激光器及基于增益光栅压缩脉宽及提高能量的方法与流程

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种新型超短脉冲激光器及基于增益光栅压缩脉宽及提高能量的方法。

背景技术：

目前获得超短脉冲激光的技术手段主要是锁模，但是通过传统锁模方式实现的超短脉冲激光器如飞秒激光器具有十分明显的缺点，例如结构复杂，工作条件对腔内光功率密度和外界环境十分敏感等。具有上述缺点一方面的原因是由于目前超短脉冲激光器通常是利用被动非线性器件产生周期性调制，或利用激活介质本身的非线性效应对振荡光束进行强度调制、相位锁定。超短脉冲激光器要求腔内功率密度足够高，但是过度的自调制会引起锁模的不稳定，对外界的扰动非常灵敏，因此通过这种方式获得飞秒激光脉冲的条件十分苛刻；另一方面，锁模激光器的重复频率通常为mhz量级，具有较高的重复频率及较高的平均输出功率，但其单脉冲能量较低。通过锁模技术直接获得高重复频率激光脉冲时间间隔非常小，在材料加工过程中，激光脉冲与材料作用过程中产生的等离子体无法及时散去，会产生等离子体屏蔽效应，严重影响激光加工效率和质量。实验研究结果表明，当重复频率小于1mhz时，等离子屏蔽效应较弱，激光脉冲能量较高，加工速率和加工效果明显提升。

同时，锁模激光器机械敏感度高，光路校准困难。为了降低锁模激光器的重复频率，同时提高平均功率和脉冲能量，保持脉冲稳定性，需要额外使用脉冲选择器、激光放大器等设备，明显增加了激光系统的复杂程度、技术难度以及成本。

基于环形谐振腔产生的增益光栅主要由四波混频效应、自泵浦相位共轭效应和双相位共轭效应等非线性效应作用而形成，具有非线性特性，自适应匹配激光波长，大于1的衍射效率，高的空间和频谱选择性等。形成增益光栅的基本机制是两束相干光束在饱和增益介质中干涉形成空间烧孔，相干光束中的任何位相信息都将被写入到增益光栅中，该光栅可以被看作三维体全息图，能够对产生的激光进行空间调制、时间调制、光谱滤波和相位补偿等。美国的g.a.rakuljic和v.leyva在光折变材料中利用二波混频效应，实现了投射式和反射式全息体光栅，滤波带宽0.0125nm(opt.lett.1993,18(6):459～461)。m.j.damzen课题组理论研究了增益光栅的滤波特性以及光谱演化过程，研究结果证明采用增益光栅的自适应激光谐振腔中，增益光栅能够选模实现单纵模激光输出(ieeej.ofquantumelectron.2000,36(7):802～809)。这些研究表明，利用四波混频效应形成相位共轭，产生增益光栅，能够对激光的空间、频谱和瞬态特性进行控制，能够对腔内光束实现光谱滤波。

虽然国外研究人员在增益光栅光谱滤波方面的研究取得了很大的进展，但是仍未充分利用增益光栅的光谱滤波特性，应用于注入激光脉冲宽度压缩的研究中。同时，传统脉冲压缩方法由于利用了非线性压缩技术或使用了窄带滤波器，将极大的损失脉冲能量，因此很难从原理上实现高效率、高能量超短脉冲压缩输出。

技术实现要素：

为解决技术传统锁模超短脉冲激光器对工作环境的高度依赖性，以及传统脉冲压缩技术效率极低的问题，本发明提出的一种基于增益光栅压缩脉宽及提高能量的方法及激光器，在增益带宽范围内能够自适应光谱滤波、选模、补偿相位，获得高光束质量、高脉冲能量的激光输出，在脉冲压缩及脉冲能量放大的方面具有极大的潜力，进一步拓展了增益光栅的应用范围。

本发明的技术解决方案是提供一种激光器，其特殊之处在于：包括脉冲种子激光1与环形谐振腔，上述环形谐振腔包括沿光路依次设置的第一激光增益介质31、位置可调的全反棱镜51、透镜间距可调的透镜组53、第二激光增益介质32、非互易元件及耦合输出镜7；

