一种紧凑型高增益超快激光放大器

1.本发明专利涉及新一代信息技术中的利用辐射（激光）受激发射使用光放大过程来放大或产生光的器件的技术领域，具体而言，涉及一种紧凑型高增益超快激光放大器。


背景技术：

2.高功率超快激光器在工业、科研、国防等各个领域发挥着诸多作用。目前的千瓦级高功率超快激光器主要为基于掺yb材料的光纤、板条以及薄片激光器。基于yb:yag端面泵浦棒状结构的超快激光器由于结构简单，维护便利，在工业领域具有巨大的应用前景。
3.现有的基于yb:yag端面泵浦棒状结构工业激光器的高功率放大模块大都采用单端泵浦结构。因为高功率高亮度光纤耦合二极管双端泵浦，未被吸收的剩余泵浦光会打到对面的泵浦激光二极管，损坏泵浦激光二极管或者降低其寿命。yb:yag单端泵浦棒状结构有两点不足：一方面，单端泵浦时由于晶体对泵浦光的指数吸收，yb:yag棒后半段的泵浦功率密度降低，后半段反转粒子密度不足会造成放大损耗，影响放大增益效果；另一方面，光纤耦合泵浦模块提供的泵浦功率是有限的，单端泵浦与双端泵浦比总泵浦功率只有一半，不利于高功率放大。现有的单端泵浦结构对于小信号的放大难以获得高增益。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种紧凑型高增益超快激光放大器，旨在解决现有技术中，单端泵浦结构中后半段放大损耗大影响放大增益的问题。
5.本发明是这样实现的，一种紧凑型高增益超快激光放大器，包括种子激光源、偏振分光棱镜、双波长双端泵浦结构和反射结构；所述双波长双端泵浦结构包括依次设置的第一泵浦激光源、第一泵浦耦合系统、第一双色镜、第一三色镜、主放大模块、第二三色镜、第二双色镜、第二泵浦耦合系统和第二泵浦激光源；所述第一泵浦激光源和所述第二泵浦激光源呈相向布置；所述第一泵浦激光源输出的第一泵浦光经所述第一泵浦耦合系统调整后，入射至第一双色镜，从第一双色镜透射后，入射至第一三色镜，从第一三色镜透射后，入射至所述主放大模块的第一端；所述第二泵浦激光源输出的第二泵浦光经所述第二泵浦耦合系统调整后，入射至第二双色镜，从第二双色镜透射后，入射至第二三色镜，从第二三色镜透射后，入射至所述主放大模块的第二端；从所述主放大模块的第一端出射的第二泵浦光，经所述第一三色镜透射后，被所述第一双色镜反射出泵浦光路；从所述主放大模块的第二端出射的第一泵浦光，经所述第二三色镜透射后，被所述第二双色镜反射出泵浦光路；所述种子激光源输出的种子激光经所述偏振分光棱镜后，入射至所述第一三色镜，被所述第一三色镜反射后，再入射至所述主放大模块的第一端，经所述主放大模块放大后，从所述主放大模块的第二端出射，再经所述第二三色镜反射出泵浦光路；再被所述反射结构反射回所述第二三色镜，依次经所述主放大模块、所述第一三色镜后，入射至所述偏振分光棱镜，并从出射方向射出光路，所述出射方向垂直于种子激光的初始入射方向。
6.可选的，所述反射结构包括偏振旋转片和反射镜，所述偏振旋转片用于改变种子
激光的偏振态，所述反射镜将从泵浦光路出射的种子激光反射回泵浦光路。
7.可选的，所述反射结构还包括准直透镜，从泵浦光路出射的种子激光依次经所述偏振旋转片、所述准直透镜后入射至所述反射镜；被所述反射镜反射后，再依次经所述准直透镜、所述偏振旋转片后入射至所述第二三色镜，且返回所述第二三色镜的种子激光相比之前从泵浦光路出射的种子激光，偏振态旋转了90
°
。
8.可选的，还包括预放大器，所述预放大器包括脉冲展宽器和脉冲选择器，分别用于将脉冲展宽和对种子激光降频。
9.可选的，还包括光隔离器和半波片，经所述预放大器放大后的种子激光依次经所述光隔离器和半波片后入射至所述偏振分光棱镜。
10.可选的，所述双波长双端泵浦结构还包括吸收阱，用于将对面打过来的没有吸收完的第一泵浦光或第二泵浦光吸收掉。
11.可选的，所述主放大模块包括yb:yag晶体棒，所述第一泵浦激光源为969nm激光源，所述第二泵浦激光源为940nm激光源；所述种子激光源输出的种子激光的中心波长为1030nm。
12.可选的，所述第一双色镜的朝向所述第一泵浦激光源的一侧对969nm波长的光高透；所述第一双色镜的朝向所述主放大模块的一侧对969nm波长的光高透且对940nm波长的光高反；所述第二双色镜的朝向所述第二泵浦激光源的一侧对940nm波长的光高透；所述第二双色镜的朝向所述主放大模块的一侧对940nm波长的光高透且对969nm波长的光高反。
