一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统

1.本发明属于超快激光技术领域，特别涉及一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统。


背景技术：

2.近年来，高亮度皮秒激光器由于兼具高光谱纯度和高峰值功率的优势，在微加工、精密测距、医学与光谱学等领域得到了重要应用，也是非线性光学变频应用中常用的泵浦光源。皮秒脉冲与物质相互作用的持续时间短，能够避免激光线性吸收、能量转移和扩散等效应的影响，从而实现材料的“冷加工”。
3.为了实现高亮度的皮秒激光输出，光纤激光系统可以表现出非常高的增益和低阈值，缺点是高峰值功率下往往会造成光学损伤、产生明显非线性效应等。基于半导体泵浦的全固态激光器具有新颖结构的增益介质，可以有效改善热光性能，例如薄片激光器采用几百微米厚的增益介质进行单面散热，优异的热管理能力可以保证良好的光束质量，同时获得高功率激光输出。但薄片形的激光晶体较低的单通增益和复杂的多通结构大大增加了系统的复杂性，再有板条激光器在技术复杂性上颇具优势，但因其特殊的泵浦结构，需要额外的耦合及整形技术，限制了其进一步的发展。
4.相比之下，采用光纤皮秒激光器作为种子源，利用行波固体放大器作为放大级，不仅能够获得非常高的增益，同时光束质量也能得到很好控制，是获取高功率皮秒激光的有效方案。通常固体放大器包括两种，一种是基于二极管泵浦的固体增益介质再生放大器，它可以提供很高的增益，但是结构复杂，价格昂贵；另一种是行波放大器，采用多通固体增益介质直接放大低功率的激光种子源，结构简单，易于实现，该类激光器按照泵浦方式分为端泵和侧泵。
5.端泵泵浦功率密度高，可实现泵浦光与振荡光良好的模式匹配，可在短的增益介质长度下实现高增益，代表晶体有nd:yvo4、nd:gdvo4，缺点是晶体不能承受过高的功率，且需要多级放大器结构，增加了系统的复杂性；侧面泵浦的优点是在高功率泵浦时不会轻易炸裂，模块水冷功率可达几千瓦量级，常用晶体包括nd:yag、yb:yag等，但该类方法所面临的主要问题是增益的热致球差效应，即光束质量难以控制，影响最终输出激光的亮度。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统，系统结构简单、可实现高亮度输出，并且能满足不同激光精密加工的需求。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统，包括沿激光输出方向依次设置的全保偏光纤皮秒种子激光器、光纤准直器、空间隔离器、45
°
全反镜、偏振分光棱镜、一级固体行波放大器、二级固体行波放大器和三级固体行波放大器，所述一级固体行波放大器位于偏振分光棱镜的透射光一侧，所述二级固体行波放大器位于所述偏振分光棱镜的反射光一
侧，所述光纤准直器通过尾纤与所述全保偏光纤皮秒种子激光器相连。
8.上述方案中，所述一级固体行波放大器包括沿激光入射方向依次设置的法拉第旋转器、第一半波片、第一45
°
二向色镜，所述第一45
°
二向色镜的一侧依次设置第一激光晶体和第一0
°
全反镜，所述第一45
°
二向色镜的另一侧依次设置第一透镜对和第一激光二极管。通过一级固体行波放大器，可以将皮秒种子激光功率放大。
9.上述方案中，所述二级固体行波放大器包括沿激光传输方向依次设置的第二激光晶体、第二45
°
二向色镜、第一透镜和第二半波片，所述第二45
°
二向色镜的一侧依次设置第二透镜对和第二激光二极管。通过二级固体行波放大器，可以将一级固体行波放大器的输出激光功率进一步放大。
10.上述方案中，所述三级固体行波放大器包括沿激光入射方向依次设置的第三45
°
二向色镜、第一56
°
偏振片、第一侧面泵浦模块、90
°
旋光器、4f系统、第二侧面泵浦模块、1/4波片和第二0
°
全反镜，所述第一56
°
偏振片的出射光一侧设置第二56
°
偏振片。通过三级固体行波放大器，采用第一侧面泵浦模块和第二侧面泵浦模块，可以将二级固体行波放大器输出的激光功率放大到百瓦以上，同时控制光束质量因子在一定范围内。
11.进一步的技术方案中，所述三级固体行波放大器后还设置倍频模块，所述倍频模块包括沿激光入射方向依次设置的第二透镜、倍频晶体、第三透镜、第四45
°
二向色镜，所述第四45
°
