本发明属于固体激光技术领域，具体是一种应用于飞秒激光系统的抑制增益窄化的宽带再生放大器。
背景技术：
啁啾脉冲放大技术(cpa)在世界范围内被广泛地应用到数拍瓦(pw)超强超短激光系统。拍瓦激光系统的聚焦功率密度可以达到1022w/cm2以上，足以提供相对论条件下的超强电场，用于探索诸如电子加速、宇宙大爆炸以及粒子基本特性的极端物理条件。再生放大器可以提供高达106以上的脉冲增益以及良好的输出能量稳定性。并且其腔结构可以选择激光模式输出完美的基模光斑。以上这些特性使得再生放大器成为超强超短激光系统前端放大器的良好选择。
再生放大器一般由法拉第旋光器、λ/2波片和偏振片构成的种子光注入和放大光倒出装置以及具有增益介质的再生腔构成。再生放大的基本原理是首先从锁模高重频脉冲序列中选单，脉宽经过脉冲展宽器在时域展宽到纳秒量级，通过电光普克尔盒控制再生腔内放大的程数，最后输出增益高达106以上的放大脉冲。然而由于存在模式竞争，仅有靠近激光晶体发射谱峰值附近的光谱成分才会持续得到放大，而远离发射谱峰值波长的两侧翼光谱成分则不能放大，使得放大后光谱存在严重的增益窄化效应。由于啁啾脉冲时域宽度和频谱的宽度成正比，严重窄化的光谱使得脉冲宽度急剧下降，峰值功率提高，存在损伤光学元器件的风险。并且其对应的极限变换脉宽不能支持周期量级的飞秒脉冲，上述缺陷使得增益窄化成为超强超短激光系统必须解决的技术难题。
目前已经发展的抑制高增益再生放大器增益窄化的方法有腔内插入标准具("regenerativepulseshapingandamplificationofultrabroadbandopticalpulses."opt.lett.21,219(1996).)、腔内插入双折射滤波片("birefringentplatedesignforbroadbandspectralshapinginati:sapphireregenerativeamplifier."chin.opt.lett.5,493(2007))以及腔外可编程声光调制器("adaptive-feedbackspectral-phasecontrolforinteractionswithtransform-limitedultrashorthigh-powerlaserpulses."opt.lett.39,80(2014))。上述的抑制再生腔增益窄化的技术方案主要存在的问题有：(1)腔内插入标准具、双折射滤波片均是通过增加再生腔中增益谱峰值附近光谱损耗来实现宽带放大，该损耗使得腔内能量稳定性下降，自发辐射光放大增强，从而明显降低脉冲时域对比度；(2)腔外的可编程声光调制器件由于通过率极低，对注入再生腔的种子光能量损耗极大；(3)这些方法对于外界温度变化、光学平台振动比较敏感，要求注入的指向稳定性极高，弱化整个激光系统能量、压缩脉冲宽度稳定性。
技术实现要素：
本发明为了解决现有的抑制再生腔增益窄化技术存在的损耗大，对环境条件要求苛刻的缺陷，提出了一种基于偏振编码技术宽带高增益再生放大器，利用旋光晶体的旋光效应对宽带种子光谱成分的偏振方向进行编码，并结合激光晶体的增益偏振相关特性，通过偏振编码并调节光轴垂直的激光晶体存储光通量实现宽带的再生放大。具有宽增益带宽、高增益以及便于调节等特点。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于偏振编码技术的宽带高增益再生放大器，其特点在于，包括：激光源、种子光注入和放大光倒出装置，以及由第一凹面全反腔镜和第二平面全反腔镜构成的再生腔；
所述的种子光注入和放大光倒出装置包括第一偏振片、法拉第旋光器和第一λ/2波片；
在所述的再生腔内，沿着光传输方向依次放置有电光普克尔盒、第二偏振片、偏振编码器、增益介质；所述的偏振编码器包括沿光传输方向依次放置的第二λ/2波片和旋光晶体，所述的增益介质包括沿光传输方向依次放置的第一激光晶体和第二激光晶体，该第一激光晶体的光轴与第二激光晶体的光轴互相垂直，且均与激光的传输方向垂直。
在本发明中，所述的宽带消色差第二λ/2波片和所述的石英晶体或者类似具有旋光效应晶体一起构成偏振编码器(同时也是解码器)，使得宽带的频谱成分的偏振方向在空间上互相分开，结合所述两块光轴平行于通光面且互相垂直、掺杂浓度相同、厚度相同、增益同偏振相关的激光晶体，最终通过调节偏振编码器的编码结果和光轴垂直的激光晶体的存储光通量实现宽增益带宽，高增益再生放大。