还包括第一半导体泵浦源33和第二半导体泵浦源34，所述第一半导体泵浦源33和第二半导体泵浦源34分别为第一激光增益介质31和第二激光增益介质32提供增益；

脉冲种子激光1发出的脉冲激光以一定角度通过第一激光增益介质31，然后先后进入位置可调的全反棱镜51与透镜间距可调的透镜组53，上述位置可调的全反棱镜51与透镜间距可调的透镜组53分别用于调整整个环形谐振腔长及脉冲激光模场大小；再通过第二激光增益介质32，上述第二激光增益介质32用于放大激光脉冲能量；之后通过非互易元件，调整激光透射系数大小后水平再次通过第一激光增益介质31，最后通过耦合输出镜7出射。

脉冲种子激光以一定夹角两次通过第一激光增益介质，在第一激光增益介质中，脉冲种子激光以一定夹角相交，利用空间烧孔效应和光束干涉作用产生增益光栅，外部注入的脉冲种子激光在环形谐振腔内往返振荡，实现脉冲压缩。在第二激光增益介质32中，外部注入的脉冲种子激光在环形谐振腔内往返振荡，提取第二激光增益介质32的增益，进一步实现了脉冲能量放大。通过控制计算机操纵第一精密步进电机带动全反棱镜，实现对环形谐振腔长的精确控制；通过控制计算机操纵第二精密步进电机控制透镜组的位置，实现对环形谐振腔内脉冲激光模场大小的精确控制。以此改变并优化第一激光增益介质中增益光栅的频谱滤波特性和非线性特性，实现高效率脉冲压缩，最终输出超短脉冲激光。

优选地，上述激光器还包括位于脉冲种子激光1与环形谐振腔之间的1/2波片21、位于非互易元件与第一激光增益介质31之间的1/2波片22、位于第一激光增益介质31与耦合输出镜7之间的1/2波片23；位于第一激光增益介质31与位置可调的全反棱镜51之间的两个全反射镜41、42，位于全反棱镜51与透镜组53之间的全反射镜43，位于透镜间距可调的透镜组53与第二激光增益介质32之间的全反射镜44，位于第二激光增益介质32与非互易元件之间的全反射镜45及位于非互易元件与第一激光增益介质31之间的全反射镜46。

优选地，上述非互易元件包括依次设置的偏振分光棱镜61、法拉第旋转器62、1/2波片24、偏振分光棱镜63。

优选地，上述位置可调的全反棱镜51安装在精密步进电机52上；上述透镜间距可调的透镜组53安装在精密步进电机54上；上述精密步进电机54沿脉冲激光路径移动。

优选地，上述第一激光增益介质31和第二激光增益介质32为nd:yag、nd:yvo4、nd:gdo4、nd:ylf、yb:yag、nd:glass掺杂稀土元素的激光晶体、玻璃或陶瓷。

优选地，上述第一半导体泵浦源33和第二半导体泵浦源34为单个半导体巴条或多个半导体巴条。

本发明还提供另外一种激光器，其特殊之处在于：包括脉冲种子激光1与环形谐振腔，上述环形谐振腔包括一个a单元及至少一个b单元，上述a单元沿光路依次设置有第一激光增益介质31、位置可调的全反棱镜51、透镜间距可调的透镜组53、第二激光增益介质32及非互易元件；

a单元还包括第一半导体泵浦源33与第二半导体泵浦源34，上述第一半导体泵浦源和第二半导体泵浦源34分别为第一激光增益介质31和第二激光增益介质32提供增益；

所述b单元沿光路依次设置有第三激光增益介质35、第四激光增益介质36、非互易元件及耦合输出射镜7；

b单元还包括第三半导体泵浦源37与第四半导体泵浦源38，上述第三半导体泵浦源37和第四半导体泵浦源38分别为第三激光增益介质35和第四激光增益介质36提供增益；

a单元的出射光通过1/2波片进入b单元；

脉冲种子激光1发出的脉冲激光以一定角度通过第一激光增益介质31，然后先后进入位置可调的全反棱镜51与透镜间距可调的透镜组53，所述位置可调的全反棱镜51与透镜间距可调的透镜组53分别用于调整整个环形谐振腔长及脉冲激光模场大小；再通过第二激光增益介质32，所述第二激光增益介质32用于放大激光脉冲能量；之后通过非互易元件，调整激光透射系数大小后，后水平再次通过第一激光增益介质31，再通过1/2波片依次进入第三激光增益介质35、第四激光增益介质36、非互易元件后，再次以一定角度通过第三激光增益介质35，最后耦合输出镜7出射。

