偏振稳定的大能量亚纳秒激光器及工作方法

本发明涉及激光器，特别涉及一种偏振稳定的大能量亚纳秒激光器及工作方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、亚纳秒脉冲固体激光器凭借脉宽短、峰值功率高、结构紧凑的特点，在精密加工、激光测距、激光雷达、非线性频率变换及科学实验等领域具备重要应用价值。基于增益介质与可饱和吸收体键合的微片被动调q激光器，是实现亚纳秒脉冲输出的重要技术路线，该类激光器既可作为紧凑型脉冲光源直接应用，也可作为高能量固体激光系统的前端种子源，与后续放大、频率变换单元协同工作，其输出偏振状态直接影响后续系统的能量提取效率与运行稳定性。

3、现有微片被动调q激光器的输出偏振方向与偏振度易受晶体取向、泵浦条件及热效应等因素影响，易出现偏振漂移、偏振跳变等现象，难以适配偏振相关放大与频率变换场景的使用要求。常规偏振改善方案多依赖特定晶体切向、偏振泵浦或预设偏振选择结构，存在偏振方向调控灵活性不足、加工装调复杂度较高等局限，制约了该类激光器在高稳定性大能量激光系统中的集成应用。

技术实现思路

1、为了解决现有亚纳秒微片激光器偏振稳定性不足、偏振方向调控灵活性有限，难以适配高稳定性大能量放大与频率变换系统集成应用的问题，本发明提供了一种偏振稳定的大能量亚纳秒激光器及工作方法，通过对微片晶体沿水平和竖直两个正交方向实施差异化温度调控以调节腔内正交偏振态的竞争关系，搭配端面泵浦预放大、多级侧面泵浦主放大及频率变换的级联光路架构，实现了偏振稳定且方向可切换的亚纳秒脉冲输出，提高了大能量基频激光与紫外激光输出的运行稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种偏振稳定的大能量亚纳秒激光器。

4、一种偏振稳定的大能量亚纳秒激光器，包括偏振稳定微片振荡器，以及沿光路依次设置的端面泵浦预放大单元、侧面泵浦主放大单元和频率变换单元；

5、偏振稳定微片振荡器内置微片晶体，用于产生偏振稳定的亚纳秒种子脉冲，并作为后续放大与频率变换链路的前端种子源，通过对微片晶体沿水平和竖直两个正交方向实施差异化温度调控，调节微片晶体内部热分布、热应力及偏振相关特性，改变腔内两个正交偏振态之间的竞争关系，得到偏振稳定的亚纳秒种子脉冲输出，通过改变两个正交方向的温度关系，得到输出偏振方向旋转九十度且保持稳定的偏振输出；

6、端面泵浦预放大单元用于对亚纳秒种子脉冲进行端面泵浦单通预放大，提升种子脉冲能量并降低后续高增益放大过程中自激振荡和寄生振荡的发生风险；

7、侧面泵浦主放大单元至少包括两级沿光路依次设置的侧面泵浦双通放大器，用于对经端面泵浦预放大后的基频脉冲进行逐级能量提升，得到大能量基频激光输出；

8、频率变换单元用于对大能量基频激光进行倍频及和频变换，得到大能量亚纳秒紫外激光输出。

9、在本发明第一方面的一种实现方式中，偏振稳定微片振荡器包括第一半导体激光泵浦源、第一泵浦光整形系统、nd:yag/cr:yag微片晶体以及与nd:yag/cr:yag微片晶体热耦合设置的温控结构；

10、第一半导体激光泵浦源用于向nd:yag/cr:yag微片晶体提供激光振荡所需的泵浦能量；

11、第一泵浦光整形系统设置于第一半导体激光泵浦源和nd:yag/cr:yag微片晶体之间，用于对第一半导体激光泵浦源输出的泵浦光进行整形和耦合匹配；

12、nd:yag/cr:yag微片晶体即为微片晶体，用于构成被动调q微片激光振荡腔，产生亚纳秒种子脉冲；

13、温控结构用于对nd:yag/cr:yag微片晶体沿水平和竖直两个正交方向实施温度调控。

14、作为本发明第一方面进一步的限定，nd:yag/cr:yag微片晶体为键合复合微片晶体，其中，nd:yag用作增益介质，cr:yag用作可饱和吸收体，nd:yag/cr:yag微片晶体的前后表面设有镀膜结构，以形成单片微片激光振荡腔。