13.可选的，所述第一三色镜的双面对940nm和969nm波长的光高透，所述第一三色镜的朝向所述主放大模块的一侧对1030nm波长的光高反；所述第二三色镜的双面对940nm和969nm波长的光高透，所述第二三色镜的朝向所述主放大模块的一侧对1030nm波长的光高反。
14.可选的，所述种子激光源输出的种子激光为连续激光、准连续激光或超短脉冲激光中的任一种。
15.与现有技术相比，本发明提供的一种紧凑型高增益超快激光放大器，采用双端泵浦结构可以避免单端泵浦时yb:yag晶体棒后端的反转粒子密度不足造成的放大损耗，从而降低损耗，提高主放大模块的增益；通过第一级双波长双端泵浦结构可实现相对于单端泵浦两倍的泵浦功率，使得主放大模块获得更高功率的放大能力。
16.并且，由于第一双色镜和第二双色镜将从对面打过来的没有吸收完的第一泵浦光或第二泵浦光反射出了泵浦光路，使得穿过主放大模块的剩余泵浦光不会打到对面的光纤耦合泵浦模块中，保护光纤耦合泵浦模块的寿命，满足高功率工业超快激光放大器长期使用的可靠性。
17.通过反射结构将放大后种子激光反射回双波长双端泵浦结构，使其得到再次放大，实现了光路的折叠，并从偏振分光棱镜的垂直于初始入射方向的方向上出射，使得整体结构更为紧凑，利于整体高功率超快激光放大器的小型化。
18.附图说明
19.图1是本发明提供的一种紧凑型高增益超快激光放大器的光路示意图。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
22.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
23.参照图1所示，为本发明提供的较佳实施例。
24.一种紧凑型高增益超快激光放大器，包括种子激光源1、偏振分光棱镜19（polarization beam splitter，简称：pbs）、双波长双端泵浦结构和反射结构；双波长双端泵浦结构包括依次设置的第一泵浦激光源20、第一泵浦耦合系统4、第一双色镜5、第一三色镜7、主放大模块21、第二三色镜9、第二双色镜10、第二泵浦耦合系统12和第二泵浦激光源22；第一泵浦激光源20和第二泵浦激光源22呈相向布置；第一泵浦激光源20输出的第一泵浦光经第一泵浦耦合系统4调整后，入射至第一双色镜5，从第一双色镜5透射后，入射至第一三色镜7，从第一三色镜7透射后，入射至主放大模块21的第一端；第二泵浦激光源22输出的第二泵浦光经第二泵浦耦合系统12调整后，入射至第二双色镜10，从第二双色镜10透射后，入射至第二三色镜9，从第二三色镜9透射后，入射至主放大模块21的第二端；从主放大模块21的第一端出射的第二泵浦光，经第一三色镜7透射后，被第一双色镜5反射出泵浦光路；从主放大模块21的第二端出射的第一泵浦光，经第二三色镜9透射后，被第二双色镜10反射出泵浦光路；种子激光源1输出的种子激光经偏振分光棱镜19后，入射至第一三色镜7，被第一三色镜7反射后，再入射至主放大模块21的第一端，经主放大模块21放大后，从主放大模块21的第二端出射，再经第二三色镜9反射出泵浦光路；再被反射结构反射回第二三色镜9，依次经主放大模块21、第一三色镜7后，入射至偏振分光棱镜19，并从出射方向射出光路，出射方向垂直于种子激光的初始入射方向。
25.本实施例提供的一种紧凑型高增益超快激光放大器，采用双端泵浦结构可以避免单端泵浦时yb:yag晶体棒后端的反转粒子密度不足造成的放大损耗，从而降低损耗，提高主放大模块的增益；通过第一级双波长双端泵浦结构可实现相对于单端泵浦两倍的泵浦功率，使得主放大模块获得更高功率的放大能力。
26.并且，由于第一双色镜5和第二双色镜10将从对面打过来的没有吸收完的第一泵浦光或第二泵浦光反射出了泵浦光路，使得穿过主放大模块21的剩余泵浦光不会打到对面的光纤耦合泵浦模块中，保护光纤耦合泵浦模块的寿命，满足高功率工业超快激光放大器
长期使用的可靠性。
27.通过反射结构将放大后种子激光反射回双波长双端泵浦结构，使其得到再次放大，实现了光路的折叠，并从偏振分光棱镜19的垂直于初始入射方向的方向上出射，使得整体结构更为紧凑，利于整体高功率超快激光放大器的小型化。
28.种子激光源1输出的种子激光为连续激光、准连续激光或超短脉冲激光中的任一种。
