一种用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器的制作方法

1.本实用新型属于激光技术领域，涉及一种用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器。


背景技术：

2.相较于微秒、纳秒激光器，高能量皮秒、飞秒激光器以其更高的峰值功率、更窄的脉冲宽度，在材料精细微加工、led划片、太阳能光伏、科学研究等领域得到了广泛的应用。采用皮秒、飞秒激光加工材料，具有更高的加工精度，而且加工边缘热影响区域极小，具有无毛刺无碳化等优点。
3.为了满足上述加工应用的要求，通常加工用激光的峰值功率需要达到mw量级。目前产生mw量级峰值功率皮秒激光的原理是：选用几十mhz锁模种子源激光器，通过声光或电光调制的方法选出khz到百khz种子光脉冲，然后经过放大输出。种子光脉冲放大的方式有两种，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10
6-109倍，但是再生放大腔结构复杂，对脉冲时序要求非常严格，同时需要借助电光腔倒空功能实现放大，放大器制作难度非常大。行波放大技术的优点是，不需要再生放大腔，结构简单、稳定可靠，且容易获得较高功率输出。缺点是单级放大增益小，一般可以达到10
3-104倍。
4.目前，国际上大多数公司都采用再生放大器放大皮秒脉冲，例如 high laser、ekspla、trumpf和coherent等公司，最高输出功率可以达到百khz频率下50w以上。国外也有研究用于皮秒脉冲放大的行波放大器。例如，2006年意大利 antonio agnesi等人，采用两级板条激光器实现将0.1nj单脉冲能量放大到10uj，放大增益为105倍。2009年日本k. nawata等人采用2mw皮秒种子源激光两次通过楔形板条nd:yo4构成的行波放大器，实现输出功率25w，放大增益为12500倍。为了获得高的增益和高的峰值功率，行波放大器的增益介质一般为板条结构，但是板条结构需要对放大激光进行多次整形，造成激光光斑质量变差。采用端面泵浦nd:yvo4晶体的方式可以解决此问题，但是由于nd:yvo4端面受热应力影响，不能承受高的泵浦功率(小于40w)，因而放大增益很小。近年来研究发现，采用880nm\888nm泵浦光代替808nm泵浦光可以有效的降低晶体热效应40%以上，因此晶体端面可以承受更高的泵浦功率(大于150w)。
5.为了充分利用高功率泵浦模块带来的增益，多采用多程放大的设计，但是目前所知的设计大多将放大光路设计在一个平面内。这种设计不能充分利用增益晶体的激活空间区域，降低了增益，带来了热量积累。