15、作为本发明第一方面进一步的限定，温控结构包括上侧tec、右侧tec、下侧tec、左侧tec、上侧热敏电阻、右侧热敏电阻、下侧热敏电阻、左侧热敏电阻、铜沉安装座以及温控板；

16、上侧tec、右侧tec、下侧tec、左侧tec沿nd:yag/cr:yag微片晶体的四个方向分布设置，用于对nd:yag/cr:yag微片晶体沿两个正交方向进行差异化温度调节；

17、上侧热敏电阻、右侧热敏电阻、下侧热敏电阻、左侧热敏电阻用于实时检测对应方向的温度信息；

18、铜沉安装座用于承载并固定nd:yag/cr:yag微片晶体；

19、温控板用于根据检测温度与设定温度的偏差对相对应的tec进行反馈控制。

20、作为本发明第一方面更进一步的限定，右侧tec和左侧tec对应nd:yag/cr:yag微片晶体的水平方向，上侧tec和下侧tec对应nd:yag/cr:yag微片晶体的竖直方向；

21、同一正交方向两侧的温度保持一致，水平和竖直两个正交方向之间的温度设置为不同，使nd:yag/cr:yag微片晶体内部形成非对称温度分布，进而产生两个正交方向的等效热应力差；

22、在弹光效应作用下，等效热应力差引起两个正交方向的等效折射率差，进而产生偏振相关相位延迟；

23、偏振相关相位延迟改变腔内两个正交偏振本征态的相位延迟、本征轴方向及非简并程度，结合腔内偏振相关增益和损耗差异，改变两个正交偏振态的等效净增益及竞争关系；

24、当水平方向温度高于竖直方向温度时，输出种子脉冲稳定于第一稳定偏振方向；当竖直方向温度高于水平方向温度时，输出种子脉冲稳定于第二稳定偏振方向，第二稳定偏振方向与第一稳定偏振方向相互正交；

25、水平方向与竖直方向的温度大小关系改变时，输出偏振方向在两个正交稳定偏振方向之间切换。

26、在本发明第一方面的一种实现方式中，端面泵浦预放大单元包括第一半波片、第一空间光隔离器、第二半波片、第一平凸透镜、第一二向色镜、第二泵浦光整形系统、第二半导体激光泵浦源以及nd:yag增益晶体；

27、第一半波片、第一空间光隔离器和第二半波片构成光隔离系统，用于阻断后级放大链路中的反向传播光和寄生反射光进入前端光路，并对种子脉冲的偏振态进行匹配调节；

28、第一平凸透镜用于对亚纳秒种子脉冲进行聚焦和光斑匹配；

29、第二半导体激光泵浦源输出的泵浦光经第二泵浦光整形系统整形后，由第一二向色镜耦合进入nd:yag增益晶体，对nd:yag增益晶体实施端面泵浦；

30、nd:yag增益晶体用于对输入的亚纳秒种子脉冲进行单通预放大。

31、在本发明第一方面的一种实现方式中，侧面泵浦主放大单元包括沿光路依次级联设置的第一级侧面泵浦双通放大器和第二级侧面泵浦双通放大器；

32、第一级侧面泵浦双通放大器沿种子光传播方向依次包括第三半波片、第二光隔离器、第四半波片、第一平凹透镜、第二平凸透镜、第一薄膜偏振片、第一四分之一波片、第一nd:yag侧泵模块、第三平凸透镜、第一真空管、第四平凸透镜、第一法拉第旋光器和第一0°高反镜；

33、第二级侧面泵浦双通放大器沿种子光传播方向依次包括第五半波片、第三光隔离器、第六半波片、第二平凹透镜、第五平凸透镜、第二薄膜偏振片、第二四分之一波片、第二nd:yag侧泵模块、第六平凸透镜、第二真空管、第七平凸透镜、第二法拉第旋光器和第二0°高反镜。

34、作为本发明第一方面进一步的限定，第一平凹透镜和第二平凸透镜用于对输入第一级侧面泵浦双通放大器的脉冲光进行口径调整、准直与空间整形，使入射光束的尺寸和传播状态与第一nd:yag侧泵模块的有效通光区域相匹配；

