高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统的制作方法
【专利摘要】一种高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，由激光种子脉冲源、脉冲展宽器、DPA再生腔、双通DPA模块和脉冲压缩器构成。激光种子脉冲源输出种子脉冲，首先经脉冲展宽器展宽为啁啾脉冲，然后通过DPA再生腔和双通DPA模块对其进行功率放大，最终利用脉冲压缩器对放大后的啁啾脉冲进行压缩。该系统通过在CPA框架内串联多级DPA模块的方式，且DPA模块具有多程脉冲放大的功能，可提高其脉冲功率放大能力且有效抑制非线性效应的影响。
【专利说明】高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及高功率激光脉冲放大技术，特别是一种高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统。
【背景技术】
[0002]I960年,美国Hughes实验室的Maiman发明了红宝石脉冲激光器。在毫秒级光脉冲的泵浦下，红宝石激光器输出微秒量级的尖峰序列，其峰值功率为kW量级。随后，调Q技术和锁模技术迅速发展，激光脉冲峰值功率可达GW (IO9W)量级。当继续提高激光功率时，光束自聚焦等非线性效应加剧，终而导致光学介质损伤。1985年,美国Rochester大学的D.Strickland和G.Mourou应用啁啾脉冲放大(CPA)技术很好的解决了上述难题。种子脉冲先被展宽为啁啾脉冲，经功率放大后再被压缩为超短脉冲。利用CPA技术可以使激光脉冲峰值功率达到TW (IO12W)甚至PW (IO15W)量级。CPA技术的应用打破了介质承受阈值的限制，极大的推动了超强超短激光技术的发展。但对于窄带激光脉冲，由于难以将其脉宽展宽至足够宽度，故而传统的CPA技术已不太适用。近些年来，分离脉冲放大(DPA)技术的发展为窄带激光脉冲放大问题提供了较好的解决方案。
[0003]2007 年，Shian Zhou、Frank ff.Wise 和 Dimitre G.0uzounov 提出了 分离脉冲放大(以下简称为DPA)技术，利用钒酸钇(YV04)晶体阵列实现了脉冲的分离与复合(Optics letters, 2007, 32(7):871-873)。DPA的基本原理是，先将种子脉冲分离为两个乃至多个脉冲，该脉冲序列经放大后再整合为一个脉冲。与CPA技术对比可知，利用DPA技术可以突破光谱带宽对脉冲展宽的限制，从而很好的弥补了传统CPA技术的不足。2012年，S.Roither和A.J.Verhoef等人利用Sagnac环形光路同样实现了脉冲的分离与复合，利用该方法可以更方便有效的对脉冲分离距离进行扩展和控制(Optics express, 2012，20(22): 25121-25129)。同年，L.J.Kong 和 F.W.Wise 等人利用非线性晶体阵列DPA的方法获得了峰值功率为兆瓦量级的皮秒量级脉冲(Opticsletters, 2012, 37 (2): 253-255), L.Daniault 等人利用双折射晶体阵列和 Sagnac 环形光路结构对飞秒量级脉冲进行了分离、放大与复合(Optics express, 2012, 20(19):21627-21634)。2013 年，Yoann Zaouter 和 Florent Guichard 等人将 CPA 技术和 DPA 技术结合为 CPA-DPA 技术(Optics letters, 2013，38 (2): 106-108)，并深入探讨了放大脉冲的复合与压缩等方面的问题(Optics letters, 2013, 38(21):4437-4440)。同年，MarcoKienel和Arno Klenke等人也报道了对提高脉冲复合与压缩效率等方面的研究(OpticsExpress, 2013，21(23):29031-29042 ；Optics letters, 2013，38(22):4593-4596)。然而在上述系统之中大多只包含单级DPA，仍以实现单程或双程脉冲放大为主。与已有CPA系统相t匕，现有DPA相关系统的功率放大能力仍显不足。为了加快DPA技术的实用化进程，亟需提高DPA以及CPA-DPA系统的脉冲放大效率。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种高功率激光分离啁啾脉冲放大系统，该系统大大提高了 CPA-DPA系统的脉冲功率放大能力，这将促进CPA-DPA以及DPA技术在高功率激光【技术领域】内的推
