專利名稱：一種超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光放大技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超短脈沖激光一般是指時(shí)間寬度小于10_12秒的激光脈沖，其廣泛應(yīng)用在強(qiáng)場(chǎng)物理、超快成像、超精密加工和超快光通信等領(lǐng)域。為了獲取更高能量的超短脈沖激光，需要對(duì)超短脈沖激光進(jìn)行放大，啁啾脈沖放大技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光放大的有效方法。公知地，在啁啾脈沖放大過(guò)程中，由于增益介質(zhì)在對(duì)激光脈沖進(jìn)行放大時(shí)，激光脈沖中心頻率附近相較于其它頻率區(qū)域具有更高的增益，且從中心頻率到兩端的增益逐漸減小，當(dāng)被放大的激光脈沖的帶寬與增益介質(zhì)本身的帶寬相當(dāng)時(shí)，其兩端頻率區(qū)域所獲得的增益比中心頻率區(qū)域的增益小得多，從而出現(xiàn)增益窄化效應(yīng)。增益窄化效應(yīng)使得放大后輸出脈沖的光譜帶寬變窄，且增益越大，光譜帶寬的窄化越嚴(yán)重，相應(yīng)地脈沖時(shí)間展寬就越厲害。于是，如何增加超短脈沖激光的放大線寬成為超短脈沖激光技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)有技術(shù)提供的一種補(bǔ)償光譜窄化效應(yīng)的措施是利用可編程聲光色散濾波器或液晶空間光調(diào)制器激光光譜的振幅和相位進(jìn)行調(diào)制，但可編程聲光色散濾波器或液晶空間光調(diào)制器的價(jià)格昂貴，增加了超短脈沖激光的放大成本；現(xiàn)有技術(shù)提供的另一種補(bǔ)償光譜窄化效應(yīng)的措施是在再生放大腔中插入法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，但其插入損耗比較大。在本背景技術(shù)本部分所公開(kāi)的上述信息僅僅用于增加對(duì)本發(fā)明背景技術(shù)的理解，因此其可能包括不構(gòu)成對(duì)該國(guó)的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，旨在解決超短脈沖放大過(guò)程中的光譜窄化的問(wèn)題。所述系統(tǒng)包括一塊激光增益介質(zhì)、三只旋光器、兩套180度的反射鏡組，二只用于光束準(zhǔn)直/聚焦的光學(xué)透鏡或凹面反射鏡、一只半波片以及一些反射鏡等。本發(fā)明提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)是利用一塊具有偏振相關(guān)增益特性的增益介質(zhì)對(duì)待放大超短脈沖激光進(jìn)行多次放大。在放大過(guò)程中，利用旋光介質(zhì)的旋光色散效應(yīng)使得各光譜分量的線偏振方向各不相同，因此每次放大具有最大激光增益的偏振方向所對(duì)應(yīng)的光譜分量也各不一樣，從而達(dá)到增加放大線寬的目的。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易調(diào)整、使用方便、成本低，且插入損耗小。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖3是圖2中光束隔離器的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)是利用一塊具有偏振相關(guān)增益特性的增益介質(zhì)對(duì)待放大超短脈沖激光進(jìn)行多次放大，且在放大過(guò)程中，利用旋光介質(zhì)的旋光色散效應(yīng)使得各光譜分量的線偏振方向各不相同，而且，每次放大具有最大激光增益的偏振方向所對(duì)應(yīng)的光譜分量也各不一樣，從而達(dá)到增加增益線寬的目的。具體而言，本發(fā)明提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)包括具有偏振相關(guān)增益特性的增益介質(zhì)；兩套180度的反射鏡組，用于實(shí)現(xiàn)光束在系統(tǒng)內(nèi)的多程往返；二只準(zhǔn)直/聚焦的光學(xué)透鏡或凹面反射鏡，用于將待放大超短脈沖激光在進(jìn)入增益介質(zhì)前進(jìn)行聚焦，在離開(kāi)增益介質(zhì)時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)直；三個(gè)旋光器，用于利用旋光色散效應(yīng)使得系統(tǒng)內(nèi)的光束的各光譜分量的線偏振方向各不相同，且每次放大具有最大激光增益的偏振方向所對(duì)應(yīng)的光譜分量也各不一樣。