CN203150896U - 超短脉冲激光的多通放大系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于激光放大技术领域，提供了一种超短脉冲激光的多通放大系统，包括：具有偏振相关增益特性的增益介质、至少两个旋光介质器、两个180度折返镜组，两只透镜或凹面反射镜以及其他一些反射镜等。本实用新型的超短脉冲激光多通放大系统是利用具有偏振相关增益特性的增益介质对待放大超短脉冲激光进行多次放大。在此过程中，根据需要，利用旋光介质使得各光谱分量的线偏振方向产生分离，使得不同次放大对应不同的放大中心光谱。相对于现有技术而言，本实用新型提供的超短脉冲激光的多通放大系统结构简单、容易调整、使用方便、成本低，且插入损耗小。

Description

超短脉冲激光的多通放大系统

技术领域

本实用新型属于激光放大技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光的多通放大系统。

背景技术

超短脉冲激光一般是指时间宽度小于10^-12秒的激光脉冲，其广泛应用在强场物理、超快成像、超精密加工和超快光通信等领域。

为了获取更高能量的超短脉冲激光，需要对超短脉冲激光进行放大，啁啾脉冲放大技术是一种实现超短脉冲激光放大的有效方法。公知地，在啁啾脉冲放大过程中，由于增益介质在对激光脉冲进行放大时，激光脉冲中心频率附近相较于其它频率区域具有更高的增益，且从中心频率到两端的增益逐渐减小，当被放大的激光脉冲的带宽与增益介质本身的带宽相当时，其两端频率区域所获得的增益比中心频率区域的增益小得多，从而出现增益窄化效应。增益窄化效应使得放大后输出脉冲的光谱带宽变窄，且增益越大，光谱带宽的窄化越严重，相应地脉冲时间展宽就越厉害。于是，如何增加超短脉冲激光的放大线宽成为超短脉冲激光技术领域内的研究热点之一。

现有技术提供的一种补偿光谱窄化效应的措施是利用可编程声光色散滤波器或液晶空间光调制器激光光谱的振幅和相位进行调制，但可编程声光色散滤波器或液晶空间光调制器的价格昂贵，增加了超短脉冲激光的放大成本；现有技术提供的另一种补偿光谱窄化效应的措施是在再生放大腔中插入法布里-珀罗标准具，但其插入损耗比较大。

在本背景技术本部分所公开的上述信息仅仅用于增加对本实用新型背景技术的理解，因此其可能包括不构成对该国的本领域普通技术人员已知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超短脉冲激光的多通放大系统，旨在解决超短脉冲放大过程中的光谱窄化的问题。

所述系统包括：增益介质、两套180度的反射镜组、二只准直/聚焦的光学透镜或凹面反射镜、以及三个旋光器。其中的增益介质可以是具有偏振相关增益特性的增益介质。

进一步地，所述三个旋光器可以分别为第一旋光器、第二旋光器和第三旋光器，所述第一旋光器让入射到所述增益介质的光脉冲各光谱分量产生适当的旋光色散，所述第二旋光器、所述第三旋光器改变每次入射所述增益介质的光脉冲中具有最大激光增益的偏振方向所对应的光谱分量。

进一步地，所述两套180度的反射镜组可以分别为第一反射镜组和第二反射镜组；

此时，所述第一反射镜组包括相互垂直放置的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与所述第二反射镜之间留有一用于通光的空隙；

此时，所述第二反射镜组包括相互垂直放置的第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜与所述第四反射镜之间留有一用于通光的空隙，且所述第一反射镜组的对称轴相对于所述第二反射镜组的对称轴存在一可变的位移量。

进一步地，所述二只准直/聚焦的光学透镜或凹面反射镜可以分别为第一透镜/反射镜和第二透镜/反射镜，所述二只准直/聚焦的光学透镜或凹面反射镜结合所述两套180度的反射镜组，使得光束多次通过所述增益介质，实现多程放大。

进一步地，所述系统可以包括一0度的平面反射镜，将所述系统的出射光束原路返回，使得所述系统的放大倍数增加一倍，同时补偿放大脉冲的旋光色散。

进一步地，所述多通放大系统还可以包括：调整所述待放大脉冲所有光谱分量的偏振方向的第一半波片。

本实用新型提供的超短脉冲激光的多通放大系统是利用一块具有偏振相关增益特性的增益介质对待放大超短脉冲激光进行多次放大。在放大过程中，利用旋光介质的旋光色散效应使得各光谱分量的线偏振方向各不相同，因此每次放大具有最大激光增益的偏振方向所对应的光谱分量也各不一样，从而达到增加放大线宽的目的。相对于现有技术而言，本实用新型提供的超短脉冲激光的多通放大系统结构简单、容易调整、使用方便、成本低，且插入损耗小。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例提供的超短脉冲激光的多通放大系统的结构图；