脉冲种子激光1以一定夹角两次通过第一激光增益介质31和第三激光增益介质35，在第一激光增益介质31和第三激光增益介质35中，脉冲种子激光1以一定夹角相交，利用空间烧孔效应和光束干涉作用产生增益光栅，外部注入的脉冲种子激光1在两组环形谐振腔内往返振荡，实现脉冲压缩。第一半导体泵浦源33、第二半导体泵浦源34、第三半导体泵浦源37、第四半导体泵浦源38分别为第一激光增益介质31、第二激光增益介质32、第三激光增益介质35、第四激光增益介质36提供增益。在第二激光增益介质32和第四激光增益介质36中，外部注入的脉冲种子激光1在环形谐振腔内往返振，提取第二激光增益介质32和第四激光增益介质38的增益，进一步实现了脉冲能量放大。通过控制计算机操纵精密步进电机52带动全反棱镜10调整，实现对环形谐振腔长的精确控制；通过控制计算机操纵精密步进电机54带动透镜组53调整，实现对环形谐振腔内脉冲激光模场大小的精确控制。以此改变并优化第一激光增益介质31和第三激光增益介质35中增益光栅的频谱滤波特性和非线性特性，实现高效率脉冲压缩，最终输出超短脉冲激光。

本发明还提供一种基于增益光栅压缩脉宽及提高能量的方法，包括以下步骤：

1)调整外部注入的脉冲种子激光1的相位后使脉冲种子激光1以一定角度通过第一激光增益介质31；

2)通过调整从第一激光增益介质31出射的脉冲激光的光程来调整整个环形谐振腔长；再调整整个环形谐振腔脉冲激光模场大小；

3)控制调整激光模场后的脉冲激光进入第二激光增益介质32，放大脉冲激光能量；

4)调整放大后的脉冲激光的激光透射系数后，再次水平进入第一激光增益介质31；

5)调整步骤4)中第一激光增益介质31的出射脉冲激光的相位后，将部分脉冲激光反射回第一激光增益介质31中形成四波混频，利用空间烧孔效应和光束干涉作用产生增益光栅，实现脉冲压缩，输出压缩脉冲。

优选地，可以通过1/2波片21调整外部注入的脉冲种子激光1的相位；

脉冲激光的光程通过位置可调的全反棱镜51调整，整个环形谐振腔激光脉冲模场通过透镜间距可调的透镜组53调整；

上述步骤2)具体为：

从第一激光增益介质31出射的脉冲激光经过位置可调的全反棱镜51，通过调整位置可调的全反棱镜51的位置调整激光脉冲的光程即调整整个环形谐振腔长；

再经全反棱镜51反射至透镜间距可调的透镜组53，通过调整透镜间距调整整个环形谐振腔脉冲激光模场大小。

优选地，步骤4)中放大后的脉冲激光的激光透射系数通过非互易元件调整，所述非互易元件包括依次设置的偏振分光棱镜61、法拉第旋转器62、1/2波片24、偏振分光棱镜63。

优选地，步骤5)中通过耦合输出镜7反射及输出部分脉冲激光；通过精密步进电机52控制全反棱镜51的位置；通过精密步进电机52控制透镜组53中透镜的间距。

上述耦合输出镜7反射的脉冲激光中的部分脉冲激光可以多次重复步骤2)至步骤5)。

本发明的有益效果是：

本发明利用增益光栅的特性，应用于外部注入激光脉冲宽度压缩的研究中，通过全新的思路实现了外部注入激光脉冲压缩的同时放大了脉冲能量，相较于目前出现过的脉冲压缩方式具有效率高、适应性好、可扩展的优势。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图中附图标记为：1-脉冲种子激光，21、22、23、24、25、26、27-1/2波片，31-第一激光增益介质，32-第二激光增益介质，33-第一半导体泵浦源，34-第二半导体泵浦源，35-第三激光增益介质，36-第四激光增益介质，37-第三半导体泵浦源，38-第四半导体泵浦源，41、42、43、44、45、46、47、48、49、411-全反射镜，51-全反棱镜，52、54-精密步进电机，53-透镜组，61、63、64、65-偏振分光棱镜，62、621-旋转器，7-耦合输出镜。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本发明方法主要包括以下步骤：