另外，還有一只用于改變光脈沖所有光譜分量偏振方向的半波片、以及一些用于改變光傳輸方向的反射鏡等，將在下面的實(shí)施例中詳細(xì)闡述。由于增益介質(zhì)具有偏振相關(guān)增益特性，即在同樣的泵浦條件下，增益介質(zhì)對(duì)待放大激光脈沖的增益與激光脈沖的偏振方向相關(guān)，因此，利用旋光介質(zhì)的旋光色散效應(yīng)，使得光脈沖中不同的光譜分量具有不同的線偏振方向，從而在多通放大激光系統(tǒng)中，增益介質(zhì)最大增益所在的偏振方向所對(duì)應(yīng)的光譜分量在每次放大時(shí)各不相同，即可調(diào)節(jié)增益介質(zhì)不同次放大的光譜位置/寬度，從而增大輸出的激光脈沖的線寬，起到補(bǔ)償光譜窄化效應(yīng)的目的。旋光色散量可通過(guò)選取旋光介`質(zhì)及其厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明中，旋光介質(zhì)可以并不限于是自然旋光晶體。以下給出了兩個(gè)基于上述設(shè)計(jì)思想的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的實(shí)施例圖1示出了本發(fā)明第一實(shí)施例提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為了便于說(shuō)明，僅示出了與本發(fā)明第一實(shí)施例相關(guān)的部分。本發(fā)明第一實(shí)施例提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)。其中增益介質(zhì)Gl具有偏振相關(guān)的增益特性。第一反射鏡組44包括相互垂直放置的第一 45度反射鏡Ml和第二45度反射鏡M2,第一反射鏡Ml與第二反射鏡M2之間留有用于通光的空隙。第二反射鏡組22包括相互垂直放置的第三45度反射鏡M3和第四45度反射鏡M4。第一反射鏡組44的對(duì)稱軸相對(duì)于第二反射鏡組22的對(duì)稱軸存在一不為O且可變的位移量。第一透鏡LI和第二透鏡L2共焦放置在增益介質(zhì)Gl兩側(cè)，且第一透鏡LI和第二透鏡L2放置在第一反射鏡組44和第二反射鏡組22之間。圖1中的第一旋光器Rl和第一半波片HWl設(shè)置在第二反射鏡組22的入射光入射前的光路上的，且第一旋光器Rl設(shè)置在第二反射鏡組22與第一半波片HWl之間。第二旋光器R2放置在第一反射鏡組44和第一透鏡LI之間；第三旋光器R3放置在第二反射鏡組22和第二透鏡L2之間。
該系統(tǒng)在工作時(shí),待放大超短脈沖激光首先經(jīng)第一半波片HWl和第一旋光器Rl后沿第二反射鏡組22的對(duì)稱軸入射，被第二透鏡L2聚焦后第一次進(jìn)入增益介質(zhì)Gl，進(jìn)行第一次放大。光脈沖從增益介質(zhì)Gl出射后被第一透鏡LI準(zhǔn)直，緊接著被第一反射鏡組44進(jìn)行180度折返。爾后經(jīng)過(guò)第二旋光器R2后再次經(jīng)第一透鏡LI聚焦，進(jìn)入到增益介質(zhì)G1。光脈沖經(jīng)增益介質(zhì)Gl第二次放大后被第二透鏡L2準(zhǔn)直，并被第二反射鏡組22 二次反射180度返回。此時(shí)光脈沖透過(guò)第三旋光器R3，經(jīng)第二透鏡L2聚焦后第三次被增益介質(zhì)Gl放大。從增益介質(zhì)Gl出射的光脈沖將重復(fù)被第一透鏡LI準(zhǔn)直、被第一反射鏡組44折返、經(jīng)第二旋光器R2被第一透鏡LI聚焦、進(jìn)入增益介質(zhì)Gl完成第四次放大。第五次放大則需重復(fù)第三次放大的過(guò)程。光脈沖第五次經(jīng)過(guò)放大晶體后，被第一透鏡LI準(zhǔn)直和被第一反射鏡組44折返后輸出該系統(tǒng)。若假設(shè)第一旋光器R1、第二旋光器R2和第三旋光器R3的旋光系數(shù)分別為Ct1(λ)、Ci2 (λ )和Ci3 (入)，厚度分別為(11、(12和(13，其中的λ表示光波長(zhǎng)，λ ^為中心頻率。則從上面分析可知，光脈沖第一次進(jìn)入增益介質(zhì)Gl時(shí)，旋光色散量為Ci1 (λ M1，則第二、三、四、五次進(jìn)入增益介質(zhì)時(shí)旋光色散量分別為Cti ( λ ) (I1+ α 2 ( λ )d2> a J ( λ >(1^0 2(λ ) d2+ α 3 ( λ ) d3、Ct1 ( λ )屯+2 α 2 ( λ ) d2+ α 3 ( λ ) d3、Ct1 ( λ )屯+2 α 2 ( λ ) d2+2 α 3(λ ) d3。