二向色镜的侧面设置激光吸收器，所述倍频晶体外包裹厚度0.05 mm的铟箔且置于夹具内，所述夹具与温度控制模块相连。通过增加倍频模块，基于百瓦以上的基频光，可实现超过50 w的绿光输出。
12.进一步的技术方案中，所述第一激光晶体和第二激光晶体的结构和材料均相同，均为长方体结构，材料选用键合的nd:yvo4晶体，nd
3
离子的掺杂浓度为0.4%，该晶体输入和输出激光端面为4 mm*4 mm的正方形，长度为35 mm，其中，掺杂nd
3
离子的nd:yvo4晶体长度33 mm，未掺杂nd
3
离子的yvo4晶体长度为2 mm。与非键合晶体相比，能够大大减小晶体热效应，利于光束质量的控制。
13.进一步的技术方案中，所述倍频晶体采用1类相位匹配lbo，非临界相位匹配角θ=90
°
、φ=0
°
，倍频晶体为长方体结构，端面为正方形，几何参数为6 mm*6 mm* 16 mm，其作用是将1064 nm基频光转换为532 nm激光。
14.进一步的技术方案中，所述全保偏光纤皮秒种子激光器用于产生1064 nm波长的皮秒脉冲激光，脉冲宽度《10 ps，光谱宽度《0.3 nm，最大单脉冲能量》100 nj，重复频率调整范围10 khz-20 mhz。该模块作用是为后续的固体放大器提供合适的皮秒种子脉冲激光。
15.进一步的技术方案中，所述一级固体行波放大器内的填充因子范围为0.7-0.9，所述二级固体行波放大器内的填充因子为0.85，该类参数的设计有利于输出激光光束质量的控制。
16.通过上述技术方案，本发明提供的一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统具有如下有益效果：（1）该系统结合了光纤激光器和固体激光器的优点，皮秒种子源采用全保偏光纤器件，具有结构简单、性能稳定、易于维护等优点，能够适合应用于不同的外界环境。
17.（2）固体放大器每级均为行波放大器，采用直接端面泵浦技术和侧面泵浦技术相结合，仅用三级放大器可将皮秒1064 nm输出激光的亮度提升到5.7*10
9 w
·
cm-2
·
sr以上，
这是传统的多级nd:yvo4行波放大器难以实现的指标，既保持了端面泵浦下高增益、高提取效率的优势，同时由于侧泵具有很高的损伤阈值，可用一级侧泵放大器替代传统的多级端面泵浦行波放大器，简化激光器结构，易于集成，且提高激光器运行稳定性和延长使用寿命。
18.（3）在高功率激光泵浦条件下，尤其是侧面泵浦放大器，会有较强的热透镜效应，严重影响输出激光的光束质量，本系统在固体行波放大器中引入球差补偿，利用激光放大级中晶体所带正球差，将全反镜放置于激光放大器焦点处，同时调节放大级中的填充因子，最终改善光束质量。
19.（4）本发明研发了易于集成和拆卸的倍频模块，基于百瓦以上的基频光，可实现超过50 w的绿光输出，能够满足太阳能电池材料切割、隐形二维码打标、柔性电路板切割、有机发光二极管（oled）材料加工及航空航天复合材料打孔等多领域的精密加工需求。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明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。
21.图1为本发明实施例1所公开的一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统示意图；图2为一级固体行波放大器结构示意图；图3为二级固体行波放大器结构示意图；图4为三级固体行波放大器结构示意图；图5为本发明实施例2所公开的一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统示意图；图6为倍频模块结构示意图；图7为本发明实施例1输出1064 nm激光波长测试结果图；图8为本发明实施例1输出1064 nm激光输出功率及稳定性测试结果；图9为本发明实施例1输出1064 nm激光光束质量测试结果图；图10为本发明实施例1输出1064 nm激光脉冲宽度测试结果图；图11为本发明实施例2输出532 nm激光波长测试结果图；图12为本发明实施例2输出532 nm激光输出功率及稳定性测试结果。
22.图中，1、全保偏光纤皮秒种子激光器；2、光纤准直器；3、空间隔离器；4、45
°
全反镜；5、偏振分光棱镜；6、一级固体行波放大器；61、法拉第旋转器；62、第一半波片；63、第一45
°
二向色镜；64、第一激光晶体；65、第一0
°
全反镜；66、第一透镜对；67、第一激光二极管；7、二级固体行波放大器；71、第二激光晶体；72、第二45