图2是本实用新型第二实施例提供的超短脉冲激光的多通放大系统的结构图；

图3是图2中光束隔离器的结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供的超短脉冲激光的多通放大系统是利用一块具有偏振相关增益特性的增益介质对待放大超短脉冲激光进行多次放大，且在放大过程中，利用旋光介质的旋光色散效应使得各光谱分量的线偏振方向各不相同，而且，每次放大具有最大激光增益的偏振方向所对应的光谱分量也各不一样，从而达到增加增益线宽的目的。

具体而言，本实用新型提供的超短脉冲激光的多通放大系统包括：具有偏振相关增益特性的增益介质；两套180度的反射镜组，用于实现光束在系统内的多程往返；二只准直/聚焦的光学透镜或凹面反射镜，用于将待放大超短脉冲激光在进入增益介质前进行聚焦，在离开增益介质时进行准直；三个旋光器，用于利用旋光色散效应使得系统内的光束的各光谱分量的线偏振方向各不相同，且每次放大具有最大激光增益的偏振方向所对应的光谱分量也各不一样。另外，还有一只用于改变光脉冲所有光谱分量偏振方向的半波片、以及一些用于改变光传输方向的反射镜等，将在下面的实施例中详细阐述。

由于增益介质具有偏振相关增益特性，即在同样的泵浦条件下，增益介质对待放大激光脉冲的增益与激光脉冲的偏振方向相关，因此，利用旋光介质的旋光色散效应，使得光脉冲中不同的光谱分量具有不同的线偏振方向，从而在多通放大激光系统中，增益介质最大增益所在的偏振方向所对应的光谱分量在每次放大时各不相同，即可调节增益介质不同次放大的光谱位置/宽度，从而增大输出的激光脉冲的线宽，起到补偿光谱窄化效应的目的。旋光色散量可通过选取旋光介质及其厚度来实现，本实用新型中，旋光介质可以并不限于是自然旋光晶体。以下给出了两个基于上述设计思想的超短脉冲激光的多通放大系统的实施例：

图1示出了本实用新型第一实施例提供的超短脉冲激光的多通放大系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型第一实施例相关的部分。

本实用新型第一实施例提供的超短脉冲激光的多通放大系统。其中增益介质G1具有偏振相关的增益特性。第一反射镜组44包括相互垂直放置的第一45度反射镜M1和第二45度反射镜M2，第一反射镜M1与第二反射镜M2之间留有用于通光的空隙。第二反射镜组22包括相互垂直放置的第三45度反射镜M3和第四45度反射镜M4。第一反射镜组44的对称轴相对于第二反射镜组22的对称轴存在一不为0且可变的位移量。第一透镜L1和第二透镜L2共焦放置在增益介质G1两侧，且第一透镜L1和第二透镜L2放置在第一反射镜组44和第二反射镜组22之间。

图1中的第一旋光器R1和第一半波片HW1设置在第二反射镜组22的入射光入射前的光路上的，且第一旋光器R1设置在第二反射镜组22与第一半波片HW1之间。第二旋光器R2放置在第一反射镜组44和第一透镜L1之间；第三旋光器R3放置在第二反射镜组22和第二透镜L2之间。

该系统在工作时，待放大超短脉冲激光首先经第一半波片HW1和第一旋光器R1后沿第二反射镜组22的对称轴入射，被第二透镜L2聚焦后第一次进入增益介质G1，进行第一次放大。光脉冲从增益介质G1出射后被第一透镜L1准直，紧接着被第一反射镜组44进行180度折返。尔后经过第二旋光器R2后再次经第一透镜L1聚焦，进入到增益介质G1。光脉冲经增益介质G1第二次放大后被第二透镜L2准直，并被第二反射镜组22二次反射180度返回。此时光脉冲透过第三旋光器R3，经第二透镜L2聚焦后第三次被增益介质G1放大。从增益介质G1出射的光脉冲将重复被第一透镜L1准直、被第一反射镜组44折返、经第二旋光器R2被第一透镜L1聚焦、进入增益介质G1完成第四次放大。第五次放大则需重复第三次放大的过程。光脉冲第五次经过放大晶体后，被第一透镜L1准直和被第一反射镜组44折返后输出该系统。