29.具体的，反射结构包括偏振旋转片23和反射镜25，偏振旋转片23用于改变种子激光的偏振态，反射镜25将从泵浦光路出射的种子激光反射回泵浦光路。
30.反射结构还包括准直透镜24，从泵浦光路出射的种子激光依次经偏振旋转片23、准直透镜24后入射至反射镜25；被反射镜25反射后，再依次经准直透镜24、偏振旋转片23后入射至第二三色镜9，且返回第二三色镜9的种子激光相比之前从泵浦光路出射的种子激光，偏振态旋转了90
°
。
31.偏振旋转片23可采用45
°
石英旋光片，石英旋光片(quartz rotators) 由石英晶体制作而成。石英晶体具有天然的旋光性，所以它可以用来旋转线偏振光的偏振方向，并且不改变线偏振光的特性。旋转的角度和晶体的厚度有关，旋转方向目前有左旋和右旋两种可以选择。默认为右旋。
32.一种紧凑型高增益超快激光放大器还包括预放大器17，预放大器17包括脉冲展宽器和脉冲选择器，分别用于将脉冲展宽和对种子激光降频。通过脉冲展宽器将脉冲展宽、脉冲选择器对种子激光降频及多级预放大可将种子激光功率提升，便于后续主放大模块21更好的双通小信号提取。
33.一种紧凑型高增益超快激光放大器还包括光隔离器14和半波片18，经预放大器17放大后的种子激光依次经光隔离器14和半波片18后入射至偏振分光棱镜19。
34.光隔离器14是一种只允许单向光通过的无源光器件，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器14很好的隔离，光隔离器14主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器14是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器14很好的隔离，提高光波传输效率。
35.半波片18是一定厚度的双折射晶体，当法向入射的光透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π或其奇数倍。半波片18可以对偏振光进行旋转，因为线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。
36.偏振分光棱镜19是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后与另一个直角棱镜胶合成一个立方体结构，利用光线以布鲁斯特角入射时p偏振光透射率为1而s偏振光透射率小于1的性质，在光线以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使的p偏振分量完全透过，而绝大部分s偏振分量反射（至少90%以上）的一个光学元件。
37.被反射结构反射回双波长双端泵浦结构的种子激光的偏振态被旋转了90
°
，从而种子激光再次入射到偏振分光棱镜19时，与初始入射时相比其偏振态旋转了90
°
，从而其从偏振分光棱镜19出射的方向与出射入射方向垂直。例如，种子激光初始以s偏振光入射在偏振分光棱镜19上，被其反射至第一三色镜7；而被放大后的种子激光从第一三色镜7入射至
偏振分光棱镜19上时，其作为p偏振光入射，直接透射出偏振分光棱镜19，其出射方向垂直于初始入射方向，便于后续光学元件的布置及输出光的有效利用。
38.双波长双端泵浦结构还包括吸收阱，用于将对面打过来的没有吸收完的第一泵浦光或第二泵浦光吸收掉。使剩余泵浦光不会打到对面的光纤耦合泵浦模块中，保护光纤耦合泵浦模块的寿命，满足长期使用的可靠性；使得剩余泵浦光不会对泵浦光路上的器件产生不利影响或干扰。
39.具体的，主放大模块21包括yb:yag晶体棒，第一泵浦激光源20为969nm激光源，第二泵浦激光源22为940nm激光源；种子激光源1输出的种子激光的中心波长为1030nm。
40.主放大模块21中增益介质为准三能级的yb:yag晶体棒，yb:yag晶体主要有两个光谱吸收峰，一个在940nm附近，另一个在969nm附近。本实施例中充分利用了yb:yag晶体的双波长吸收特性，从而在同等激光亮度下提供了两倍的泵浦功率。