1)调整外部注入的脉冲种子激光1的相位后使脉冲种子激光1以一定角度(与第一激光增益介质31水平面的夹角)通过第一激光增益介质31；

2)通过调整从第一激光增益介质31出射的脉冲激光的光程来调整整个环形谐振腔长；再通过调整透镜间距可调的透镜组53中的透镜间距来调整整个环形谐振腔脉冲激光模场大小；

3)控制调整激光模场后的脉冲激光进入第二激光增益介质32，放大脉冲激光能量；

4)放大后的脉冲激光经过非互易元件，调整激光透射系数大小后，再次水平进入第一激光增益介质31；

5)调整步骤4)中第一激光增益介质31的出射脉冲激光的相位后，使脉冲激光到达耦合输出镜7，耦合输出镜7将脉冲激光部分反射回第一激光增益介质31中形成四波混频，利用空间烧孔效应和光束干涉作用产生增益光栅，实现脉冲压缩，压缩脉冲通过耦合输出镜7输出；耦合输出镜7反射的脉冲激光中的部分脉冲激光多次重复步骤2)至步骤5)。

通过1/2波片21调整外部注入的脉冲种子激光1的相位；通过精密步进电机52调整全反棱镜51的位置，同时通过精密步进电机54调整透镜组53中透镜的间距，步骤2)可以具体为：

从第一激光增益介质31出射的脉冲激光经过位置可调的全反棱镜51，通过调整位置可调的全反棱镜51的位置调整激光脉冲的光程即调整整个环形谐振腔长；

再经全反棱镜51反射至透镜间距可调的透镜组53，通过调整透镜间距调整整个环形谐振腔脉冲激光模场大小。

实施例一

从图1可以看出，本实施例激光器包括脉冲种子激光1与环形谐振腔，所述环形谐振腔包括沿光路依次设置的第一激光增益介质31、全反射镜41、全反射镜42、位置可调的全反棱镜51、全反射镜43、透镜间距可调的透镜组53、全反射镜44、第二激光增益介质32、全反射镜45、非互易元件、全反射镜46、1/2波片22及耦合输出镜7；脉冲种子激光1与环形谐振腔之间还设置有1/2波片21。

非互易元件包括依次设置的偏振分光棱镜61、法拉第旋转器62、1/2波片24、偏振分光棱镜63。

还包括第一半导体泵浦源33和第二半导体泵浦源34，第一半导体泵浦源33和第二半导体泵浦源34分别为第一激光增益介质31和第二激光增益介质32提供增益；第一激光增益介质31和第二激光增益介质32是nd:yag、nd:yvo4、nd:gdo4、nd:ylf、yb:yag、nd:glass等掺杂稀土元素的激光晶体、玻璃或陶瓷。第一半导体泵浦源33和第二半导体泵浦源34为单个半导体巴条或多个半导体巴条。

位置可调的全反棱镜51及透镜间距可调的透镜组53分别安装在精密步进电机52、54上。精密步进电机由控制计算机操纵并沿脉冲激光传播方向移动。精密步进电机52带动全反棱镜51移动，实现对环形谐振腔长的精确控制；精密步进电机54带动透镜组53，实现对环形谐振腔内脉冲激光模场大小的精确控制。

其中，脉冲种子激光1经过1/2波片21调整相位后，以一定角度通过第一激光增益介质31，经全反射镜41和42反射至全反棱镜51，全反棱镜51安装在精密步进电机52上，实现对谐振腔长的精确控制。脉冲激光再通过全反射镜43进入透镜组53，通过调整透镜组53中的透镜间距，实现对脉冲激光光束尺寸的控制。经全反射镜44反射后，脉冲激光进入第二激光增益介质32，实现脉冲能量放大。偏振分光棱镜61、法拉第旋转器62、1/2波片24、偏振分光棱镜63构成非互易元件，通过旋转1/2波片24改变非互易元件的顺时针和逆时针透射系数大小。激光脉冲通过非互易元件后再次进入第一激光增益介质31，与第一次注入的激光脉冲以一定夹角相交，通过第一激光增益介质31后，经1/2波片23调整相位，耦合输出镜7部分反射后回到第一激光增益介质31中形成四波混频，利用空间烧孔效应和光束干涉作用产生增益光栅，实现脉冲压缩，压缩脉冲通过耦合输出镜7输出；耦合输出镜7反射回的部分脉冲激光可多次依次通过第一激光增益介质31、全反棱镜51、透镜组53、第二激光增益介质32、非互易元件后再次进入第一激光增益介质31，实现脉冲压缩，压缩脉冲通过耦合输出镜7输出。