广应用。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，特点在于其构成包括激光种子脉冲源、脉冲展宽器、DPA再生腔、双通DPA模块和脉冲压缩器。激光种子脉冲源输出种子脉冲，首先经脉冲展宽器展宽为啁啾脉冲，然后通过DPA再生腔和双通DPA模块对其进行功率放大，最终利用脉冲压缩器对放大后的啁啾脉冲进行压缩。
[0007]所述的脉冲展宽器与脉冲压缩器可参考传统CPA系统中的技术方案(Optik&Photonik, 2010，5(4):30-33)。
[0008]所述的DPA再生腔的构成:在入射P偏光方向上依次放置第一薄膜偏振镜，第一泡克耳斯盒、第一 λ/4波片、第一 0°反射镜，所述第一 λ/4波片的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45° ,返回s偏光在第一薄膜偏振镜处发生反射,在s偏光反射方向上依次放置第一脉冲分离/复合器、第一激光增益介质、第二 λ/4波片、第二 0°反射镜，所述第二 λ/4波片的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45°。其工作过程可描述为，P偏光脉冲透过第一薄膜偏振镜进入腔内，依次经过未加电压的第一泡克耳斯盒、第一 λ/4波片，所述第一 λ/4波片的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45° ,于是P偏光脉冲变为圆偏光脉冲，圆偏光脉冲经第一 0°反射镜反射后再次通过第一 λ/4波片、未加电压的第一泡克耳盒，圆偏光脉冲变为s偏光脉冲,s偏光脉冲的偏振方向垂直于P偏光的偏振方向，s偏光脉冲在第一薄膜偏振镜处反射,然后经第一脉冲分离/复合器产生由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第一激光增益介质处放大并通过第二 λ/4波片，所述第二 λ/4波片的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45° ,于是线偏光脉冲序列变为圆偏光脉冲序列，圆偏光脉冲序列经第二 0°反射镜反射后再次通过第二 λ/4波片，圆偏光脉冲序列又变为由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列经再次在第一激光增益介质处放大并通过脉冲分离/复合器而合成为s偏光脉冲，s偏光脉冲经第一薄膜偏振镜反射，再依次经过加λ /4电压的第一泡克耳斯盒、第一 λ /4波片，s偏光脉冲变为P偏光脉冲，P偏光脉冲经第一 0°反射镜反射后再次通过第一 λ/4波片、加λ/4电压的第一泡克耳斯盒，P偏光脉冲又变为s偏光脉冲，于是s偏光脉冲便被锁定在腔内继续放大，当撤除第一泡克耳斯盒上所加的λ/4电压后便可在第一薄膜偏振镜处输出再生放大脉冲。
[0009]所述的双通DPA模块的构成包括:在入射P偏光方向上依次放置第二薄膜偏振镜、第一 45°法拉第旋光器、第一 λ/2波片、第三薄膜偏振镜、第二脉冲分离/复合器、第二激光增益介质、第二 45°法拉第旋光器、第三0°反射镜，调节所述第一 λ/2波片的快(慢)轴方向使得出射光仍为P偏，返回s偏光在第三薄膜偏振镜处发生反射,在s偏光反射方向上放置第四0°反射镜。其工作过程可描述为，P偏光脉冲透过第二薄膜偏振镜后，再经过第一 45°法拉第旋光器、第一 λ/2波片，调节所述第一 λ/2波片的快(慢)轴方向使得脉冲仍为P偏，P偏脉冲继续透过第三薄膜偏振镜，然后经第二脉冲分离/复合器产生由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质处放大后通过第二 45°法拉第旋光器在第三0°反射镜处反射，s偏光脉冲和P偏光脉冲两次通过第二45°法拉第旋光器后偏振方向均转过90°，脉冲序列经再次放大并通过第二脉冲分离/复合器而合成为s偏光脉冲,s偏光脉冲依次经第三薄膜偏振镜、第四0°反射镜、第三薄膜偏振镜反射后，再次经第二脉冲分离/复合器产生由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质处放大后通过第二 45°法拉第旋光器，经第三0°反射镜处反射后再次通过第二 45°法拉第旋光器，脉冲序列在第二激光增益介质处放大后并通过第二脉冲分离/复合器而合成为P偏光脉冲，P偏光脉冲透过第三薄膜偏振镜后，继续通过第一 λ /2波片、第一 45°法拉第旋光器而变为S偏光脉冲,S偏光脉冲在第二薄膜偏振镜处发生反射，如此便可实现双通DPA。