若假设第一旋光器R1、第二旋光器R2和第三旋光器R3的旋光系数分别为α₁（λ）、α₂（λ）和α₃（λ），厚度分别为d₁、d₂和d₃，其中的λ表示光波长，λ₀为中心频率。则从上面分析可知，光脉冲第一次进入增益介质G1时，旋光色散量为α₁（λ）d₁，则第二、三、四、五次进入增益介质时旋光色散量分别为α₁（λ）d₁+α₂（λ）d₂、α₁（λ）d₁+α₂（λ）d₂+α₃（λ）d₃、α₁（λ）d₁+2α₂（λ）d₂+α₃（λ）d₃、α₁（λ）d₁+2α₂（λ）d₂+2α₃（λ）d₃。结合第一半波片HW1，可方便通过选择适当的旋光器材料及其厚度调节各次放大光谱线型。

当然，在实际应用中，该系统对光束的放大次数可不限于是5次，其值取决于第一反射镜组44的对称轴与第二反射镜组22的对称轴之间的位移量、以及光束经第一反射镜组44和第二反射镜组22的通光口径。假设第一反射镜组44的对称轴与第二反射镜组22的对称轴之间的位移量是d，第一反射镜组44的第一通光口径和第二反射镜组22的第二通光口径均为L，则该超短脉冲激光的多通放大系统的放大次数N可表示为：

另外，由于该超短脉冲激光的多通放大系统的出射光中，各光谱分量的偏振方向是色散的，为了对其进行补偿，本实用新型第一实施例中，在该超短脉冲激光的多通放大系统的出射光的光路上，还设置有一旋光色散器。该旋光色散器的旋光色散量大小与α₁（λ）d₁+2α₂（λ）d₂+2α₃（λ）d₃的相同但符号互为相反。

公知地，偏振相关的增益介质G1可以有多种，其中钛宝石晶体就具有这种特性。下面以增益介质G1为钛宝石晶体为例，说明图1所示超短脉冲激光的多通放大系统的工作过程：

对于钛宝石激光晶体，常规的切割方向是晶轴方向与光束传输方向垂直，而且光束的偏振方向与由晶轴和光束传输方向组成的平面平行（π平面）。根据测量数据，π偏振光的荧光强度是与之相垂直的σ偏振光的二倍多。光脉冲经过第一旋光器R1和第一半波片HW1，使得某一光谱分量λ₀的偏振方向和π平面平行，那么其它光谱分量的偏振方向与π平面的夹角θ(λ,λ₀)为

θ₁(λ，λ₀)=α₁(λ)L₁-α₁(λ₀)L₁    (1)

从前面的讨论可知，对于第二、三、四、五次进入增益介质G1时有

θ₂(λ，λ₀)=α₁(λ)L₁-α₁(λ₀)L₁+α₂(λ)L₂

θ₃(λ，λ₀)=α₁(λ)L₁-α₁(λ₀)L₁+α₂(λ)L₂+α₃(λ)L₃         (2)

θ₄(λ，λ₀)=α₁(λ)L₁-α₁(λ₀)L₁+2α₂(λ)L₂+α₃(λ)L₃

θ₅(λ，λ₀)=α₁(λ)L₁-α₁(λ₀)L₁+2α₂(λ)L₂+2α₃(λ)L₃

相应地，其增益函数的表达式为

G_i(λ，λ₀)=G_π(λ)cos²[θ_i(λ，λ₀)]+G_σ(λ)sin²[θ_i(λ，λ₀)]    (2)

其中，i为放大次数。于是，等价发射截面为

${\mathrm{\σ}}_i(\mathrm{\λ},{\mathrm{\λ}}_0)\∝\frac{{\mathrm{\λ}}^5{G}_i(\mathrm{\λ},{\mathrm{\λ}}_0)}{8\mathrm{\π}{\mathrm{cn}}^2\mathrm{\τI}}---\left(3\right)$

其中：

$I={\∫}_0^{\∞}[\frac{2}{3}{G}_{\mathrm{\σ}}\left(\mathrm{\λ}\right)+\frac{1}{3}{G}_{\mathrm{\π}}\left(\mathrm{\λ}\right)]\mathrm{d\λ}---\left(4\right)$

n、τ和c分别为折射率、荧光寿命和光速。可见通过每次放大π偏振方向的各个光谱位置就可得到不同的放大线型，从而达到总的放大线宽的目的。

作为特例，若选取第三旋光介质R3和第二旋光介质R2，使得其分别产生的旋光色散效应相互抵消，则光束中同一光谱分量在奇数次通过增益介质G1时的偏振方向均相同，光束中同一光谱分量在偶数次通过增益介质G1时的偏振方向均相同，即是说，图1中的光束1、光束3、光束5中的同一光谱分量在通过增益介质G1时的偏振方向均相同，光束2、光束4中的同一光谱分量在通过增益介质G1时的偏振方向均相同。从而适当的控制奇/偶数次放大的中心增益位置（即线型）可达到增大线宽的目的。

