一种皮秒太瓦CO2激光放大器泵浦装置的制作方法

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种皮秒太瓦co2激光放大器泵浦装置。

背景技术：

近年来，由于激光等离子加速(lpa)应用对中红外超短超强激光驱动器的需求牵引，co2超短脉冲放大器的研究有了很大突破。在激光脉冲与等离子体相互作用过程中，由于强激光脉冲传递给带电粒子的能量正比于iλ²(i为光强，λ为波长)，长波长红外激光与短波长的固体激光相比有着非常大的优势。要获得波长在10μm附近中红外波段的高增益、高能量的激光输出，co2激光是目前唯一的选择。由于激光等离子体加速等需求，超短超强co2激光系统极有可能成为下一代lpa产生高能质子(离子)、电子束的主力光源，皮秒太瓦co2激光放大器加快发展。

超短激光脉冲的多级放大需要一个连续平滑增益谱，其带宽需要比傅里叶变换受限的输入脉冲的频谱更宽。然而，co2分子增益谱线是不连续的，co2分子的增益谱是由一系列分立的窄带的谱线组成，每根谱线对应于一个分子转动能级跃迁。只有当放电气压高达25atm时，由于碰撞加宽的作用，co2分子的常规带10p支(10.6μm带)的增益谱才接近连续，增益的带宽约为1.2thz。前级再生放大输入脉冲一般为ps-nj或ps-μj量级，这种强度脉冲光束的电场引起谱线的场致加宽(交流stark效应)不足以使得在整个增益带上实现一个连续谱线。由于co2分子增益谱特性，输入再生放大器的单脉冲会分裂为一系列分立的脉冲，影响下一级放大器。受限于co2分子的增益谱线窄带宽、离散化的特性，在高增益带宽介质中广泛应用的啁啾放大技术(cpa)很难在co2激光器中实现。要解决离散周期谱线的调制问题，主要通过两个途径：采用同位素增加谱线密度和高气压使单个转动能级的谱线加宽。然而，高纯同位素非常昂贵，精确控制同位素分子的浓度也相当困难。tea(transverslyexcitedatmospheric，横向激励大气压)放电系统的实际工作电压远远小于25atm，此时co2分子的增益谱表现出离散的分离特性。一个超短脉冲通过增益谱为离散或者离散的放大器后，超短脉冲中只有部分频率分量被放大，而有一部分频率分量得不到有效放大，在时域的表现为输入的单个脉动受到谱线间隔决定的固有频率的调制而分裂为一系列固定时间间隔的脉冲。当放电气压提高到25atm时，增益谱为近似连续，可是，在如此高的气压条件下很难获得稳定的大体积辉光放电。15atm稳定辉光放电已经接近目前放电技术条件的极限，且放电区体积很小。因此，想要通过提高放电气压来实现连续谱co2放大也非常困难。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本申请提供了一种皮秒太瓦co2激光放大器泵浦装置，旨在解决co2分子增益谱离散化与窄线宽的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种皮秒太瓦co2激光放大器泵浦装置，包括激光泵浦模块、电泵浦模块和激光谐振腔；激光泵浦模块的轴线、电泵浦模块的电场方向和激光谐振腔的轴线三者彼此正交且相交于激光谐振腔的中心；激光泵浦模块用于泵浦co2分子00⁰3序列带；电泵浦模块用于泵浦co2分子00⁰1常规带；激光谐振腔通过激光泵浦模块和电泵浦模块同时泵浦的方法，利用谱线交叉重叠使得混合增益谱线展宽，用于实现激光输出。

激光泵浦模块包括依次同轴设置的半导体泵浦固体激光器和准直器，准直器用于将所述半导体泵浦固体激光器产生的泵浦光准直。其中，在co2激光器运行状态下，半导体泵浦固体激光器输出泵浦激光，通过准直器将泵浦光准直，经过泵浦光输入窗口进入激光谐振腔，在激光谐振腔来回反射，形成泵浦激光振荡方向，使co2分子跃迁到00⁰3能级，提高泵浦效率。同时，通过阴极和阳极在激光co2激光放电区放电，使co2分子跃迁到00⁰1能级。本发明能够利用序列带增益谱线与常规带增益交叉重叠特性，加密增益谱，提升co2分子序列带增益。

