基于混合腔的板条再生放大器及放大方法技术

技术编号：43276170 阅读：0 留言：0更新日期：2024-11-12 16:01

一种基于楔形结构的超快脉冲混合腔板条再生放大器，包括飞秒种子激光，展宽单元、整形单元、激光隔离单元，脉冲选择单元，楔形板条再生放大单元、压缩单元；所述整形单元用于对种子在x、y方向上整形，使种子在混合腔内实现往返振荡；所述楔形板条再生放大单元由梯形板条晶体及两平面反射镜构成，该结构可使种子激光在板条晶体内部实现高密度的折叠排布，同时实现自折返；所述脉冲选择单元用于对种子进行选频，同时将选出的单个脉冲限制在楔形板条再生放大单元内，实现种子的再生放大。相较于传统的稳腔再生放大器，本发明专利技术的混合腔板条再生放大器可提供更大的基模体积及良好的散热性能，更有利于实现高功率、高光束质量的超快脉冲激光输出。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于全固态激光，特别涉及一种基于混合腔的板条再生放大器及放大方法。

技术介绍

1、2022年中国科学院长春光学精密机械与物理研究所授权了一项与薄片再生放大器相关的专利，专利号为cn115347449b。该专利技术专利中主要包含一个薄片晶体、第一凹面反射镜以及第二凹面反射镜，其特征在于放大器内特殊的光路设计，使种子激光在放大器内单次往返通过薄片晶体的次数显著多于传统的种子激光在放大器内单次往返通过晶体的次数，进而使得中小信号增益倍数显著提高。

2、然而该专利之所以追求更多的放大次数，是因为运转在稳腔状态下的薄片再生放大器，很难在薄片晶体上实现几毫米的大本征模式，这导致单次增益很低需要提高通过晶体的次数达到提高增益的目的。若要在薄片晶体上直接实现几毫米的本征模式，再生腔的整个光路长需要拉长至十几米，这将导致整个系统非常复杂。

3、众所周知，在一个紧凑的方案中，一个非稳腔可以提供比一个稳定腔更大的基模体积，进而实现更高的激光功率。然而再生放大器的一个重要的设计原则是，种子激光的模式要与稳定的再生腔本征模式匹配，这样使种子在腔内进行多次往返振荡时，种子的光斑大小可以保持不变，直到脉冲能量达到最大值。对于再生放大器，有效的输出来自稳腔内不断传播放大的激光，因此任何从腔内走离泄露的光束都会降低输出的效率，所以人们从很少考虑利用非稳腔实现再生放大，因为它存在不可避免的走离损失。综上所述如何在一个再生放大器内实现更大的基模体积仍是现有技术需要解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述的技术问题，本专利技术提出了一种基于楔形结构的混合腔板条再生放大器。相较于上述专利中的稳腔再生放大器，本专利技术采用的混合腔可提供更大的本征模式，进而可提供更大的增益体积，达到提高再生放大器输出功率的目的。此外，相较于上述专利本方案采用的楔形放大器结构，可在更紧凑、简单的结构下实现高密度的光路排布，显著提高单次穿过板条晶体的次数，获得充足的增益体积覆盖，既简化了结构又显著提高了单次增益。综上所述本专利技术可解决薄片再生放大器基模体积小、单程增益低、结构复杂的技术问题。

2、为了解决上述问题，本专利技术的技术解决方案如下：

3、一种基于混合腔的板条再生放大器，其特点在于，包括飞秒激光种子源，该飞秒激光种子源输出飞秒种子激光依次经展宽单元、整形单元，激光隔离单元和脉冲选择单元，入射至楔形板条再生放大单元；