在本发明的具体工作流程：所述的激光源输出种子光，通过第一偏振片得到水平偏振光，经过法拉第旋光器后偏振方向顺时针旋转45°(沿着光传输方向观察)，再经过第一λ/2后偏振方向逆时针旋转45°(沿着光传输方向观察)使得偏振方向恢复到水平方向，最后该水平偏振光经过第二偏振片后注入到再生腔内。再生腔内的电光普克尔盒开始时不加电压，并且通过调整电光晶体水平和俯仰角使之工作在λ/4波片状态。注入的水平偏振光通过电光普克尔盒后经第一凹面全反腔镜零度反射后再次通过电光普克尔盒，此时电光普克尔盒综合效果相当于λ/2波片，能够将脉冲的偏振方向转到竖直方向，到此已经完成再生腔种子光注入。竖直偏振的种子光经过第二偏振片的反射，反射光与入射光间角度为144°。种子光到达消色差的第二λ/2波片，该λ/2波片使得脉冲所有的波长成分的偏振方向转过相同角度θ。偏振方向旋转后的种子光经过旋光晶体，不同波长对应的偏振方向转过的角度不同，从而使得宽带种子光的不同波长对应的偏振方向得到编码。经过编码的种子光依次通过两个光轴互相垂直且垂直于光传输方向、掺杂浓度相同、厚度相同、增益同偏振相关的第一激光晶体和第二激光晶体进行放大，单程放大后的脉冲信号经过第二平面全反腔镜零度反射后原路返回。经过两个光轴互相垂直且垂直于光传输方向、掺杂浓度相同、厚度相同、增益同偏振相关的第一激光晶体和第二激光晶体再次放大，然后经过旋光晶体进行偏振解码，使得所有波长的偏振方向恢复到θ方向，再次经过消色差的第二λ/2波片，脉冲的偏振恢复到竖直偏振方向。然后经过第二偏振片反射到达电光普克尔盒。此时通过精密延时器提供的触发信号控制电源模块给电光普克尔盒电光晶体施加λ/4波电压，使其工作在λ/2波片状态。脉冲经过电光普克尔盒和第一凹面全反腔镜反射后，偏振方向保持竖直方向不变。电光普克尔盒一直通过施加λ/4波电压工作在λ/2波片状态，直到再生腔内放大达到饱和状态，此时通过精密延时器提供的触发信号控制电源模块撤销施加在电光普克尔盒电光晶体λ/4波电压，放大后的脉冲偏振方向便旋转到水平方向，透过第二偏振片倒出再生腔外。倒出后的水平偏振光通过第一λ/2波片，偏振方向沿着光传输方向观察顺时针旋转45°，法拉第旋光器后继续沿着顺时针方向转动45°，使得偏振方向转到竖直方向，通过第一偏振片的反射完成放大后脉冲的输出。
与现有的再生腔增益窄化抑制技术相比，本发明具有的优势是：
1)本发明采用的基于石英旋光片配合消色差第二λ/2波片的宽光谱偏振编码方法，理论上并没有引入损耗而是利用了激光晶体放大偏振相关的特性。
2)本发明采用的光学元器件廉价经济，易于安装、调节。并且对于入射光角度变化不是很敏感，使得再生腔能够长时间稳定工作。
3)本发明有三个调节输出光谱的自由度，分别是：第二λ/2波片光轴偏离竖直方向角度；旋光晶体厚度；两个光轴互相垂直且垂直于光传输方向的第一激光晶体和第二激光晶体的存储光通量。使得增益窄化调节方式更加灵活、高效。
附图说明
图1为本发明基于偏振编码技术的宽带高增益再生放大器实施例的结构示意图图2为本发明再生放大器中增益介质的光轴方向示意图
图3为本发明一个实施例输出的宽带放大光谱
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明基于偏振编码技术宽带高增益再生放大器一个实施例的结构示意图，如图所示，本发明基于偏振编码技术的宽带高增益再生放大器，包括：激光源1、种子光注入和放大光倒出装置2，以及由第一凹面全反腔镜8和第二平面全反腔镜15构成的再生腔；所述的种子光注入和放大光倒出装置2包括第一偏振片3、法拉第旋光器4和第一λ/2波片5；在所述的再生腔内，沿着光传输方向依次放置有电光普克尔盒7、第二偏振片6、偏振编码器9、增益介质12；所述的偏振编码器9包括沿光传输方向依次放置的第二λ/2波片10和旋光晶体11，所述的增益介质12包括沿光传输方向依次放置的第一激光晶体13和第二激光晶体14，该第一激光晶体13的光轴与第二激光晶体14的光轴互相垂直，且均与激光的传输方向垂直。