技术实现要素：

6.为了充分利用增益晶体的激活空间区域，本实用新型提供一种用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器，旨在将放大光束在增益晶体的激活空间区域内进行三维传输，以提升增益，降低热效应。
7.为实现上述目的，本实用新型使用以下技术方案。
8.一种用于超快激光放大的空间立体多程放大器，沿泵浦光行进方向依次包括半导体二极管泵浦源（1）、第一透镜（2）、第二透镜（3）、第一反射镜（4）、激光晶体（5）、第三透镜（6），沿种子光行进方向依次包括种子源（12）、扩束镜（21）、第二反射镜（10），第二反射镜（10）衔接第三透镜（6）；在第二反射镜（10）和第三透镜（6）之间设置有n个变换入射面棱镜，n大于或等于1；
9.种子光经过扩束镜（21）扩束后，由第一入射面入射至第三透镜（6）进入到激光晶体（5），然后由第一反射镜（4）反射回激光晶体（5），经过第三透镜（6）后，完成第一次离轴放大；然后光束通过第一变换入射面棱镜（7）从第二入射面进入第三透镜（6），再进入激光晶体（5），经第一反射镜（4）后反射回激光晶体（5），再通过第三透镜，完成第二次离轴放大；完成第二次离轴放大的光束从第三透镜输出或入射到第二变换面入射棱镜，与上述第一、二次离轴放大过程类似，完成第三次离轴放大过程，直至光束入射到最后一个变换面入射棱镜n后，从第（n 1）入射面进入第三透镜，再进入激光晶体，经第一反射镜（4）后反射回激光晶体（5），再通过第三透镜输出，完成第（n 1）次离轴放大过程；
10.当第二反射镜和第三透镜之间设置有n个变换入射面棱镜，种子光共完成（2*（n 1））次通过激光晶体，完成（n 1）次离轴放大过程。
11.优选地，所述扩束镜（21）和第二反射镜（10）之间设置隔离器（11）。
12.优选地，所述变换入射面棱镜可以是直角棱镜、角锥棱镜或由平面反射镜组成的平行返回光系统。
13.优选地，所述第一反射镜（4）和激光晶体（5）紧贴或相隔一定距离。
14.优选地，所述半导体二极管泵浦源通过光纤耦合输出。
15.优选地，所述激光晶体（5）为nd:yvo4晶体。
16.优选地，所述半导体激光二极管泵浦源对nd:yvo4激光晶体通过端面泵浦方式进行放大。
17.优选地，种子源（12）出射激光的偏振方向和放大器晶体（5）的π偏振方向一致。
18.本实用新型提供的适用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器，其放大增益可以达到1000倍。可将激光脉冲峰值功率由kw量级放大到mw量级，输出放大激光脉冲稳定，光束质量优异，结构稳定可靠。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型提供的一种用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器结构图。
21.图中，1.半导体二极管泵浦源，2.第一透镜，3.第二透镜，4.第一反射镜，5.激光晶体，6.第三透镜，7.第一变换入射面棱镜，8.第二变换入射面棱镜，9.第三变换入射面棱镜，10.第二反射镜，11.隔离器，12.激光种子源，21.扩束镜。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
23.图1是本实用新型实施例中用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器结构图。如图1所示，半导体二极管泵浦源（1）衔接第一透镜（2），第一透镜（2）衔接第二透镜（3），第二透镜（3）衔接第一反射镜（4），第一反射镜（4）衔接激光晶体（5），激光晶体（5）衔接第三透镜（6），所述激光种子源（12）衔接扩束镜（21），扩束镜（21）衔接隔离器（11），隔离器（11）衔接第二反射镜（10），第二反射镜（10）衔接第三透镜（6）。种子光通过第三透镜（6）进入到激光晶体后由第一反射镜（4）反射回激光晶体（5），经过第三透镜（6）后，通过第一变换入射面棱镜（7）从另一个入射面进入第三透镜（6），再进入激光晶体（5），经第一反射镜（4）后反射回激光晶体（5），再通过第三透镜（6），入射到第二变换入射面棱镜（8）从另一个入射面入射通过第三透镜（6），再次进入激光晶体（5）后被第一反射镜（4）反射回激光晶体（5），再通过第三透镜（6）进入到第三变换入射面棱镜（9），被第三变换入射面棱镜（9）反射回第三透镜（6）后，进入激光晶体（5）并被第一反射镜（4）反射回激光晶体（5），然后通过第三透镜（6）输出。
24.在上述放大过程中，种子光共八次通过激光晶体，另外实际应用中，视器件尺寸等具体情况，可以通过设置不同个数的变换入射面棱镜，相应增加或者减少种子光通过激光晶体的次数。
25.本实施例中，对种子源激光先扩束，经过平面反射镜以平行于透镜光轴且离轴的方式进入透镜，经透镜、激光晶体、反射镜再到激光晶体、透镜完成一次离轴放大；经变换入射面棱镜后，光被转移到下一个入射面，再次进行不同入射面的离轴放大。本实施例中采用种子光从不同的入射面进入晶体进行放大的方式，实现了种子激光和泵浦光的最大限度重叠，提高放大器的提取效率。泵浦光经过聚焦后进入激光晶体然后发散，而种子源输出激光发散角很小，如果种子光从晶体光轴直接进入晶体放大，由于重叠率低，无法获得高的提取效率。将种子光从不同的入射面进入晶体，在晶体内形成锥形的区域，恰好与泵浦光的发散的锥形区域吻合，提升了交叠率，即提升了能量提取效率，实现对激光晶体内储存能量的充分利用；另外，由于优化光路空间几何对称性，可以优化提升放大激光光束质量。
26.在本实施例中，用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器，可采用光纤耦合输出的半导体激光二极管作为泵浦源，对nd:yvo4激光晶体棒进行端面泵浦方式进行放大。用于超快激光脉冲放大的技术有板条放大、光纤放大、侧面泵浦激光晶体放大等形式。板条放大的形式比较容易获得较高的增益，同时可以承受较高的峰值功率，但是需要对激光脉冲做多次整形，且种子光与泵浦光重叠率较低；光纤放大的优势是放大增益高，放大后光束质量优异，但是不能承受很高的峰值功率。侧面泵浦方式获得的增益有限，同时由于泵浦光和种子光的交叠率较低，输出的光束质量不佳。本实施例中放大器采用光纤耦合输出的半导体激光二极管对nd:yvo4激光晶体棒进行端面泵浦方式，可以实现种子光形成的放大区域和泵浦光区域的严格优化，有利于将泵浦光和信号光的重叠率优化到最佳，提升提取效率的同时，优化光束质量。同时泵浦光的波长和晶体的发射波长相近，进一步减小了激光放
大的量子亏损，减小热效应的同时，使得放大器的增益得到了极大的提高。
27.为了增大放大器的提取效率，种子源的偏振方向和放大器激光晶体nd:yvo4的π偏振方向保持一致。
28.在本实施例中，变换入射面棱镜可以是直角棱镜、角锥棱镜、或是由平面反射镜组成的平行返回光系统等。
29.第一反射镜可以和激光晶体紧贴或者和所述的激光晶体相隔一定的距离。
30.本实施例中，可选用半导体二极管泵浦源为光纤耦合输出形式，其输出功率为60w，输出波长为880nm，其尾纤为2m长，纤芯直径为250μm，na值为0.22。激光晶体为nd:yvo4晶体，晶体尺寸为：4
×4×
30mm，晶体具有1
°
楔角，掺杂浓度为0.2-0.5%，激光晶体通过循环水进行冷却控温。
31.在构建用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器装置之后，对其放大效率进行实验。在抽运光功率60w时，分别以不同频率的种子光进入放大器进行放大：在脉冲重复频率为100khz时，种子源激光光功率为5mw，经过搭建的放大器放大后，输出激光功率为5.6w，实现了对激光脉冲的增益大于1000倍。在脉冲重复频率为1000khz时，种子源激光光功率为40mw，经过搭建的放大器放大后，输出激光功率为11w，增益出现饱和现象。在输出激光功率为5.6w时，用光束质量分析仪测试光束质量因子m2＜1.3，放大器连续运行8小时后，通过记录数据采样数据，计算得到激光rms脉冲稳定性＜2%，输出平均功率稳定性＜1%。由此可见，本实用新型中用于超快脉冲激光放大的空间立体多程放大器具有增益高，光束质量优异，稳定性好的特性，广泛适用于超快激光脉冲放大领域。
32.综上所述，本实用新型中提出的放大器，通过将超快脉冲激光种子光在激光晶体内以不同的入射面多次反射通过，实现了种子光在激光晶体内形成的立体空间和泵浦光的对称的最大化交叠，在保证高增益的同时，提高了放大器的提取效率；且放大器的增益高，输出光斑光束质量优异，放大激光脉冲稳定性好。
33.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。