图2示出了本实用新型第二实施例提供的超短脉冲激光的多通放大系统的结构。

与图1所示不同，在本实用新型第二实施例采用了旋光色散的自补偿设计，具体而言，本实用新型第二实施例提供的超短脉冲激光的多通放大系统在本实用新型第一实施例的该超短脉冲激光的多通放大系统出射光路上，设置有一0度平面反射镜M5，同时，在第一半波片HW1的入射光入射前的光路上，设置有光束隔离器33和第五反射镜M6，且第五反射镜M6设置在第一半波片HW1和光束隔离器33之间。

与图1所示的超短脉冲激光的多通放大系统的工作过程不同，本实用新型第二实施例提供的超短脉冲激光的多通放大系统在工作时，待放大超短脉冲激光首先入射到光束隔离器33，光束隔离器33的目的是实现入射光与出射光的隔离，光束隔离器33输出的光束经第五反射镜M6反射到第一半波片HW1，之后的放大过程如上所述，经第一反射镜组44最后一次折返输出的光束由0度平面反射镜M5反射，使得光束原路返回。对于每一旋光介质来说，光束均经过多次的原路返回，于是对于最后输出的光束，旋光色散效应自动抵消。

在此种实现方式下，光脉冲放大次数增加一倍，而旋光色散效应自动补偿（当旋光器采用自然旋光介质时）。出射光脉冲通过光束隔离器33从入射光路分离。

其中，光束隔离器33采用传统结构，可包括偏振片、法拉第旋转器、半波片等。图3示出了图2中光束隔离器33的一种典型结构。

具体地，光束隔离器33包括：偏振片P、法拉第旋转器R0、第二半波片HW0，且偏振片P、法拉第旋转器R0和第二半波片HW0沿待放大超短脉冲激光的传输方向，顺次排列在待放大超短脉冲激光入射到第五反射镜M6的光路上。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超短脉冲激光的多通放大系统，其特征在于，所述多通放大系统包括：

增益介质；

两套180度的反射镜组；

二只准直/聚焦的光学透镜或凹面反射镜；以及

三个旋光器。

2.如权利要求1所述的超短脉冲激光的多通放大系统，其特征在于，所述增益介质是具有偏振相关增益特性的增益介质。

3.如权利要求1所述的超短脉冲激光的多通放大系统，其特征在于，所述三个旋光器分别为第一旋光器、第二旋光器和第三旋光器，所述第一旋光器让入射到所述增益介质的光脉冲各光谱分量产生适当的旋光色散，所述第二旋光器、所述第三旋光器改变每次入射所述增益介质的光脉冲中具有最大激光增益的偏振方向所对应的光谱分量。

4.如权利要求1所述的超短脉冲激光的多通放大系统，其特征在于，所述两套180度的反射镜组分别为第一反射镜组和第二反射镜组；

所述第一反射镜组包括相互垂直放置的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与所述第二反射镜之间留有一用于通光的空隙；

所述第二反射镜组包括相互垂直放置的第三反射镜和第四反射镜，所述第三反射镜与所述第四反射镜之间留有一用于通光的空隙，且所述第一反射镜组的对称轴相对于所述第二反射镜组的对称轴存在一可变的位移量。

5.如权利要求1所述的超短脉冲激光的多通放大系统，其特征在于，所述二只准直/聚焦的光学透镜或凹面反射镜分别为第一透镜/反射镜和第二透镜/反射镜，所述二只准直/聚焦的光学透镜或凹面反射镜结合所述两套180度的反射镜组，使得光束多次通过所述增益介质，实现多程放大。

6.如权利要求1所述的超短脉冲激光的多通放大系统，其特征在于，所述系统包括一0度的平面反射镜，将所述系统的出射光束原路返回，使得所述系统的放大倍数增加一倍，同时补偿放大脉冲的旋光色散。

7.如权利要求1所述的超短脉冲激光的多通放大系统，其特征在于，所述多通放大系统还包括：

调整所述待放大脉冲所有光谱分量的偏振方向的第一半波片。

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