在本发明中，所述的宽带消色差λ/2波片10和所述的石英晶体或者其它具有旋光效应的旋光晶体11一起构成偏振编码器9(同时也是解码器)，使得宽带的频谱成分的偏振方向在空间上互相分开，结合所述光轴垂直于光传输方向且互相垂直的第一激光晶体13和第二激光晶体14，请参阅图2。最终通过调节偏振编码器的编码程度和第一激光晶体13和第二激光晶体14存储光通量实现宽带光谱放大。
采用掺钛蓝宝石全固体锁模激光器，输出800nm中心波长，76mhz锁模脉冲序列，每个脉冲宽度约9fs，经过基于单光栅的offner型展宽器在时域上展宽到1.5ns，通过选单将脉冲重复频率降低到10hz来匹配泵浦光的重复频率，选单后的脉冲通过第一偏振片3得到水平偏振光，经过法拉第旋光器4偏振方向顺时针旋转45°(沿着光传输方向观察)，经过第一λ/2波片5后逆时针旋转45°(沿着光传输方向观察)使得偏振方向恢复到水平方向，该水平偏振光经过第二偏振片6注入到再生腔内。再生腔内的电光普克尔盒7开始时不加电压，并且通过调整电光晶体(98％掺杂dkdp)水平和俯仰角使之工作在λ/4波片状态。注入的水平偏振光通过电光普克尔盒7后经第一凹面全反腔镜8零度反射后再次通过电光普克尔盒7，此时电光普克尔盒7综合效果相当于λ/2波片，将脉冲的偏振方向转到竖直方向。竖直偏振的种子光经过第二偏振片6时高反射率反射，入射光与反射光夹角为144°。种子光到达消色差的第二λ/2波片10，该半波片使得脉冲所有的波长成分偏振方向转过相同角度θ。偏振方向旋转后的种子光经过厚度为18mm的石英旋光片11，不同波长对应的偏振方向转过的角度不同，从而对宽带种子光偏振方进行编码。经过编码的种子光依次通过光轴垂直于光传输方向且互相垂直的第一激光晶体13和第二激光晶体14进行放大，单程放大后的脉冲信号经过第二平面全反腔镜15反射原路返回。经过光轴垂直于光传输方向且互相垂直的第一激光晶体13和第二激光晶体14再次放大，然后经过石英旋光片11进行偏振解码，使得所有波长的偏振方向恢复到θ方向，再次经过消色差的第二λ/2波片10脉冲的偏振恢复到竖直偏振方向。然后通过第二偏振片6反射到达电光普克尔盒7之前。此时通过精密延时器提供的触发信号控制电源模块给电光普克尔盒7电光晶体施加λ/4波电压，使其工作在λ/2波片状态。脉冲经过电光普克尔盒7后被第一凹面全反腔镜8零度反射后，偏振方向保持竖直方向不变。电光普克尔盒7一直施加λ/4波电压使其工作在λ/2波片状态，当脉冲在腔内经过13次往返达到饱和放大时，此时通过精密延时器提供的触发信号控制电源模块撤销施加在电光普克尔盒7电光晶体λ/4波电压，饱和放大后的脉冲偏振方向将旋转到水平方向，透过第二偏振片6倒出再生腔。倒出后的水平偏振光通过第一λ/2波片5，偏振方向沿着光传输方向观察顺时针旋转45°，法拉第旋光器4后继续沿着顺时针方向转动45°，使得偏振方向转到竖直方向，通过第一偏振片3的反射完成放大后脉冲的输出。
本发明为了抑制增益窄化，获得带宽大于100nm的宽带脉冲放大。使用消色差第二λ/2波片配合18mm厚的石英旋光片(右旋)将745nm-855nm的光谱偏振方向展宽到一个角度为60°的扇形区域。通过计算，消色差的第二λ/2波片光轴偏离竖直方向的角度应当为22°。两块光轴互相垂直的第一激光晶体13和第二激光晶体14均为掺钛蓝宝石，其尺寸为φ15mm*8mm，吸收系数为1.4cm-1。两块掺钛蓝宝石光轴互相垂直且垂直于光传输方向，光轴位置使用精密旋转调整架调节来避免光谱干涉。泵浦光从掺钛蓝宝石两个端面入射，1/e泵浦光直径为1.6mm。关键是通过控制两束泵浦光能量，使得两个光轴互相垂直且垂直于光传输方向的掺钛蓝宝石存储光通量相似。在45mj的泵浦光条件下，两块光轴互相垂直且垂直于光传输方向的掺钛蓝宝石分别吸收22mj、23mj的泵浦光。经过13程放大后输出能量为2.8mj，所得的宽带光谱如图3中所示。应当注意的是，在具体实施例中，激光晶体的尺寸、吸收系数以及再生腔的q因子都不尽相同。实际需要的石英旋光晶体的厚度和消色差半波片应当旋转的角度会有所偏差。通过调节旋光晶体的厚度以及消色差半波片的旋转角度，配合改变两块激光晶体存储光通量可以输出目标宽带宽、高增益放大激光脉冲。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。