4、所述展宽单元，包括两个相互平行的透射光栅，其中一个透射光栅固定在位移平台上，以实现位置可调，用于引入定量的色散将飞秒种子激光在时域上展宽至皮秒；

5、所述整形单元，用于对飞秒种子激光在水平和竖直方向的整形，使种子激光在水平和竖直方向均可实现往返振荡；

6、所述激光隔离单元，用于对飞秒种子激光的偏振方向进行90°旋转，实现种子激光的注入和输出；

7、所述脉冲选择单元，用于对飞秒种子激光进行降频，并将选出的单个脉冲限制在所述楔形板条再生放大单元内，实现往返振荡的再生放大；

8、所述楔形板条再生放大单元，包括板条晶体、双色反射镜模块和泵浦模块，所述板条晶体呈梯形板条状，置于所述双色反射镜模块内部；所述双色反射镜模块包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜之间具有2β的夹角，且分别以-β和+β的角度对称放置于所述板条晶体的左右两侧，两平面反射镜与述板条晶体的左右入光端面间形成两个楔形夹角，共同构成楔形的再生放大器结构；

9、所述压缩单元，用于将能量放大后的啁啾脉冲压缩回与种子脉冲相同的脉宽，采用与展宽单元色散量相当、符号相反的负色散系统。

10、进一步，所述楔形板条再生放大单元，包括板条晶体、双色反射镜模块、泵浦模块；所述楔形板条再生放大单元的特征在于，其运转在混合腔模式下，相较于现有技术的稳腔，本专利技术的混合腔可显著增大的基模体积提供更大的增益体积，有利于实现更高输出功率的超快脉冲激光；

11、进一步，所述板条晶体，其呈梯形板条状，置于所述双色反射镜模块内部，板条晶体的上下大面均为相同γ底角的等腰梯形，使得左右入光端面互不平行，有效抑制ase与自激振荡。此外除左右入光端面(宽×高面)镀有针对种子及泵浦光的增透膜外，上下大面(长×宽面)及侧面(长×高面)均做打毛处理，以消除板条晶体相互平行表面间的镜面反射，进一步抑制ase与自激振荡；

12、进一步，所述双色反射镜模块包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜之间具有2β的夹角，且分别以-β和+β的角度对称放置于所述板条晶体的左右两侧，两平面反射镜与述板条晶体的左右入光端面间形成两个楔形夹角，共同构成楔形的板条再生放大单元；

13、进一步，所述激光整形单元包括水平柱透镜及竖直柱透镜，用于将种子激光在水平非稳腔方向(x方向)上整形为发散角较小的准直光束，以实现光斑在x方向上经过长距离传输后大小变化不大，保证种子激光在非稳腔方向上的往返振荡。而在竖直稳腔方向(y方向)上利用板条晶体的热透镜效应实现光斑的模式自再现，y方向上整形后的光斑束腰位于脉冲选择单元中的平面反射镜处，且大小与板条放大器y方向的基模大小一致，以实现良好的模式匹配的同时实现y方向上的模式自再现。

14、进一步，所述种子激光注入所述板条晶体时，要从梯形板条晶体较窄的上底边入射，且入射角度θ控制在12-14°之间，配合相同γ底角的梯形板条晶体，种子激光将在所述第一平面反射镜和第二平面反射镜之间多次折叠，每次折叠反射时其相对于板条晶体的入射角会以θi+1＝θi-2[n-(90-γ+β)]的速度逐渐减小，逐渐在板条晶体内形成高密度的折叠排布，这极大提高了泵浦光与信号之间的交叠效率，显著提高了种子对泵浦能量的单程提取效率，因此可解决上述专利中单程增益低的问题。此外，当种子入射角首次减小至负值时种子激光将在放大器内部实现向后折返，继续沿原路径反向传播，结合所述脉冲选择单元便可实现种子激光的混合腔板条再生放大，相较于上述专利复杂的多镜折叠腔，本方案极大简化了放大器结构，使其运行更加稳定。

15、与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：

16、相较与上述专利中的稳腔薄片再生放大器，本专利技术中的板条再生放大器运转在混合腔模式下，可显著增大基模体积提供更大的增益体积，进而达到提高放大器输出功率的目的。此外，本专利技术采用特殊的楔形放大器结构，该结构可实现种子激光在放大器内部高密度的折叠排布，显著提高激光与泵浦光之间的交叠效率，同时提高单次通过增益介质的次数，实现提高放大器单程增益的目的。在本专利技术实施例中往返的总折叠次数高到16次，如图3(a)所示。与此同时楔形的放大器结构还可使种子在放大器内部实现光路的原路折返，在本实施例中在第8次反射时种子实现了原路折返，如图3(a)所示。相较于上述专利本专利技术减少了反射镜的使用个数，极大简化了放大器结构，使激光器可在更稳定的状态下运行。