[0010]所述的脉冲分离器与脉冲复合器功能相反而结构相同，脉冲分离/复合器大体可分为双折射式和透射-反射式等两种类型。通常情况下，双折射式脉冲分离/复合器主要由双折射晶体阵列构成(请参见Optics letters, 2007, 32(7): 871-873)，透射-反射式脉冲分离/复合器则主要由薄膜偏振镜和λ/2波片或45°法拉第旋光器构成(请参见Opticsexpress, 2012, 20(22): 25121-25129)。假设脉冲分离器由N个脉冲分离单元所组成，则入射脉冲经脉冲分离器作用后将产生2N个子脉冲。
[0011]与先技术相比，本发明具有以下显著特点:
[0012]1.在CPA-DPA系统中，通过多级DPA串联的方式，提高其脉冲功率放大能力。
[0013]2.通过构建DPA再生腔和双通DPA模块，实现多程DPA，进一步提高CPA-DPA系统的脉冲放大效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统结构示意图。
[0015]图2为本发明的DPA再生腔光路结构示意图。
[0016]图3为本发明的双通DPA模块光路结构示意图。
[0017]图4为实施例中透射-反射式脉冲分离单元的光路示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0019]请先参阅图1，图1为本发明高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统结构示意图。由图可见，本发明高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，其构成包括激光种子脉冲源1、脉冲展宽器2、DPA再生腔3、双通DPA模块4和脉冲压缩器5，激光种子脉冲源I输出种子脉冲，经脉冲展宽器2展宽为啁啾脉冲，然后通过DPA再生腔3和双通DPA模块4对其进行功率放大，最终利用脉冲压缩器5对放大后的啁啾脉冲进行压缩。所述的脉冲展宽器2和脉冲压缩器3可分别米用型展宽器和Treacy型压缩器。
[0020]请参阅图2，图2为本发明的DPA再生腔的光路结构示意图。由图可见，P偏光脉冲透过第一薄膜偏振镜301进入腔内，依次经过未加电压的第一泡克耳斯盒302、第一 λ/4波片303，所述第一 λ/4波片303的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45°，于是P偏光脉冲变为圆偏光脉冲，圆偏光脉冲经第一 0°反射镜304反射后再次通过第一入/4波片303、未加电压的第一泡克耳斯盒302,圆偏光脉冲变为s偏光脉冲,s偏光脉冲的偏振方向垂直于P偏光的偏振方向，S偏光脉冲在第一薄膜偏振镜处301反射,然后经第一脉冲分离/复合器305产生由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第一激光增益介质306处放大并通过第二 λ /4波片307，所述第二 λ /4波片307的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45° ,于是线偏光脉冲序列变为圆偏光脉冲序列，圆偏光脉冲序列经第二 0°反射镜308反射后再次通过第二 λ /4波片307，圆偏光脉冲序列又变为由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第一激光增益介质306处放大并通过第一脉冲分离/复合器305而合成为s偏光脉冲，s偏光脉冲经第一薄膜偏振镜301反射，再依次经过加λ/4电压的第一泡克耳斯盒302、第一 λ/4波片303, s偏光脉冲变为P偏光脉冲，P偏光脉冲经第一 0°反射镜304反射后再次通过第一 λ /4波片303、加λ/4电压的第一泡克耳斯盒302, P偏光脉冲又变为s偏光脉冲，于是s偏光脉冲便被锁定在腔内继续放大，当撤除第一泡克耳斯盒302上所加的λ /4电压后放大脉冲在第一薄膜偏振镜301处透射输出。
[0021]请参阅图3，图3为本发明的双通DPA模块的光路结构示意图。