本发明涉及皮秒激光放大技术领域，具体涉及一种用于皮秒种子激光脉冲的环形腔放大装置。
背景技术：
固体激光器具有高亮度、高效率、结构紧凑、性能稳定、长寿命和全固化等优点，在材料加工、医疗、科学研究、军事等领域均有着重要的应用。
皮秒激光器由于脉冲脉宽窄，在材料加工方面有着“冷加工”的优势，实现结构筒单、外形紧凑、成本低廉的高功率、高亮度的全固态皮秒激光器是固体激光器领域的研究热点之一。然而，受限于热效应对sesam半导体饱和吸收镜造成的损伤，其输出功率通常限制在～10mw量级，这样便无法满足高要求的使用需求。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种用于皮秒种子激光脉冲的环形腔放大装置，以解决现有皮秒激光器受限于热效应对sesam半导体饱和吸收镜造成的损伤，其输出功率通常限制在～10mw量级的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于皮秒种子激光脉冲的环形腔放大装置，包括皮秒种子源、偏振分束镜、第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜，其中：
所述偏振分束镜、第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜依次分别设置在呈四边的环形光路的四角处，所述皮秒种子源位于偏振分束镜的光束注入端以用于向偏振分束镜注入种子光；
所述第一平面镜和第二平面镜之间的光路中设有第一激光晶体，所述第二平面镜和第三平面镜之间的光路中设有第二激光晶体；
所述第一平面镜的外侧和第二平面镜的外侧沿第一平面镜与第二平面镜之间光束所在直线上分别对称设有第一泵浦源和第二泵浦源，所述第一泵浦源的焦斑和第二泵浦源的焦斑重合于第一激光晶体内；
所述第二平面镜外侧和第三平面镜的外侧沿第二平面镜与第三平面镜之间光束所在直线上分别对称设有第三泵浦源和第四泵浦源，所述第三泵浦源的焦斑和第四泵浦源的焦斑重合于第二激光晶体内；
所述皮秒种子源与偏振分束镜之间的光路上设有第一半波片，所述偏振分束镜与第一平面镜之间的光路上沿光束传输方向依次设有第二半波片和第一聚焦透镜，所述第三平面镜与偏振分束镜的光路上沿光束传输方向依次设有第二聚焦透镜和第三半波片。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一泵浦源与第一平面镜之间的光路上还设有第一透镜组，所述第二泵浦源与第二平面镜之间的光路上还设有第二透镜组，所述第三泵浦源与第二平面镜之间的光路上还设有第三透镜组，所述第四泵浦源与第三平面镜之间的光路上还设有第四透镜组。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源均为半导体二极管泵浦源，半导体二极管泵浦源的波长为808nm或88xnm，用于第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源输出的输出光纤的纤芯为200～400um。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体均为具有线偏振辐射性质的激光晶体，其型号为nd：yvo4或nd：gv04。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体均呈45°放置。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体均镀有泵浦光增透膜和种子光增透膜。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一激光晶体和第二激光晶体上还均连接有循环冷却水。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一平面镜与对应光路中的种子光入射光束和种子光反射光束均分别呈45°角，第二平面镜与对应光路中的种子光入射光束和种子光反射光束均分别呈45°角，第三平面镜与对应光路中的种子光入射光束和种子光反射光束均分别呈45°角。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜均镀有泵浦光增透膜和种子光高反膜。
