專利名稱：一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，屬于高峰值功率皮秒激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高能量皮秒激光器以其高的峰值功率、窄的脈沖寬度，在材料精細(xì)微加工、LED劃片、太陽能光伏、科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。相對于納秒激光，采用皮秒激光加工材料，具有精度高、熱影響區(qū)域極小、加工邊緣無毛刺等優(yōu)點(diǎn)。為了滿足上述應(yīng)用，一般要求皮秒激光峰值功率達(dá)到MW量級，目前產(chǎn)生MW量級峰值功率皮秒激光的原理是從幾十MHz鎖模種子源激光器通過電光或者聲光調(diào)制的方法，選出kHz到百kHz種子光脈沖，然后經(jīng)過放大實(shí)現(xiàn)瓦級功率輸出。
脈沖選單技術(shù)由電光選單技術(shù)和聲光選單技術(shù)兩種，電光選單技術(shù)響應(yīng)速度快(小于5ns)，可以實(shí)現(xiàn)IOOMHz以上的脈沖選單功能，但是其體積很大，價(jià)格貴，同時(shí)需要幾千伏高壓信號，使用非常不便。聲光選單技術(shù)響應(yīng)時(shí)間較慢(一般大于10ns)，通常只能用于50MHz以下的脈沖選單功能，但是其體積小巧，便宜，使用非常方便。聲光選單器工作原理如下高頻的種子光信號經(jīng)過聲光選單器后，利用聲光調(diào)制原理，當(dāng)有效電平信號加載到選單器上時(shí)，需要的信號光將被衍射出來，有效電平的時(shí)間長短決定選取脈沖數(shù)量的多少。例如對于30MHz的種子激光來說，其周期為33. 3ns，所以如果選單器有效電平時(shí)間小于33. 3ns，可以選出單個(gè)脈沖，增加時(shí)間可以選取更多脈沖。激光脈沖放大的方式有兩種，即再生放大及行波放大。再生放大技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是，放大器增益高，可以達(dá)到IO6-IO9,但是再生放大腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對脈沖時(shí)序要求非常嚴(yán)格，同時(shí)需要加入電光腔倒空功能，制作難度非常大。行波放大技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，不需要再生放大腔，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，且容易獲得較高功率輸出，缺點(diǎn)是單級放大增益小，一般可以達(dá)到IO3-IO4O目前，國際上大多數(shù)公司都采用再生放大器放大皮秒脈沖，例如High Q laser、Ekspla>Trumpf>Coherent等公司，最高輸出功率可以達(dá)到百kHz頻率下50W以上。國外也有研究用于皮秒脈沖放大的行波放大器。例如,2006年意大利Antonio Agnesi等人,采用兩級板條激光器實(shí)現(xiàn)將O. InJ單脈沖能量放大到10uJ，放大增益為IO5 ；2009日本K. Nawata等人采用2mW皮秒種子源激光兩次通過楔形板條Nd: YV04構(gòu)成的行波放大器，實(shí)現(xiàn)輸出功率25W，放大增益為12500。為了獲得高的增益和高的峰值功率，行波放大器的增益介質(zhì)一般為板條結(jié)構(gòu)，但是板條結(jié)構(gòu)需要對放大激光進(jìn)行多次整形會造成激光光斑質(zhì)量變差。采用端面泵浦Nd: YV04方式可以解決此問題，但是由于Nd: YV04端面熱應(yīng)力影響，不能承受高的泵浦功率(小于40W)，放大增益很小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器?？蓪⒓す馄鞯姆逯倒β视蓭譳W放大到MW量級，通過改變聲光選單器有效電平時(shí)間，實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖包絡(luò)內(nèi)脈沖數(shù)量從I到幾百個(gè)靈活改變，達(dá)到激光峰值功率靈活調(diào)整的目的。