实施例二

从图2可以看出，本实施例激光器包括脉冲种子激光1与环形谐振腔，所述环形谐振腔包括沿光路依次设置的第一激光增益介质31、全反射镜41、全反射镜42、位置可调的全反棱镜51、全反射镜43、透镜间距可调的透镜组53、全反射镜44、第二激光增益介质32、全反射镜45、非互易元件、全反射镜46、1/2波片22、1/2波片23、第三激光增益介质35、1/2波片26、全反射镜47、全反射镜48、第四激光增益介质36、全反射镜49、偏振分光棱镜64、法拉第旋转器621、1/2波片27、偏振分光棱镜65、全反射镜411及耦合输出镜7，以1/2波片23为节点依次构成两组环形组件即环形谐振腔(可根据脉冲压缩率及脉冲能量的需要，环形谐振腔个数可以不断扩展)，还包括设置于脉冲种子激光1与环形谐振腔之间的1/2波片21。

还包括第一半导体泵浦源33、第二半导体泵浦源34、第三半导体泵浦源37及第四半导体泵浦源38，第一半导体泵浦源33、第二半导体泵浦源34、第三半导体泵浦源37及第四半导体泵浦源38分别为第一激光增益介质31、第二激光增益介质32、第三激光增益介质35、第四激光增益介质36提供增益；第一激光增益介质31、第二激光增益介质32、第三激光增益介质35、第四激光增益介质36是nd:yag、nd:yvo4、nd:gdo4、nd:ylf、yb:yag、nd:glass等掺杂稀土元素的激光晶体、玻璃或陶瓷。第一、第二、第三及第四半导体泵浦源为单个半导体巴条或多个半导体巴条。

位置可调的全反棱镜51及透镜间距可调的透镜组53分别安装在精密步进电机52、54上。精密步进电机由控制计算机操纵并沿脉冲激光传播路径移动。精密步进电机52带动全反棱镜51，实现对环形谐振腔长的精确控制；精密步进电机54带动透镜组53，实现对环形谐振腔内脉冲激光模场大小的精确控制。

其中，脉冲种子激光1经过1/2波片21调整相位后，以一定夹角通过第一激光增益介质31，经全反射镜41和42反射至全反棱镜51，全反棱镜51安装在精密步进电机52上，实现对谐振腔长的精确控制。脉冲激光再通过全反射镜43进入透镜组53，通过调整透镜组53中的透镜间距，实现对脉冲激光光束尺寸的控制。经全反射镜44反射后，脉冲激光进入第二激光增益介质32，实现脉冲能量放大。偏振分光棱镜61、法拉第旋转器62、1/2波片24、偏振分光棱镜63构成非互易元件，通过旋转1/2波片24改变非互易元件的顺时针和逆时针透射系数大小。激光脉冲通过非互易元件后再次进入第一激光增益介质31，与第一次注入的激光脉冲以一定夹角相交，通过第一激光增益介质31后，经1/2波片23调整相位后进入第三激光增益介质35，经全反射镜47和全反射镜48反射通过第四激光增益介质36，实现脉冲能量放大。偏振分光棱镜64、法拉第旋转器621、1/2波片27、偏振分光棱镜65构成非互易元件，通过旋转1/2波片27改变非互易元件的顺时针和逆时针透射系数大小；激光脉冲通过非互易元件后再次进入第三激光增益介质35，与第一次注入的激光脉冲以一定夹角相交，通过第三激光增益介质35后，经1/2波片26调整相位，耦合输出镜7部分反射后回到第一激光增益介质31中形成四波混频，利用空间烧孔效应和光束干涉作用产生增益光栅，实现脉冲压缩，压缩脉冲通过耦合输出镜7输出。耦合输出镜7反射回的部分脉冲激光可多次依次通过第一激光增益介质31、全反棱镜51、透镜组53、第二激光增益介质32、非互易元件后，再次通过第一激光增益介质31，第三激光增益介质35、第四激光增益介质36后再次进入第三激光增益介质35实现脉冲压缩，压缩脉冲通过耦合输出镜7输出。