°
二向色镜；73、第二透镜对；74、第二激光二极管；75、第一透镜；76、第二半波片；8、三级固体行波放大器；801、第三激光晶体；802、第四激光晶体；81、第三45
°
二向色镜；82、第一56
°
偏振片；83、第一侧面泵浦模块；84、90
°
旋光器；85、4f系统；86、第二侧面泵浦模块；87、1/4波片；88、第二0
°
全反镜；89、第二56
°
偏振片；9、倍频模块；91、第二透镜；921、倍频晶体；922、夹具；923、温度控制模块；93、第三透镜；94、第四45
°
二向色镜；95、激光吸收器。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述。
24.实施例1本发明提供了一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统，如图1所示，包括沿激光输出方向依次设置的全保偏光纤皮秒种子激光器1、光纤准直器2、空间隔离器3、45
°
全反镜4、偏振分光棱镜5（pbs）、一级固体行波放大器6、二级固体行波放大器7和三级固体行波放大器8，一级固体行波放大器6位于偏振分光棱镜5的透射光一侧，二级固体行波放大器7位于偏振分光棱镜5的反射光一侧。
25.全保偏光纤皮秒种子激光器1，用于产生1064 nm波长的皮秒脉冲激光，脉冲宽度《10 ps，光谱宽度《0.3 nm，最大单脉冲能量》100 nj，重复频率调整范围10 khz-20 mhz。
26.光纤准直器2尾纤与全保偏光纤皮秒种子激光器1的输出端连接，工作距离为1 m。
27.空间隔离器3用于隔离后续放大器中的返回激光，避免造成器件损伤，承受功率为30 w。
28.45
°
全反镜4对于1064 nm激光的反射率》99.9%。
29.偏振分光棱镜5（pbs）分光后，对于p偏振和s偏振激光的消光比》1000:1，针对脉冲宽度为10 ps的1064 nm激光，镀膜的损伤阈值》1j/cm2。
30.具体的，如图2所示，一级固体行波放大器6包括沿激光入射方向依次设置的法拉第旋转器61、第一半波片62、第一45
°
二向色镜63，第一45
°
二向色镜63的一侧依次设置第一激光晶体64和第一0
°
全反镜65，第一45
°
二向色镜63的另一侧依次设置第一透镜对66和第一激光二极管67，上述各器件置于空间内相互独立，并且几何中心的高度一致，便于调节和提高效率。
31.法拉第旋转器61对应波长1064 nm，承受功率》30 w，激光通过后偏振态沿偏振平面非互易地旋转45
°
。
32.第一半波片62对应中心波长1064 nm，第一半波片62将激光偏振方向调整为p偏振进入第一激光晶体64中进行一次功率放大，光斑直径为d1。
33.法拉第旋转器61、第一半波片62与偏振分光棱镜5（pbs）构成一个空间隔离器，用于隔离后向传输的放大激光，保护全保偏光纤皮秒种子激光器1。
34.第一45
°
二向色镜63的镀膜参数：对于888 nm泵浦光透过率》98.5%，对于1064 nm激光反射率》99%。
35.第一激光晶体64为键合的nd:yvo4晶体，可以为单端键合晶体（nd:yvo4—yvo4）或双端键合晶体（yvo4—nd:yvo4—yvo4），nd
3
离子的掺杂浓度为0.4%，该晶体输入和输出激光端面为4 mm*4 mm的正方形，长度为35 mm，其中，掺杂nd
3
离子的nd:yvo4晶体长度33 mm，未掺杂nd
3
离子的yvo4晶体长度为2 mm。与非键合晶体相比，能够大大减小晶体热效应，利于光束质量的控制，第一激光晶体64需要采用水冷散热，水冷温度范围18-25℃。第一激光晶体64在工作过程中，吸收泵浦光会产生热透镜效应，其等效为一个热透镜。
36.第一0
°
全反镜65对于1064 nm激光反射率》99.9%，置于第一激光晶体64形成的热透镜的焦点处，使单程放大激光沿原路返回两次经过第一激光晶体64实现双程放大，提高增益和提取效率；同时能够补偿放大级中产生的正球差，防止光束质量的恶化。
37.第一透镜对66由两片镀膜透镜组成，镀膜要求对于泵浦光透过率》99.9%，其作用是将第一激光二极管67发出的泵浦激光先准直后聚焦到第一激光晶体64中，聚焦光斑直径
nm，第三激光晶体801和第四激光晶体802为nd:yag晶体，分别放置于第一侧面泵浦模块83和第二侧面泵浦模块86中并采用水冷散热，水冷温度范围18-22℃。