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，特點(diǎn)是包括半導(dǎo)體二極管、激光晶體、法拉第旋光器和皮秒光纖種子源，半導(dǎo)體二極管依次銜接第一透鏡和第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接激光晶體，激光晶體銜接第二平面鏡，所述皮秒光纖種子源銜接第四透鏡，第四透鏡銜接聲光脈沖選單器，聲光脈沖選單器銜接第三透鏡，第三透鏡銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接第三平面鏡，第三平面鏡銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器與第一平面鏡相銜接； 半導(dǎo)體二極管發(fā)出的光經(jīng)過第一透鏡和第二透鏡耦合進(jìn)激光晶體內(nèi)，皮秒光纖種子源的水平偏振皮秒種子源脈沖，經(jīng)過第四透鏡聚焦到聲光脈沖選單器后，選出kHz的皮秒脈沖種子激光，種子激光經(jīng)過第三透鏡后進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的種子激光經(jīng)過薄膜偏振片及第三平面鏡后通過法拉第旋光器偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，種子光再經(jīng)過激光晶體實(shí)現(xiàn)第一次光放大，放大后的激光經(jīng)過第一平面鏡反射后，重新經(jīng)過激光晶體做第二次放大，二次放大后的激光經(jīng)過第二平面鏡沿原光路返回，再次經(jīng)過法拉第旋光器后偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)激光再次經(jīng)過薄膜偏振片后透射出去，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光放大過程。進(jìn)一步地，上述的一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，半導(dǎo)體二極管是輸出功率為150W的888. 5nm波段半導(dǎo)體二極管，其尾纖纖芯直徑為400微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22。更進(jìn)一步地，上述的一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，激光晶體為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位于25 50mm。更進(jìn)一步地，上述的一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述皮秒光纖種子源(13)是種子源頻率為IOMHz 80MHz光纖激光器。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在
本發(fā)明采用聲光選單技術(shù)，將高頻種子源激光選為低頻種子激光，再經(jīng)過高增益放大器實(shí)現(xiàn)高峰值功率皮秒激光器輸出，通過改變聲光選單器的有效電平時(shí)間，靈活控制單個(gè)脈沖包絡(luò)的輸出脈沖數(shù)量，通過旋光器和薄膜偏振片的組合完成對種子光脈沖進(jìn)行雙程放大。具有峰值功率高、脈沖數(shù)量靈活可控、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明
圖I:本發(fā)明激光器原理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式采用888. 5nm泵浦光代替808nm泵浦光可以有效的降低晶體熱效應(yīng)40%以上，因此晶體端面可以承受更高的泵浦功率(大于150W)。本發(fā)明采用基于888. 5nm二極管端面泵浦Nd:YV04方式的雙程行波放大器，配合聲光選單技術(shù)，實(shí)現(xiàn)放大增益1000倍，峰值功率達(dá)到5麗激光脈沖，通過改變聲光選單器有效電平時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖包絡(luò)內(nèi)脈沖數(shù)量從I到幾百個(gè)靈活改變，從而實(shí)現(xiàn)激光峰值功率的靈活調(diào)整，對于激光加工工藝研究有重要意義。如圖I所示，一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，包括半導(dǎo)體二極管I、激光晶體5、法拉第旋光器7和皮秒光纖種子源13，半導(dǎo)體二極管I是輸出功率為150W的888. 5nm波段半導(dǎo)體二極管，其尾纖纖芯直徑為400微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22 ;激光晶體5為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位于25 50mm ；皮秒光纖種子源13是種子源頻率IOMHz 80MHz、30MHz皮秒光纖激光器；半導(dǎo)體二極管I依次銜接第一透鏡2和第二透鏡3，第二透鏡3銜接第一平面鏡4，第一平面鏡4銜接激光晶體5，激光晶體5銜接第二平面鏡6，所述皮秒光纖種子源13銜接第四透鏡12，第四透鏡12銜接聲光脈沖選單器11，聲光脈沖選單器11銜接第三透鏡10，第三透鏡10銜接薄膜偏振片9，薄膜偏振片9銜接第三平面鏡8，第三平面鏡8銜接法拉第旋光器7，法拉第旋光器 7與第一平面鏡4相銜接；