41.具体的，第一双色镜5的朝向第一泵浦激光源20的一侧对969nm波长的光高透（透过率大于98%）；第一双色镜5的朝向主放大模块21的一侧对969nm波长的光高透（透过率大于98%）且对940nm波长的光高反（反射率大于99%）。第一泵浦激光源20发出的969nm第一泵浦光透过第一双色镜5，而第二泵浦激光源22发出的940nm第二泵浦光经主放大模块21后的余光从对面射至第一双色镜5，被第一双色镜5反射出泵浦光路，避免了余光对第一泵浦激光源20造成损害。
42.第二双色镜10的朝向第二泵浦激光源22的一侧对940nm波长的光高透（透过率大于98%）；第二双色镜10的朝向主放大模块21的一侧对940nm波长的光高透（透过率大于98%）且对969nm波长的光高反（反射率大于99%）。第二泵浦激光源22发出的940nm第二泵浦光透过第二双色镜10，而第一泵浦激光源20发出的969nm第一泵浦光经主放大模块21后的余光从对面射至第二双色镜10，被第二双色镜10反射出泵浦光路，避免了余光对第二泵浦激光源22造成损害。
43.第一双色镜5、第二双色镜10相对于泵浦光路呈45
°
角度布置。
44.具体的，第一三色镜7的双面对940nm和969nm波长的光高透（透过率大于98%），第一三色镜7的朝向主放大模块21的一侧对1030nm波长的光高反（反射率大于99.5％）。第一三色镜7对940nm和969nm波长的光高透，尽量减少其在泵浦光路中的损耗；而第一三色镜7对1030nm波长的光高反，使得种子激光较好地耦合到泵浦光路中，减少其耦入时的损耗。
45.第二三色镜9的双面对940nm和969nm波长的光高透（透过率大于98%），第二三色镜9的朝向主放大模块21的一侧对1030nm波长的光高反（反射率大于99.5％）。第二三色镜9对940nm和969nm波长的光高透，尽量减少其在泵浦光路中的损耗；而第二三色镜9对1030nm波长的光高反，使得放大后的种子激光较好地耦出泵浦光路，减少其耦出时的损耗。
46.yb:yag晶体棒为细棒状结构，其直径为1~10mm，长度为20~50mm，yb3 离子掺杂浓度为0.5～2.0 at .％，优选地，yb:yag晶体棒的长度为30mm，yb3 离子掺杂浓度为2.0 at .％。
47.第一泵浦耦合系统4 和第二泵浦耦合系统12均为双透镜泵浦耦合系统，用光束变换从而控制在yb:yag棒中泵浦光束腰的光斑大小。
48.在以上双透镜泵浦耦合系统中，可采用两片相对布置的非球面透镜来实现。
49.一种紧凑型高增益超快激光放大器还包括脉冲压缩器件，从偏振分光棱镜19出射
的光被脉冲压缩器件压缩后出射。脉冲压缩器件可采用压缩光栅，例如：wasatch photonics’evpg激光脉冲压缩光栅，是比较适合用于高功率超快激光的脉冲压缩以及伸展的。
50.在以下一具体实施例中，一种紧凑型高增益超快激光放大器包括以下器件：种子激光源1 为种子飞秒激光源，中心波长为1030nm，脉冲重复频率为100khz~1mhz。
51.预放大器17 为低功率预放大级，实现将种子激光脉冲展宽（典型值：~500ps），降频（典型值：100khz~1mhz）以及预放大（典型值：1mw~5w）。
52.光隔离器14。
53.半波片18 为1030nm二分之一波片。
54.偏振分光棱镜19 ，1030nm偏振分光片。
55.脉冲压缩器件16 为压缩光栅对。
56.第一泵浦激光源20为波长锁定高亮度969nm光纤耦合激光二极管模块，典型参数：输出光纤芯径105um 、na0.22，输出功率120w。
57.第一泵浦耦合系统4 ，将969nm光纤耦合激光二极管模块输出的泵浦光以设定的大小射入yb:yag棒中。
58.第一双色镜5 ，对969nm波长45
°
高透，透过率大于98％，对940nm波长45
°
高反，反射率大于99％。45
°
高透，即入射光与双色镜法线的夹角为45
°
时，对该入射光具有高透过率。45
°
高反，即入射光与双色镜(或反射镜)法线的夹角为45
°
时，对该入射光具有高反射率。
59.第一吸收阱6 ，将对面打过来没有吸收完的940nm泵浦光吸收掉。
60.第一三色镜7，对940nm&969nm波长45
°
高透，透过率大于98％，对1030nm波长45
°
高反，反射率大于99.5％。
61.主放大模块21，由yb:yag棒与冷却器构成，yb:yag棒典型长度30mm，掺杂浓度2at.%。
62.第二三色镜9，对940nm&969nm波长45
°
高透，透过率大于98％，对1030nm波长45
°
高反，反射率大于99.5％。
