一种侧面泵浦Yb:YAG超短脉冲激光放大器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，包括沿光路依次设置的种子光源、光隔离器、第一聚焦透镜、第一Yb:YAG侧面泵浦模块、法拉第旋光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第二Yb:YAG侧面泵浦模块。综合技术补偿Yb:YAG准三能级系统泵浦阈值高以及侧面泵浦强度低的不足之后，侧面泵浦结构可以利用闪光灯、半导体激光巴条等低亮度光源轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率，利用其高功率弥补亮度不足的缺点。同时侧面泵浦可以使用更大尺寸的Yb:YAG晶体作为增益介质，既为泵浦光提供足够大的泵浦面积，又为信号光提供足够高的增益。的增益。的增益。

【技术实现步骤摘要】
一种侧面泵浦Yb:YAG超短脉冲激光放大器


[0001]本专利技术涉及一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，属于激光放大器


技术介绍

[0002]超短脉冲激光通常是指脉冲宽度在皮秒(10
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12
s)或飞秒(10
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s)量级的脉冲激光，其具有极窄脉冲、极宽光谱、极高峰值功率等特点。得益于超短脉冲激光的“冷加工”特性，目前超短脉冲激光已在科学研究、工业生产、生物医疗、半导体材料加工等领域得到了广泛而深入的应用，且市场对于更高功率、更高能量的超短脉冲激光的需求日益增加。
[0003]锁模激光器是获得超短脉冲激光的一种有效技术手段，然而从锁模谐振腔中直接得到的脉冲激光功率和能量通常比较低，需要采用激光放大器对其放大以满足应用需求。其中，掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)晶体得益于其优异的物理和光学特性而被广泛用作超短脉冲激光放大器的增益介质。从泵浦结构来看，目前Yb:YAG放大器主要以端面泵浦结构为主，如细棒状Yb:YAG放大器、Yb:YAG单晶光纤放大器、Yb:YAG板条放大器以及Yb:YAG薄片放大器。
[0004]端面泵浦结构简单，但信号光在晶体中能够获得的有效增益对泵浦光的亮度较为敏感。Yb:YAG放大器的泵浦光源主要以光纤耦合输出的半导体激光器为主，其中一个显著特征是亮度比较低。以功率150W量级的940nm半导体激光器为例，其输出光纤的纤芯数值孔径为0.15，纤芯直径为105μm，输出激光的光束质量因子M2已接近26，并且这是目前大功率光纤耦合输出半导体激光器的最高亮度。低亮度意味着半导体输出激光的瑞利长度有限，进而导致晶体能够为信号光提供有效增益的长度短。以端面泵浦细棒状Yb:YAG放大器为例，晶体有效长度一般低于50mm。此外，光纤耦合半导体激光器的输出功率有限，目前商用940nm或969nm半导体激光器单模块输出功率通常在1kW以下，这在很大程度上限制了Yb:YAG激光放大器的输出功率。
[0005]相较于端面泵浦，侧面泵浦结构可以利用闪光灯、半导体激光巴条等低亮度光源轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率，利用其高功率弥补亮度不足的缺点。此外，侧面泵浦结构可以使用更大尺寸的晶体作为增益介质，在提供大的泵浦面积同时也为晶体散热提供了充足的空间。
[0006]然而，目前侧面泵浦结构广泛用于Nd:YAG晶体或陶瓷振荡器及放大器中，虽然早期有少量关于Yb:YAG侧面泵浦结构的研究，但仅限于连续激光振荡器。从能级结构上分析，Nd:YAG属于四能级系统，而Yb:YAG属于准三能级系统。相比之下，准三能级系统实现粒子数反转所需的泵浦阈值更高，对泵浦光亮度的要求更高。从泵浦强度上分析，侧面泵浦结构中泵浦光填充在整个晶体当中，因为晶体的尺寸通常比较大，所以单位体积内的泵浦功率密度比较小。相比之下，端面泵浦结构中泵浦光斑通常比较小，泵浦光斑直径通常在200～500μm左右，所以在相同的功率下，两者的泵浦功率密度有接近一个数量级的差别。因此侧面泵浦结构未能在Yb:YAG激光放大器中获得广泛应用。
[0007]因为Nd:YAG和Yb:YAG是两种不同的能级结构机理，所以不能简单地将Nd:YAG四能级系统的侧面泵浦方案应用于Yb:YAG晶体。必须通过技术改进来解决Yb:YAG泵浦阈值高的问题，从而充分利用侧面泵浦功率高的优势，如优化侧面泵浦结构，采用低温制冷技术控制晶体热效应，增加Yb:YAG晶体长度，提高Yb:YAG晶体离子掺杂浓度，改变Yb:YAG晶体离子掺杂分布，如采用径向渐变掺杂技术，即晶体中心位置高掺杂而沿径向掺杂浓度逐渐降低。
[0008]此外，超短脉冲激光放大器不仅要考虑泵浦激光的功率特性，信号光的的增益特性同样重要，如信号光的光谱增益带宽。已知Yb:YAG的光谱增益带宽接近9nm，相比之下Nd:YAG的增益带宽约为0.6nm，因此Yb:YAG激光放大器能支持飞秒脉冲激光输出，而Nd:YAG仅能用于皮秒脉冲激光放大器。此外，Yb:YAG的泵浦吸收带宽(～8nm)达到Nd:YAG晶体(<4nm)的两倍以上，这对于泵浦光的吸收更加有利。
[0009]综合考虑，相较于端面泵浦，侧面泵浦结构可以使用低亮度泵浦光源轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率。同时。通过技术补偿Yb:YAG准三能级系统泵浦阈值高以及侧面泵浦强度低的不足之后，可以进一步充分利用侧面泵浦功率高的优势。因此，侧面泵浦结构为进一步提高Yb:YAG超短脉冲激光放大器的输出功率提供了一种有效技术方案。