35、第二平凹透镜和第五平凸透镜用于对输入第二级侧面泵浦双通放大器的脉冲光进行口径调整、准直与空间整形，使入射光束的尺寸和传播状态与第二nd:yag侧泵模块的有效通光区域相匹配；

36、第一四分之一波片和第二四分之一波片分别用于配合双通光路中的偏振演化，减弱高峰值功率激光在增益介质及相关光学元件中的非线性累积作用；

37、第三平凸透镜、第一真空管和第四平凸透镜共同构成第一级中继传输与真空空间滤波结构；

38、第六平凸透镜、第二真空管和第七平凸透镜共同构成第二级中继传输与真空空间滤波结构；

39、第一法拉第旋光器和第二法拉第旋光器分别用于补偿高泵浦功率放大条件下产生的热致退偏效应；

40、第一0°高反镜和第二0°高反镜分别用于将单程放大后的基频光折返至对应增益模块，完成双通放大；

41、第一薄膜偏振片和第二薄膜偏振片分别用于将双通放大后的回传脉冲与原输入光路分离并导出。

42、在本发明第一方面的一种实现方式中，频率变换单元包括第七半波片、第八平凸透镜、第三真空管、第九平凸透镜、倍频单元、和频单元、第二二向色镜和第三二向色镜；

43、第七半波片用于调节进入频率变换单元的基频激光偏振方向，使基频激光偏振方向与倍频单元和和频单元中非线性频率变换晶体的相位匹配偏振方向相适配；

44、第八平凸透镜、第三真空管和第九平凸透镜共同构成频率变换前的光束传输与整形部分，用于对主放大后的基频激光进行中继成像、空间滤波和光束整形；

45、倍频单元用于将基频激光转换为倍频激光；

46、和频单元用于将基频激光与倍频激光进行和频变换，得到紫外激光输出；

47、第二二向色镜和第三二向色镜用于对频率变换后的不同波长激光进行分离和导出。

48、第二方面，本发明提供了一种偏振稳定的大能量亚纳秒激光器的工作方法。

49、一种偏振稳定的大能量亚纳秒激光器的工作方法，采用本发明第一方面的偏振稳定的大能量亚纳秒激光器，包括以下过程：

50、对偏振稳定微片振荡器中的微片晶体沿水平和竖直两个正交方向实施差异化温度调控，使微片晶体内部形成受控的非对称热场，调节腔内两个正交偏振态之间的竞争关系，产生偏振稳定的亚纳秒种子脉冲；

51、改变水平和竖直两个正交方向之间的温度关系，输出偏振方向旋转九十度并保持稳定输出；

52、利用半导体激光泵浦源向微片晶体提供端面泵浦能量，增益介质吸收能量形成粒子数反转，结合可饱和吸收体的被动调q机制，产生基频亚纳秒种子脉冲；

53、将偏振稳定的亚纳秒种子脉冲注入端面泵浦预放大单元，在同步端面泵浦作用下进行单通预放大；

54、将经端面泵浦预放大后的基频脉冲注入侧面泵浦主放大单元，依次经过两级侧面泵浦双通放大过程进行逐级能量提升；

55、将侧面泵浦主放大单元输出的大能量基频激光注入频率变换单元，依次进行倍频以及和频变换，得到稳定的大能量亚纳秒紫外激光输出。

56、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

57、本发明通过在微片振荡器中采用水平与竖直正交方向的差异化温度调控方式，调节微片晶体内部热分布、热应力及偏振相关特性，改变腔内正交偏振态的竞争关系，在不依赖特定晶体切向与预设偏振选择结构的前提下，获得了稳定的线偏振种子脉冲输出，同时可通过调整两个正交方向的温度关系实现偏振方向的九十度切换，提升了激光器对不同后续光路与应用场景的适配能力。前端偏振稳定的种子源配合端面泵浦预放大结构，在提升种子脉冲能量的同时抑制高增益放大过程中的自激振荡与寄生振荡，为后续主放大环节提供了稳定的输入基础。两级侧面泵浦双通放大的级联架构，可逐级提升基频脉冲能量，在获取大能量基频输出的同时维持光束质量与偏振状态的一致性。稳定的大能量基频光源接入频率变换单元后，可保障倍频与和频过程的转换效率相对稳定，减少了紫外输出的能量波动。本发明将偏振调控、多级放大与频率变换的光路设计相整合，改善了微片激光器在大能量激光系统集成中的偏振稳定性与应用适配性。

58、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。