离器和后端光隔离器作为光纤放大器的输入端与输出端，分别设置在光纤放大器光路的两端；所述光合束器、增益光纤依次设置在前端光隔离器和后端光隔离器之间的光路上，光纤放大泵浦源与光合束器输入端连接。所述板条放大器包括板条晶体、放大泵浦源、腔镜；放大泵浦源设置在板条晶体上下端，腔镜包括相互平行的第一腔镜和第二腔镜，第一腔镜、第二腔镜分别设置在板条晶体两侧通光面的前端，且第一腔镜的反射面、第二腔镜的反射面与板条晶体的通光面之间具有一夹角，从板条晶体一侧通光面入射的激光，经由腔镜的多次反射形成多程折叠光路，最后从板条晶体另一侧通光面输出。二次放大中，光束在腔内多次往返，可以实现更高增益的放大。所述板条晶体为板条Nd:YAG晶体，所述板条Nd:YAG晶体为扁长的长方体薄片晶体，在供激光传输的两个通光面上镀有1064的高透膜，上下两个端面镀有980nm的高透膜。所述放大泵浦源为单模或多模放大泵浦源，由半导体激光器阵列组成。所述第一腔镜的反射面、第二腔镜的反射面与板条晶体的通光面之间夹角的角度为5°～45°。所述腔镜为平面镜，所述平面镜的反射面镀有1064高反射膜。在放大过程中，光束在腔内多次往返，可以实现更高增益的放大。工作原理：驱动电路驱动半导体激光器产生皮秒量级的激光信号，种子光源通过光环行器将输出的窄线宽种子光注入到半导体激光器，使半导体激光器的输出光与种子光线宽一致，与种子光线宽一致的激光经光环形器输出，通过前端光隔离器，进入光合束器，光合束器将光纤放大泵浦源的泵浦光和半导体激光器的输出光耦合进入增益光纤进行初级放大，放大后的激光再经后端光隔离器，进入光束整形注入模块，光束整形注入模块将激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束后，向板条晶体的一侧通光面输入，并在板条晶体和腔镜内来回反射并放大，最后由板条晶体的另一侧通光面输出，经过二次放大的激光，再经光束整形输出模块整形成准直光束输出，最终获得频率可以调节的高功率皮秒脉冲，实现将激光器的峰值功率由几kW放大到MW量级。有益效果：本专利技术采用二级放大结构，通过光纤放大器以及板条放大器两种放大方式的配合使用，将低功率的脉冲激光放大为频率可调的高功率皮秒脉冲激光，不仅减少放大级数，使结构更简单，同时又能获得满意的放大增益效果。同时根据两种放大器对激光形状的要求，在二级放大结构中间用光束整形模块衔接，在二级放大中，光束整形为上下宽且发散，前后窄且平行发散光束，在晶体内部传输时，光功率密度的增速低于光功率的增速，可以有效的保护晶体。并采用窄线宽种子光源注入锁定方法，有效的压窄了输出激光线宽，不需要加入窄带宽滤波器件，能最大程度地利用激光能量，避免加入窄带滤波后输出功率的大幅降低，减少了放大级数。在二级放大中，光束在腔内多次往返，可以实现更高增益的放大。同时本专利技术采用超短脉冲驱动电路，驱动半导体激光器产生皮秒脉冲的方式，重复频率调节范围宽，可以满足多种应用。附图说明图1为本专利技术的原理示意图；图2为本专利技术的结构示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括信号光源17、光纤放大器18、光束整形注入模块11、板条放大器19、光束整形输出模块15，信号光源1输出的脉冲激光经过光纤放大器18的初次放大后，进入光束整形注入模块11整形为板条放大器19所需的垂直方向发散、水平方向准直的光束后，入射到板条放大器19中进行二次放大，经过二次放大的激光再由光束整形输出模块15将光束在竖直和水平方向进行准直后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括：信号光源（17），用于提供激光器的激光信号；放大器，用于实现对皮秒脉冲激光能量或功率的放大；其特征在于，还包括光束整形模块，用于改变激光光束的形状；放大器包括沿着光路依次排布的光纤放大器（18）和板条放大器（19）；光束整形模块包括光束整形注入模块（11）和光束整形输出模块（15），光束整形注入模块（11）设置在光纤放大器（18）和板条放大器（19）之间的光路上，将光纤放大器（18）的激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束传输到板条放大器（19）；光束整形输出模块（15）设置在板条放大器（19）的输出光路上，将板条放大器（19）输出的激光在垂直和水平方向进行准直后输出。

【技术特征摘要】
1.一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括：信号光源(17)，用于提供激光器的激光信号；放大器，用于实现对皮秒脉冲激光能量或功率的放大；其特征在于，还包括光束整形模块，用于改变激光光束的形状；放大器包括沿着光路依次排布的光纤放大器(18)和板条放大器(19)；光束整形模块包括光束整形注入模块(11)和光束整形输出模块(15)，光束整形注入模块(11)设置在光纤放大器(18)和板条放大器(19)之间的光路上，将光纤放大器(18)的激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束传输到板条放大器(19)；光束整形输出模块(15)设置在板条放大器(19)的输出光路上，将板条放大器(19)输出的激光在垂直和水平方向进行准直后输出；所述信号光源(17)包括驱动电路(1)、半导体激光器(2)、种子光源(3)和光环形器(5)，所述驱动电路(1)与半导体激光器(2)连接，种子光源(3)与光环形器(5)的端口Ⅰ(51)连接，光环形器(5)的端口Ⅱ(52)与半导体激光器(2)连接，光环形器(5)的端口Ⅲ(53)为信号光源(17)的输出端。2.根据权利要求1所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述光纤放大器(18)包括前端光隔离器(6)、光纤放大泵浦源(7)、光合束器(8)、增益光纤(9)和后端光隔离器(10)，所述前端光隔离器(6)和后端光隔离器(10)作为光纤放大器(18)的输入端与输出端，分别设置在光纤放大器(18)光路的两端；所述光合束器(8)、增益光纤(9)依次设置在前端光隔离器(6)和后端光隔离器(10)之间的光路上，光纤放大泵浦源(7)与光合束器(8)输入端连接。3.根据权利要求1所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述板条放大器(19)包括板条晶体(12)、放大泵浦源(14)、腔镜；放大泵浦源(14)设置在板条晶体(12)上下端，腔镜包括相互平行的第一腔镜(13)和第二腔镜(16)，第一腔镜(13)、第二腔镜(16)分别设置在板条晶体(12)两侧通光面的前端，且第一腔镜(13)的反射面、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炜，周军，王国峰，卢栋，邓晨，宋维尔，
申请(专利权)人：南京先进激光技术研究院，
类型：发明
国别省市：