51.4f系统85和90
°
旋光器84用于补偿第三激光晶体801和第四激光晶体802的热致双折射效应，改善光束质量。
52.1/4波片87用于将激光偏振态方向旋转45
°
。
53.第二0
°
全反镜88置于第四激光晶体802形成的热透镜的焦点处，镀膜参数对于泵浦光透过率》98.5%，对于1064 nm激光反射率》99%。
54.二级固体行波放大器7输出p偏振光经过第三45
°
二向色镜81和第一56
°
偏振片82依次进入第一侧面泵浦模块83和第二侧面泵浦模块86，两个模块用于提供泵浦源和激光增益介质。1/4波片87用于改变偏振方向，且隔离反射光，之后单次放大激光经过第二0
°
全反镜88反射后沿着原光路返回，依次经过第二侧面泵浦模块86和第一侧面泵浦模块83中进行二次放大。双通放大后激光为s偏振光，经由第二56
°
偏振片89输出。 通过三级固体行波放大器8，采用两个平均功率》200 w的第一侧面泵浦模块83和第二侧面泵浦模块86，可以将二级固体行波放大器7输出的50 w激光功率放大到百瓦以上，同时控制光束质量因子m2《1.3。
55.实施例2本发明还提供了一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统，如图5所示，在实施例1的结构基础上，在三级固体行波放大器8后还设置倍频模块9。如图6所示，倍频模块9包括沿激光入射方向依次设置的第二透镜91、倍频晶体921、第三透镜93、第四45
°
二向色镜94，第四45
°
二向色镜94的侧面设置激光吸收器95，倍频晶体921外包裹厚度0.05 mm的铟箔置于夹具922内保证紧密接触，夹具922材料可选用紫铜。夹具922与温度控制模块923相连。温度控制模块923可以采用半导体制冷器（thermo electric cooler，tec），主要改变夹具922的温度，从而精确控制倍频晶体921的温度，保证较高的倍频效率。
56.倍频晶体921采用1类相位匹配lbo，非临界相位匹配角θ=90
°
、φ=0
°
，倍频晶体921为长方体结构，端面为正方形，几何参数为6 mm*6 mm* 16 mm。
57.第四45
°
二向色镜94主要用于将1064 nm基频光和532 nm倍频光分开，其中1064 nm激光被激光吸收器95完全吸收，保证器件和人员安全。
58.三级固体行波放大器8输出的基频光，经过第二透镜91聚焦到倍频晶体921上，倍频激光经由第三透镜93进行准直，第四45
°
二向色镜94作用是将残留的1064 nm激光反射到激光吸收器95中，保证单一532 nm波长绿光输出。该倍频模块9采用100 w的1064 nm基频光，可以实现》50 w的绿光输出，倍频效率》50%。
59.图7-图10分别展示了经过本发明实施例1的输出激光波长、平均功率及稳定性、光束质量和脉冲宽度测试结果。实验中全保偏光纤皮秒种子激光器输出参数为：平均功率20 mw，单脉冲能量100 nj，重复频率200 khz，光束质量m2《1.1。结果表明：（1）采用yokogawa（aq6373b）光谱分析仪测试激光中心波长为1064.21 nm（图7所示）；（2）thorlabs（s425c-l探头和pm100d表头）测试1064 nm平均功率为103.24 w，以0.3 s/单次为步进连续记录4小时测试功率稳定性为1.74% rms（图8所示）；（3）采用duma optronics（beamon wsr uv-nir）光束质量测试系统测试1064 nm激光的光束质量为m
x2
=1.27，m
y2
=1.25（图9所示）；（4）采用femtochrome（fr-103xl）自相关测试得到皮秒脉冲宽度为9.8 ps（图10所示）。综上，该系统输出的1064 nm皮秒激光亮度达到了5.74*10
9 w
·
cm-2
·
sr。
60.图11和图12分别展示了本发明实施例2经倍频模块输出激光波长和平均功率及稳定性测试结果。结果表明：（1）采用yokogawa（aq6373b）光谱分析仪测试激光中心波长为532.23 nm（图11所示）；（2）采用thorlabs（s425c-l探头和pm100d表头）测试532 nm激光平均功率为52.04 w，以0.3 s/单次为步进连续记录4小时测试功率稳定性为1.89% rms（图12所示）。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。