半導(dǎo)體二極管I發(fā)出的光經(jīng)過第一透鏡2和第二透鏡3耦合進(jìn)激光晶體5內(nèi)，皮秒光纖種子源13的水平偏振皮秒種子源脈沖，經(jīng)過第四透鏡12聚焦到聲光脈沖選單器11后，選出kHz的皮秒脈沖種子激光，種子激光經(jīng)過第三透鏡10后進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的種子激光經(jīng)過薄膜偏振片9及第三平面鏡8后通過法拉第旋光器7偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，種子光再經(jīng)過激光晶體5實(shí)現(xiàn)第一次光放大，放大后的激光經(jīng)過第一平面鏡4反射后，重新經(jīng)過激光晶體5做第二次放大，二次放大后的激光經(jīng)過第二平面鏡6沿原光路返回，再次經(jīng)過法拉第旋光器7后偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)激光再次經(jīng)過薄膜偏振片9后透射出去，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光放大過程。采用888. 5nm二極管端面泵浦Nd: YV04方式實(shí)現(xiàn)種子光脈沖的放大。采用888. 5nm光泵浦Nd:YV04晶體，將粒子直接從基態(tài)激發(fā)到激光上能級，有效的減小了量子虧損，使得激光晶體可以承受大于150W泵浦功率，在高功率泵浦下，放大器具有非常高的增益。通過采用法拉第旋光器7配合薄膜偏振片9實(shí)現(xiàn)激光的雙程放大，種子光經(jīng)過薄膜偏振片9后，經(jīng)過法拉第旋光器7，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)過第一次放大后，種子光被反射回激光晶體內(nèi)部做二次放大，再次經(jīng)過法拉第旋光器7時(shí)偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，所以經(jīng)過偏振片可以透射輸出，從而實(shí)現(xiàn)激光雙程放大。皮秒種子光脈沖經(jīng)過透鏡聚焦到聲光選單器內(nèi)部，將MHz的種子光選為kHz的種子光，種子光再經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直后經(jīng)過薄膜偏振片9及法拉第旋光器7后，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，經(jīng)過反射鏡入射到激光晶體5后完成第一次放大，放大后的激光脈沖經(jīng)過平面鏡反射返回到激光晶體5中，完成種子光的第二次放大。第二次放大后的激光脈沖沿著原入射光路透過法拉第旋光器7,經(jīng)過法拉第旋光器7后放大激光的偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45° ,此時(shí)的偏振態(tài)與第一次入射到薄膜偏振片的偏振態(tài)垂直，完成雙程放大的激光會從薄膜偏振片透射出來。采用通過控制聲光選單器有效電平時(shí)間，靈活控制單個(gè)脈沖包絡(luò)的輸出脈沖數(shù)量，脈沖包絡(luò)數(shù)量可以從I到幾百個(gè)脈沖靈活改變。激光晶體為Nd:YV04，晶體尺寸為3X3X30mm3，晶體有I. 5°楔角，防止高功率泵浦下晶體自激振蕩，通循環(huán)水對晶體進(jìn)行精確冷卻控溫。
為提高放大器的提取效率，種子源激光經(jīng)過激光晶體時(shí)的偏振態(tài)為45°偏振，激光晶體的放置必須滿足其偏振在45°方向。脈沖選單技術(shù)為聲光脈沖選單技術(shù)，通過控制聲光選單器有效電平時(shí)間，靈活控制單個(gè)脈沖包絡(luò)的輸出脈沖數(shù)量，脈沖包絡(luò)數(shù)量從I到幾百個(gè)脈沖靈活改變。
實(shí)施例根據(jù)上述技術(shù)方案，構(gòu)建輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器實(shí)驗(yàn)裝置。在抽運(yùn)光功率150w時(shí)，脈沖重復(fù)率為IOOkHz時(shí)，放大器輸出功率為4W，用光束質(zhì)量分析儀測得光束質(zhì)量因子M2 X和Y方向值分別為I. 28及I. 30。通過改變聲光選單器有效電平時(shí)間，實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖包絡(luò)內(nèi)脈沖數(shù)量從I到幾百個(gè)靈活改變，從而實(shí)現(xiàn)激光峰值功率的靈活調(diào)整。觀察單個(gè)脈沖輸出波形圖和多個(gè)脈沖輸出波形圖。