作为本发明的进一步优选技术方案，第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜均镀有种子光增透膜。
本发明的用于皮秒种子激光脉冲的环形腔放大装置可以达到如下有益效果：
1)本发明是一个模块化的皮秒种子光放大结构，对于不同输出功率、偏振态、脉宽的皮秒种子源均可适用；
2)本发明利用激光晶体的双端泵浦结构和环形腔放大结构，极大地提高了泵浦光转换效率和种子光的放大增益；
3)本发明的装置中，可以通过调节第一聚焦透镜、第一至第四透镜组来优化种子光光斑与泵浦光光斑的模式匹配，可操作性好；
4)本发明的装置中，可以通过调节第二半波片来匹配种子光与第一激光晶体辐射光偏振方向的一致性；
5)本发明的装置中，可以通过调节第三半波片来调节放大后的种子光由偏振分束镜透射出去的功率大小；
6)本发明的装置中，可以通过优化第一至第四管泵浦源的泵浦功率来实现种子光的最佳放大效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明用于皮秒种子激光脉冲的环形腔放大装置提供的一实例的结构示意图；
图2为图1所示用于皮秒种子激光脉冲的环形腔放大装置的光路原理图；
图3为种子光的偏振原理图。
图中：1、皮秒种子源，2、第一半波片，3、偏振分束镜，4、第二半波片，5、第一聚焦透镜，6、第一平面镜，7、第一激光晶体，8、第二平面镜，9、第二激光晶体，10、第三平面镜，11、第二聚焦透镜，12、第三半波片，13、第一泵浦源，14、第一透镜组，15、第二泵浦源，16、第二透镜组，17、第三泵浦源，18、第三透镜组，19、第四泵浦源，20、第四透镜组。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，用于皮秒种子激光脉冲的环形腔放大装置包括皮秒种子源1、偏振分束镜3、第一平面镜6、第二平面镜8和第三平面镜10，其中：
所述偏振分束镜3、第一平面镜6、第二平面镜8和第三平面镜10依次分别设置在呈四边的环形光路的四角处，所述皮秒种子源1位于偏振分束镜3的光束注入端以用于向偏振分束镜3注入种子光；
所述第一平面镜6和第二平面镜8之间的光路中设有第一激光晶体7，所述第二平面镜8和第三平面镜10之间的光路中设有第二激光晶体9；
所述第一平面镜6的外侧和第二平面镜8的外侧沿第一平面镜6与第二平面镜8之间光束所在直线上分别对称设有第一泵浦源13和第二泵浦源15，所述第一泵浦源13的焦斑和第二泵浦源15的焦斑重合于第一激光晶体7内；
所述第二平面镜8外侧和第三平面镜10的外侧沿第二平面镜8与第三平面镜10之间光束所在直线上分别对称设有第三泵浦源17和第四泵浦源19，所述第三泵浦源17的焦斑和第四泵浦源19的焦斑重合于第二激光晶体9内；
所述皮秒种子源1与偏振分束镜3之间的光路上设有第一半波片2，所述偏振分束镜3与第一平面镜6之间的光路上沿光束传输方向依次设有第二半波片4和第一聚焦透镜5，所述第三平面镜10与偏振分束镜3的光路上沿光束传输方向依次设有第二聚焦透镜11和第三半波片12。
本发明的装置中，如图2所示，皮秒种子源1输出的皮秒种子光传输光路路径如下：
种子光先经过第一半波片2，用以旋转种子光的偏振方向为平行偏振；平行偏振的种子光注入偏振分束镜3，该偏振分束镜3用以透过平行偏振方向的种子光而滤除垂直偏振的种子光；透过出偏振分束镜3的种子光到达第二半波片4，其将种子光偏振方向旋转45°；旋转45°的种子光再经过第一聚焦透镜5的聚焦后入射打第一平面镜6；第一平面镜6与入射光呈45°放置，其用于反射种子光而透射泵浦光；第一平面镜6激反射的种子光经过第一激光晶体7，该激光晶体呈45°放置，用于为种子光提供增益；第二平面镜8接收来自第一激光晶体7的种子光，且于该入射光呈45°放置，以用于反射种子光而透射泵浦光；第二平面镜8反射的种子光经过呈45°放置第二激光晶体9，并入射到第三平面镜10；第三平面镜10同样与入射光呈45°放置，用于反射种子光而透射泵浦光；第三平面镜10反射的种子光再经过第二聚焦透镜11，用以准直种子光；准直后的种子光再第三半波片12以调节种子光偏振方向；最后三半波片所出射的平行偏振方向的种子光由偏振分束镜3透射输出，而垂直偏振方向的种子光由偏振分束镜3反射回环形腔，进行再次放大。