結(jié)合第一半波片HW1，可方便通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)男馄鞑牧霞捌浜穸日{(diào)節(jié)各次放大光譜線型。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)對(duì)光束的放大次數(shù)可不限于是5次，其值取決于第一反射鏡組44的對(duì)稱軸與第二反射鏡組22的對(duì)稱軸之間的位移量、以及光束經(jīng)第一反射鏡組44和第二反射鏡組22的通光口徑。假設(shè)第一反射鏡組44的對(duì)稱軸與第二反射鏡組22的對(duì)稱軸之間的位移量是d，第一反射鏡組44的第一通光口徑和第二反射鏡組22的第二通
光口徑均為L(zhǎng)，則該超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的放大次數(shù)N可表示為;V <ο
2d另外，由于該超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的出射光中，各光譜分量的偏振方向是色散的，為了對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，本發(fā)明第一實(shí)施例中，在該超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的出射光的光路上，還設(shè)置有一旋光色散器。該旋光色散器的旋光色散量大小與Ci1 (λ)屯+2 α 2 ( λ ) d2+2 α 3 ( λ ) d3的相同但符號(hào)互為相反。公知地，偏振相關(guān)的增益介質(zhì)Gl可以有多種，其中鈦寶石晶體就具有這種特性。下面以增益介質(zhì)Gl為鈦寶石晶體為例，說(shuō)明圖1所示超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)的工作過(guò)程對(duì)于鈦寶石激光晶體,常規(guī)的切割方向是晶軸方向與光束傳輸方向垂直，而且光束的偏振方向與由晶軸和光束傳輸方向組成的平面平行(η平面)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，η偏振光的突光強(qiáng)度是與之相垂直的0偏振光的二倍多。光脈沖經(jīng)過(guò)第一旋光器Rl和第一半波片HW1，使得某一光譜分量勺偏振方向和π平面平行，那么其它光譜分量的偏振方向與^平面的夾角θ (λ, λ。)為θ ( λ , λ 0) = a j ( λ ) L1- a j ( λ 0) L1(I)從前面的討論可知，對(duì)于第二、三、四、五次進(jìn)入增益介質(zhì)Gl時(shí)有θ 2 ( λ，λ Q) = a i ( λ ) L「a i ( λ Q) L1+ α 2 ( λ ) L2
θ 3 ( λ，λ 0) = α i ( λ ) L1- α i ( λ 0) L1+ α 2 ( λ ) L2+ α 3 ( λ ) L3(2)
Θ 4 (入，λ 0) = α χ ( λ ) L1- α χ ( λ 0) 1^+2 α 2 ( λ ) L2+ α 3 ( λ ) L3θ 5 (入，入 ο) = α i (入)L1- α i (入 0) L^2 α 2 ( λ ) L2+2 α 3 (入)L3
相應(yīng)地，其增益函數(shù)的表達(dá)式為G^A, λ0)=6π (A)cos2[ θ , λ 0) ]+G0 ( λ ) sin2 [ Θ j ( λ , λ 0) ](2)其中，i為放大次數(shù)。于是，等價(jià)發(fā)射截面為
權(quán)利要求
1.一種超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，其特征在于，所述多通放大系統(tǒng)包括增益介質(zhì)，用于激光放大；兩套180度的反射鏡組，用于實(shí)現(xiàn)光束在所述系統(tǒng)內(nèi)的多程往返；二只準(zhǔn)直/聚焦的光學(xué)透鏡或凹面反射鏡，用于將待放大超短脈沖激光在進(jìn)入所述增益介質(zhì)前進(jìn)行聚焦，在從所述增益介質(zhì)出射時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)直；三個(gè)旋光器，用于利用旋光色散效應(yīng)使得所述系統(tǒng)內(nèi)的光束中各光譜分量的線偏振方向各不相同，從而使得光每次通過(guò)所述增益介質(zhì)時(shí)具有最大激光增益的偏振方向所對(duì)應(yīng)的光譜分量也各不一樣。