技术实现思路

[0010]针对现有技术的不足，并综合考虑侧面泵浦结构的优势以及侧面泵浦Yb:YAG放大器的研究不足，本专利技术提供了一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器。
[0011]该侧面泵浦Yb:YAG激光放大器采用半导体激光巴条作为泵浦光源，可以轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率。在综合技术补偿Yb:YAG准三能级系统泵浦阈值高及侧面泵浦强度低的不足之后，可以进一步充分利用侧面泵浦功率高的优势。此外，相较于端面泵浦结构，该放大器采用更大尺寸的Yb:YAG晶体作为增益介质，既可以为泵浦光提供足够大的泵浦面积，为信号光提供足够高的增益，又为晶体散热提供了充足空间。因此，该放大器为进一步提高以Yb:YAG为增益介质的超短脉冲激光放大器的输出功率提供了一种有效技术方案。
[0012]术语解释：
[0013]1、Yb:YAG：掺镱钇铝石榴石；
[0014]2、YAG：钇铝石榴石；
[0015]本专利技术的技术方案为：
[0016]一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，包括沿光路依次设置的种子光源、光隔离器、第一聚焦透镜、第一Yb:YAG侧面泵浦模块、法拉第旋光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第二Yb:YAG侧面泵浦模块；
[0017]种子光源输出的信号光首先经过光隔离器，然后经过第一聚焦透镜进行光束调整，调整后的信号光进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大，放大后的信号光经过法拉第旋光器调节偏振方向，使其顺时针旋转90度；然后信号光经过第二聚焦透镜和第三聚焦透镜组成的4f成像系统进行光束调整，调整后的信号光进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大；最后，信号光从第二Yb:YAG侧面泵浦模块输出；
[0018]光隔离器只允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护种子光源的目的；法拉第旋光器用于调整信号光的偏振方向，补偿两级Yb:YAG侧面泵浦放大器在高功
率工作时的热退偏效应；第二聚焦透镜和第三聚焦透镜组成4f成像系统，用于对第一Yb:YAG侧面泵浦模块放大输出的信号光进行光束调整，以实现补偿第二Yb:YAG侧面泵浦模块热透镜效应的作用。
[0019]根据本专利技术优选的，所述第一Yb:YAG侧面泵浦模块包括第一Yb:YAG晶体、第一940nm半导体激光巴条、第一冷却水输入口、第一冷却水输出口；所述第一940nm半导体激光巴条以第一Yb:YAG晶体为中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，其特征在于，包括沿光路依次设置的种子光源、光隔离器、第一聚焦透镜、第一Yb:YAG侧面泵浦模块、法拉第旋光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第二Yb:YAG侧面泵浦模块；种子光源输出的信号光首先经过光隔离器，然后经过第一聚焦透镜进行光束调整，调整后的信号光进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大，放大后的信号光经过法拉第旋光器调节偏振方向，使其顺时针旋转90度；然后信号光经过第二聚焦透镜和第三聚焦透镜组成的4f成像系统进行光束调整，调整后的信号光进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大；最后，信号光从第二Yb:YAG侧面泵浦模块输出。2.根据权利要求1所述的一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，其特征在于，所述第一Yb:YAG侧面泵浦模块包括第一Yb:YAG晶体、第一940nm半导体激光巴条、第一冷却水输入口、第一冷却水输出口；所述第一940nm半导体激光巴条以第一Yb:YAG晶体为中心等角度间隔分布，在第一940nm半导体激光巴条和第一Yb:YAG晶体之间为冷却水通道，冷却水从第一冷却水输入口进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块，冷却水与第一Yb:YAG晶体接触之后将其产生的部分热量带走，并从第一冷却水输出口流出，为第一Yb:YAG晶体散热；所述第二Yb:YAG侧面泵浦模块包括第二Yb:YAG晶体、第二940nm半导体激光巴条、第二冷却水输入口、第二冷却水输出口；所述第二940nm半导体激光巴条以第二Yb:YAG晶体为中心等角度间隔分布，在第二940nm半导体激光巴条和第二Yb:YAG晶体之间为冷却水通道，冷却水从第二冷却水输入口进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块，冷却水与第二Yb:YAG晶体接触之后将其产生的部分热量带走，并从第二冷却水输出口流出，为第二Yb:YAG晶体散热。3.根据权利要求1所述的一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，其特征在于，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的直径为4～10mm，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的总长度为80～120mm。4.根据权利要求1所述的一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兆军，王上，赵智刚，丛振华，张行愚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：