63.第二双色镜10，对940nm波长45
°
高透，透过率大于98％，对969nm波长45
°
高反，反射率大于99％。
64.第二吸收阱11，将对面打过来没有吸收完的969nm泵浦光吸收掉。
65.第二泵浦耦合系统12，将940nm光纤耦合激光二极管模块输出的泵浦光以设定的大小射入yb:yag棒中。
66.第二泵浦激光源22为波长锁定高亮度940nm光纤耦合激光二极管模块，典型参数：输出光纤芯径105um 、na0.22，输出功率120w。
67.偏振旋转片23 为1030nm45
°
石英旋光片。
68.准直透镜24 ，对应于1030nm波长的准直透镜。
69.反射镜25 ，为全反射镜，对1030nm光全反射。
70.以上一种紧凑型高增益超快激光放大器的工作原理如下：1030nm飞秒种子激光源1输出的激光经过低功率预放大器17预放大。预放大器17
包括脉冲展宽器将脉冲展宽、脉冲选择器对种子激光降频以及预放大级将种子激光功率提升（1mw~5w），以便更好的实现双通放大。适合小信号提取，以及后续的高增益放大。
71.预放大后的激光经过半波片18、pbs 19以及光隔离器14后进入主放大模块21进行双通放大。采用高亮度的969nm和940nm光纤耦合二极管从两端相向泵浦yb:yag棒的结构。单通经过主放大模块21的1030nm激光经过45
°
石英旋转片，被准直透镜24准直后，由1030nm全反射镜反射回放大光路，再次经过准直透镜24、45
°
石英旋光片以及主放大模块21。1030nm激光双通（两次通过）45
°
石英旋转片后的偏振态旋转90
°
，光束返回再次经过pbs 19时，将从初始入射方向的垂直方向射出光路。出射的放大激光由压缩光栅对进行脉宽压缩。
72.通过以上反射结构将光路进行了折叠，种子激光经过了主放大模块的两次放大，获得了高增益。可以将小信号从1mw双通放大到20w以上，从5w的小信号双通放大到100w以上。
73.主放大模块21中，左侧高功率高亮度的969nm光纤耦合二极管输出的泵浦光通过双透镜组成的第一泵浦耦合系统4进行光束变换控制在yb:yag棒中泵浦光束腰的光斑大小。由第一泵浦耦合系统4进行变换后的泵浦光束依次通过第一双色镜5和第一三色镜7进入主放大模块21。第一双色镜5的左侧面为969nm泵浦光45
°
高透，右侧面为969nm泵浦光45
°
高透以及940nm泵浦光45
°
高反，保证左侧泵浦光尽量通过的同时将右侧未被yb:yag棒吸收完的940nm泵浦光反射出泵浦光路，保护左侧的969nm泵浦光纤耦合二极管。第一双色镜5反射出光路的940nm泵浦光被第一吸收阱所吸收。第一三色镜7为双面969nm与940nm泵浦光45
°
高透，右侧为1030nm激光45
°
高反将激光反射出泵浦光路。主放大模块21中增益介质为准三能级的yb:yag晶体棒，yb:yag晶体棒焊接于镀金的紫铜微通道热沉来高效散热，镀金的紫铜微通道热沉作为yb:yag晶体棒的冷却器，散热效果很好。
74.主放大模块21右侧为与左侧对称的泵浦结构。右侧高功率高亮度的940nm光纤耦合二极管输出的泵浦光通过双透镜组成的第二泵浦耦合系统12进行光束变换控制在yb:yag棒中泵浦光束腰的光斑大小，泵浦光斑大小与左侧泵浦光斑的大小一致。由第二泵浦耦合系统12进行变换后的泵浦光束通过第二双色镜10和第二三色镜9进入主放大模块21。第二双色镜10的右侧面为940nm泵浦光45
°
高透，左侧面为940nm泵浦光45
°
高透以及969nm泵浦光45
°
高反，保证右侧940nm泵浦光尽量通过的同时将左侧未被yb:yag棒吸收完的969nm泵浦光反射出泵浦光路，保护右侧的940nm泵浦光纤耦合二极管。第二双色镜10反射出光路的969nm泵浦光被第二吸收阱所吸收。第二三色镜9为双面969nm与940nm泵浦光45
°
高透，左侧为1030nm激光45
°
高反将激光反射出泵浦光路。
75.在本实施例中，高功率高亮度的940nm和969nm光纤耦合二极管从两端相向泵浦yb:yag晶体棒的结构，不限于采用1030nm飞秒激光器作为种子激光，也可以实现连续、ns以及ps等不同形式1030nm种子激光的高增益或高功率放大，并仍能保持激光器的紧凑性与高可靠性。
76.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。