2.如權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，其特征在于，所述增益介質(zhì)是具有偏振相關(guān)增益特性的增益介質(zhì)，用于對(duì)所述待放大超短脈沖激光進(jìn)行多次放大，放大增益與所述系統(tǒng)內(nèi)待放大超短脈沖激光的偏振方向有關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，其特征在于，所述三個(gè)旋光器分別為第一旋光器、第二旋光器和第三旋光器；所述第一旋光器用于讓入射到所述增益介質(zhì)的光脈沖各光譜分量產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男馍?，即不同的光譜分量的線偏振方向適當(dāng)分離；所述第二旋光器、所述第三旋光器用于改變每次入射所述增益介質(zhì)的光脈沖中具有最大激光增益的偏振方向所對(duì)應(yīng)的光譜分量。
4.如權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，其特征在于，所述兩套180度的反射鏡組分別為第一反射鏡組和第二反射鏡組；所述第一反射鏡組包括相互垂直放置的第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡與所述第二反射鏡之間留有一用于通光的空隙；所述第二反射鏡組包括相互垂直放置的第三反射鏡和第四反射鏡，所述第三反射鏡與所述第四反射鏡之間留有一用于通光的空隙，且所述第一反射鏡組的對(duì)稱軸相對(duì)于所述第二反射鏡組的對(duì)稱軸存在一可變的位移量。
5.如權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，其特征在于，所述二只準(zhǔn)直/聚焦的光學(xué)透鏡或凹面反射鏡分別為第一透鏡/反射鏡和第二透鏡/反射鏡。所述二只準(zhǔn)直/聚焦的光學(xué)透鏡或凹面反射鏡結(jié)合所述兩套180度的反射鏡組，使得光束多次通過(guò)所述增益介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)多程放大；所述系統(tǒng)的放大次數(shù)取決于所述兩套180度的反射鏡組的對(duì)稱軸之間的相對(duì)位移量，所述增益介質(zhì)置于所述二只準(zhǔn)直/聚焦的光學(xué)透鏡或凹面反射鏡之間。
6.如權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括一O度的平面反射鏡，所述平面反射鏡用于將所述系統(tǒng)的出射光束原路返回，使得所述系統(tǒng)的放大倍數(shù)增加一倍，同時(shí)補(bǔ)償放大脈沖的旋光色散。
7.如權(quán)利要求1所述的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，其特征在于，所述多通放大系統(tǒng)還包括第一半波片，用于調(diào)整所述待放大脈沖所有光譜分量的偏振方向。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光放大技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)，包括具有偏振相關(guān)增益特性的增益介質(zhì)、至少兩個(gè)旋光介質(zhì)器、兩個(gè)180度折返鏡組，兩只透鏡或凹面反射鏡以及其他一些反射鏡等。本發(fā)明的超短脈沖激光多通放大系統(tǒng)是利用具有偏振相關(guān)增益特性的增益介質(zhì)對(duì)待放大超短脈沖激光進(jìn)行多次放大。在此過(guò)程中，根據(jù)需要，利用旋光介質(zhì)使得各光譜分量的線偏振方向產(chǎn)生分離，使得不同次放大對(duì)應(yīng)不同的放大中心光譜。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明提供的超短脈沖激光的多通放大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易調(diào)整、使用方便、成本低，且插入損耗小。
文檔編號(hào)H01S3/00GK103066488SQ201210590278
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者徐世祥, 鄒達(dá), 曾選科, 徐平, 蔡懿, 陳紅藝, 李景鎮(zhèn) 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)