17、综上本专利技术将种子激光整形、楔形混合腔板本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，包括飞秒激光种子源，该飞秒激光种子源输出飞秒种子激光依次经展宽单元、整形单元，激光隔离单元和脉冲选择单元，入射至楔形板条再生放大单元进行放大后，输入至压缩单元；

2.如权利要求1所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述激光整形单元包括水平柱透镜及竖直柱透镜，用于将种子激光在水平非稳腔方向(x方向)上整形为发散角较小的准直光束，以实现光斑在x方向上经过长距离传输后大小变化不大，保证种子激光在非稳腔方向上的往返振荡；在竖直稳腔方向(y方向)上利用板条晶体的热透镜效应实现光斑的模式自再现，y方向上整形后的光斑束腰位于脉冲选择单元中的平面反射镜处，且大小与板条放大器y方向的基模大小一致，以实现良好的模式匹配的同时实现y方向上的模式自再现。

3.如权利要求1所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述板条晶体的上下大面均为相同γ底角的等腰梯形，使得左右入光端面互不平行，有效抑制ASE与自激振荡；左右入光端面(宽×高面)镀有针对种子及泵浦光的增透膜，上下大面(长×宽面)及侧面(长×高面)均做打毛处理，以消

4.如权利要求3所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述种子激光注入所述板条晶体时，从梯形板条晶体较窄的上底边入射，且入射角度θ控制在12-14°之间，配合相同γ底角的梯形板条晶体，种子激光将在所述第一平面反射镜和第二平面反射镜之间多次折叠，每次折叠反射时其相对于板条晶体的入射角会以θi+1＝θi-2[n-(90-γ+β)]的速度逐渐减小，逐渐形成高密度的折叠排布，直到入射角首次减小至负值时种子激光将在放大器内部实现向后折返，继续沿原路径反向传播，实现一次完整的往返振荡。

5.如权利要求1所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜均镀有对种子激光的高反射膜及对泵浦光的增透膜，且以-β1和+β1的角度对称置于距离所述板条晶体左右两侧5-15mm处，单侧反射镜的β角度范围在0.5-2.5°之间，根据晶体热透镜的大小调节反射镜的距离，实现放大器基模与种子激光模式间的匹配，调节角度可灵活多变的控制放大器内光束的排布方式及折叠次数。

6.如权利要求1所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述泵浦模块，平行放置于第二平面反射镜的外侧，泵浦光经过泵浦模块整形聚焦，并透过第二平面反射镜后在晶体右侧入光端面上形成均匀的矩形泵浦区域。

7.如权利要求1所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述展宽单元、压缩单元均包括两个相互平行的透射或反射光栅，且其中一个光栅固定在位移平台上以实现位置可调。

8.如权利要求1所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述板条晶体材料为Yb:YAG、Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:GdVO4或Tm:YLF。

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【技术特征摘要】

3.如权利要求1所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述板条晶体的上下大面均为相同γ底角的等腰梯形，使得左右入光端面互不平行，有效抑制ase与自激振荡；左右入光端面(宽×高面)镀有针对种子及泵浦光的增透膜，上下大面(长×宽面)及侧面(长×高面)均做打毛处理，以消除板条晶体相互平行表面间的镜面反射，进一步抑制ase与自激振荡。

4.如权利要求3所述的基于混合腔的板条再生放大器，其特征在于，所述种子激光注入所述板条晶体时，从梯形板条晶体较窄的上底边入射，且入射角度θ控制在12-14°之间，配合相同γ底角的梯形板条晶体，种...

【专利技术属性】
技术研发人员：马超，王明建，刘继桥，侯霞，陈卫标，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：

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