由图可见，P偏光脉冲透过第二薄膜偏振镜401后，再经过第一 45°法拉第旋光器402、第一 λ/2波片403，调节所述第一 λ /2波片403的快(慢)轴方向使得脉冲仍为P偏，P偏脉冲继续透过第三薄膜偏振镜404,然后经第二脉冲分离/复合器405产生由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质406处放大后通过第二 45°法拉第旋光器407在第三0°反射镜408处反射,s偏光脉冲和P偏光脉冲两次通过第二 45°法拉第旋光器407后偏振方向均转过90°，脉冲序列在第二激光增益介质406处放大并通过第二脉冲分离/复合器405而合成为s偏光脉冲，s偏光脉冲依次经第三薄膜偏振镜404、第四0°反射镜409、第三薄膜偏振镜404反射后，再次经第二脉冲分离/复合器405产生由s偏光脉冲和P偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质406处放大后通过第二 45°法拉第旋光器407，经第三0°反射镜处408反射后再次通过第二 45°法拉第旋光器407，脉冲序列在第二激光增益介质406处放大并通过第二脉冲分离/复合器405而合成为P偏光脉冲，P偏光脉冲透过第三薄膜偏振镜404后,继续通过第一 λ/2波片403、第一 45°法拉第旋光器402而变为s偏光脉冲，s偏光脉冲在第二薄膜偏振镜401处反射输出。
[0022]所述的脉冲分离/复合器由若干透射-反射式脉冲分离单元串联而成。请参阅图4，图4为透射-反射式脉冲分离单元的光路示意图。由图可见，入射P偏光或s偏光脉冲透过第二 λ /2波片0501后其偏振方向转过45°，所述第二 λ /2波片0501的快(慢)轴方向与光脉冲原偏振方向之间的夹角为22.5° ,该光脉冲经由第四薄膜偏振镜0502分离为一个P偏光子脉冲和一个s偏光子脉冲,P偏光子脉冲透过第四薄膜偏振镜0502、第五薄膜偏振镜0506, s偏光子脉冲依次经第四薄膜偏振镜0502、第一 45°反射镜0503、第二 45°反射镜0504、第五薄膜偏振镜0506反射,第一 45°反射镜0503和第二 45°反射镜0504安装在第一平移台0505上，通过移动第一平移台0505可以改变s偏光子脉冲的光程，P偏光子脉冲和s偏光子脉冲经由第五薄膜偏振镜0506而实现共线传播。经放大返回后的子脉冲偏振方向均转过45° ,即原P偏光子脉冲变为s偏光子脉冲而s偏光子脉冲变为P偏光子脉冲。P偏光子脉冲透过第五薄膜偏振镜0506、第四薄膜偏振镜0502，s偏光子脉冲依次经第五薄膜偏振镜0506、第二 45°反射镜4、第一 45°反射镜0503、第四薄膜偏振镜0502反射，P偏光子脉冲和S偏光子脉冲在第四薄膜偏振镜0502处复合为一个光脉冲,该光脉冲透过第二 λ /2波片0501后的偏振方向与原入射脉冲的偏振方向相同或垂直。
【权利要求】
1.一种高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，特征在于其构成包括激光种子脉冲源(1)、脉冲展宽器(2)、0卩八再生腔(3)、双通DPA模块(4)和脉冲压缩器(5)，激光种子脉冲源(I)输出种子脉冲，经脉冲展宽器(2)展宽为啁啾脉冲，然后通过DPA再生腔(3)和双通DPA模块(4)对其进行功率放大，最终利用脉冲压缩器(5)对放大后的啁啾脉冲进行压缩。
2.根据权利要求1所述的高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，其特征在于，所述的DPA再生腔(3)的构成包括:在入射的P偏光方向上依次放置第一薄膜偏振镜(301),第一泡克耳斯盒(302)、第一 λ/4波片(303)、第一 0°反射镜(304)，所述第一 λ/4波片(303)的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45° ,返回s偏光在第一薄膜偏振镜(301)处发生反射,在s偏光反射方向上依次放置第一脉冲分离/复合器(305)、第一激光增益介质(306)、第二 λ/4波片(307)、第二 O°反射镜(308)，所述第二 λ/4波片(307)的快(慢)轴方向与P偏光的偏振方向之间的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，其特征在于，所述的双通DPA模块(4)的构成包括:在入射P偏光方向上依次放置第二薄膜偏振镜(401)、第一 45°法拉第旋光器(402)、第一 λ/2波片、第三薄膜偏振镜(404)、第二脉冲分离/复合器(405)、第二激光增益介质(406)、第三45°法拉第旋光器(407)、第三O°反射镜(408)，调节所述第一 λ/2波片(403)的快(慢)轴方向使得出射光仍为P偏，返回s偏光在第三薄膜偏振镜(404)处发生反射,在s偏光反射方向上放置第四0°反射镜(409)。
【文档编号】H01S3/11GK103928837SQ201410160166
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】张宗昕, 冷雨欣, 陆效明, 邹晓 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所