從結(jié)果可以看出，本發(fā)明輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器具有放大增益高、峰值功率靈活調(diào)整、光束質(zhì)量好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以商品化用于皮秒激光應(yīng)用領(lǐng)域。 需要理解到的是以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于包括半導(dǎo)體二極管(I)、激光晶體(5)、法拉第旋光器(7)和皮秒光纖種子源(13)，半導(dǎo)體二極管(I)依次銜接第一透鏡(2)和第二透鏡(3)，第二透鏡(3)銜接第一平面鏡(4)，第一平面鏡(4)銜接激光晶體(5 )，激光晶體(5 )銜接第二平面鏡(6 )，所述皮秒光纖種子源(13 )銜接第四透鏡(12)，第四透鏡(12)銜接聲光脈沖選單器(11)，聲光脈沖選單器(11)銜接第三透鏡(10)，第三透鏡(10)銜接薄膜偏振片(9)，薄膜偏振片(9)銜接第三平面鏡(8)，第三平面鏡(8)銜接法拉第旋光器(7)，法拉第旋光器(7)與第一平面鏡(4)相銜接； 半導(dǎo)體二極管(I)發(fā)出的光經(jīng)過第一透鏡(2)和第二透鏡(3)耦合進(jìn)激光晶體(5)內(nèi)，皮秒光纖種子源(13)的水平偏振皮秒種子源脈沖，經(jīng)過第四透鏡(12)聚焦到聲光脈沖選單器(11)后，選出kHz的皮秒脈沖種子激光，種子激光經(jīng)過第三透鏡(10)后進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的種子激光經(jīng)過薄膜偏振片(9)及第三平面鏡(8)后通過法拉第旋光器(7)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，種子光再經(jīng)過激光晶體(5)實(shí)現(xiàn)第一次光放大，放大后的激光經(jīng)過第一平面鏡(4)反射后，重新經(jīng)過激光晶體(5)做第二次放大，二次放大后的激光經(jīng)過第二平面鏡(6)沿原光路返回，再次經(jīng)過法拉第旋光器(7)后偏振態(tài)再次旋轉(zhuǎn)45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)激光再次經(jīng)過薄膜偏振片(9)后透射出去，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光放大過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述半導(dǎo)體二極管(I)是輸出功率為150W的888. 5nm波段半導(dǎo)體二極管，其尾纖纖芯直徑為400微米，數(shù)值孔徑NA=O. 22。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述激光晶體(5)為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在0. 5% 1%，晶體長度位于25 5Ctam。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述皮秒光纖種子源(13)是種子源頻率為IOMHz 80MHz光纖激光器。
全文摘要
本發(fā)明涉及輸出脈沖數(shù)可靈活調(diào)節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，半導(dǎo)體二極管依次銜接第一透鏡和第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接激光晶體，激光晶體銜接第二平面鏡，所述皮秒光纖種子源銜接第四透鏡，第四透鏡銜接聲光脈沖選單器，聲光脈沖選單器銜接第三透鏡，第三透鏡銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接第三平面鏡，第三平面鏡銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器與第一平面鏡相銜接；種子光經(jīng)過薄膜偏振片后，經(jīng)過法拉第旋光器，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)45°，第一次放大后，種子光被反射回激光晶體內(nèi)部做二次放大，再經(jīng)過法拉第旋光器時(shí)偏振態(tài)再旋轉(zhuǎn)45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過偏振片透射輸出，實(shí)現(xiàn)激光雙程放大。
文檔編號H01S3/117GK102801099SQ20121032484
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者趙裕興, 李立衛(wèi) 申請人:蘇州德龍激光有限公司