与此同时，第一泵浦源13和第二泵浦源15分别相对发射泵浦光，两者焦斑均与环形光路中传输的种子光焦斑重合于第一激光晶体7内；第三泵浦源17和第四泵浦源19分别相对发射泵浦光，两者焦斑均与环形光路中传输的种子光焦斑重合于第二激光晶体9内；在第一至第四泵浦源19的连续抽运下，种子光从第一激光晶体7和第二激光晶体9中获得增益，从而得到放大。
其中，平行偏振的种子光经过偏振分束镜3透射后，经过第二半波片4，偏振方向旋转45°，再依次经过45°放置的第一、第二激光晶体9，此时种子光偏振方向与第一、第二激光晶体9偏振辐射方向一致，种子光在第一、第二激光晶体9中获得增益，最后经第三半波片12，可以调节放大后的种子光在平行偏振和垂直偏振两个方向的分量大小，从而调节由偏振分束镜3透射出去的平行偏振种子光的功率。由偏振分束镜3反射回环形腔的垂直偏振种子光，经过第二半波片4，偏振方向旋转135°，恰好跟第一、第二激光晶体9偏振辐射方向一致，从而再次得到放大。
具体实施中，所述第一泵浦源13与第一平面镜6之间的光路上还设有第一透镜组14，所述第二泵浦源15与第二平面镜8之间的光路上还设有第二透镜组16，所述第三泵浦源17与第二平面镜8之间的光路上还设有第三透镜组18，所述第四泵浦源19与第三平面镜10之间的光路上还设有第四透镜组20。
具体实施中，所述第一泵浦源13、第二泵浦源15、第三泵浦源17和第四泵浦源19均为半导体二极管泵浦源，半导体二极管泵浦源的波长为808nm或88xnm，用于第一泵浦源13、第二泵浦源15、第三泵浦源17和第四泵浦源19输出的输出光纤的纤芯为200～400um。所述第一激光晶体7和第二激光晶体9均为具有线偏振辐射性质的激光晶体，其型号为nd：yvo4或nd：gvo4。所述第一激光晶体7和第二激光晶体9均呈45°放置，所述第一激光晶体7和第二激光晶体9均镀有泵浦光增透膜和种子光增透膜，所述第一激光晶体7和第二激光晶体9上还均连接有循环冷却水。
具体实施中，所述第一平面镜6与对应光路中的种子光入射光束和种子光反射光束均分别呈45°角，第二平面镜8与对应光路中的种子光入射光束和种子光反射光束均分别呈45°角，第三平面镜10与对应光路中的种子光入射光束和种子光反射光束均分别呈45°角，所述第一平面镜6、第二平面镜8和第三平面镜10均镀有泵浦光增透膜和种子光高反膜。
具体实施中，第一半波片2、第二半波片4、第三半波片12、第一聚焦透镜5和第二聚焦透镜11均镀有种子光增透膜。
本发明的装置，其种子光不管是平行偏振还是垂直偏振后经过第一半波片2，都会使其偏振方向跟第一或第二激光晶体9偏振辐射方向一致，其原理如图3所示：
参考图3所示，π偏振为第一或第二激光晶体9辐射偏振方向，p偏振为平行偏振，s偏振为垂直偏振，只要令2θ＝45°，即第一或第二激光晶体9呈45°放置，即可满足种子光经过第二半波片4以后，其偏振方向跟第一或第二激光晶体9偏振辐射方向始终一致。
本发明的一实施例中，在种子源注入种子光功率为0.1mw，重复频率为100khz时，通过优化四个半导体二极管泵浦功率大小以及优化种子光光斑、泵浦光光斑在第一和第二激光晶体9内的重合程度和光斑模式匹配，放大后的种子光输出功率为15.2w，放大增益最高可达105。
对放大后的激光功率进行长达6h的连续监控记录，功率波动＜3％。放大后的输出光斑圆度为0.95。
本发明装置具有放大增益高、输出功率稳定性好、输出光斑质量高的优点，放大后的皮秒激光脉冲可以广泛应用在微加工领域。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。