优选地，半导体泵浦固体激光器的固体增益介质为cr⁴⁺：yag。

优选地，半导体泵浦固体激光器的泵浦源为半导体激光、高效yb光纤激光或者nd：yag激光。

电泵浦模块包括阴极和阳极，在阴极和阳极之间加高压放电。

激光谐振腔包括泵浦柱面聚光腔、3个泵浦激光反射镜、co2激光后反射镜和co2激光输出镜；泵浦柱面聚光腔和设置于泵浦柱面聚光腔的三个角的3个泵浦激光反射镜用于搭建泵浦激光来回反射光路，co2激光后反射镜用于反射co2激光，co2激光输出镜用于输出co2激光。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种基于电光混合泵浦序列带增益的皮秒太瓦co2激光放大器，通过在放电激励的同时进行光泵浦，利用序列带增益谱线与常规带增益谱线交叉重叠的特性加密增益谱，使得混合增益谱线展宽，实现连续谱皮秒co2脉冲放大；

(2)本发明提出的皮秒太瓦co2激光放大器，利用序列带增益谱线与常规带增益谱线交叉重叠的特性，减缓脉冲经过后的频谱分裂现象，避免激光能量能分配到输入的单脉冲被调制后分裂为一系列分立的的ps脉冲上去导致单个ps脉冲的能量过低，提高超短脉冲的放大效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的co2激光放大器泵浦装置的结构示意图；

图2(a)为本发明提供的co2激光放大器泵浦装置的co2分子00⁰3序列带与00⁰1常规带谱线示意图；

图2(b)为本发明提供的co2激光放大器泵浦装置的co2分子00⁰3序列带与00⁰1常规带增益谱在10.6μm区域的交叉重叠示意图；

图3为本发明实施例提供的co2激光放大器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的co2激光放大器的激光谐振腔的结构示意图；

图5(a)～(c)为本发明实施例提供的co2激光放大器泵浦装置的效果图。

其中，1为固体激光工作物质晶体，2为半导体泵浦，3为1.47μm半导体泵浦固体激光器，4为准直器，5为泵浦光输入窗口，6为co2激光后反射镜，7为气体放电观察窗，8为导流板，9为主热交换器，10为阴极，11为co2激光输出镜，12为泵浦柱面聚光腔，13为阳极，14为光桥，15为副热交换器，16为风机，17为供电输入端，18为高压变压器，19为高压整流器，20为充气部分，21为真空系统，22为1.47μm泵浦激光，23为激光co2气流方向，24为co2气流导向板，25为泵浦激光反射镜，26为激光输出方向，27为泵浦激光振荡方向，28为激光co2气体放电区。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种皮秒太瓦co2激光放大器泵浦装置，包括激光泵浦模块、激光谐振腔和电泵浦模块；激光泵浦模块的轴线、电泵浦模块的电场方向和激光谐振腔的轴线三者彼此正交且相交于激光谐振腔的中心；激光泵浦模块用于泵浦co2分子00⁰3序列带；电泵浦模块用于泵浦co2分子00⁰1常规带；激光谐振腔通过激光泵浦模块和电泵浦模块同时泵浦的方法，利用谱线交叉重叠使得混合增益谱线展宽，用于实现激光输出。

如图1所示，激光泵浦模块包括依次同轴设置的半导体泵浦固体激光器3和准直器4，准直器4用于将所述半导体泵浦固体激光器3产生的泵浦光准直。如图2所示，co2分子吸收谱中从基态00⁰0到序列带00⁰3的跃迁有一条较强的吸收线，该谱线对应的光波长约为1.47μm，因此采用1.47μm半导体泵浦固体激光器3进行泵浦。固体高效增益介质采用的cr⁴⁺：yag是非常理想的近红外波长工作的高效增益介质，泵浦源采用的nd：yag具有体积小、效率高的优势。

电泵浦模块包括阴极10和阳极13，在阴极10和阳极13之间加高压，阴极10和阳极13在激光co2气体放电区28放电。

激光谐振腔包括泵浦柱面聚光腔12、3个泵浦激光反射镜25、co2激光后反射镜6和co2激光输出镜11；泵浦柱面聚光腔12和设置于泵浦柱面聚光腔12的三个角的3个泵浦激光反射镜25用于搭建泵浦激光来回反射光路，将泵浦光限制在激光谐振腔内，co2激光后反射镜6用于反射co2激光，形成泵浦激光振荡方向27，co2激光输出镜11用于输出co2激光。

其中，在co2激光器运行状态下，半导体泵浦固体激光器3输出泵浦激光，通过准直器4将泵浦光准直，经过泵浦光输入窗口进入激光谐振腔，泵浦激光反射镜25和泵浦激光柱面腔12将泵浦光限制在激光谐振腔内来回反射，形成泵浦激光振荡方向，使co2分子跃迁到00⁰3能级，得到序列带增益谱。同时，混合气体通过充气部分20输入激光谐振腔，电控部分控制风机16使气体循环，高压变压器18和高压整流器19为阴极10和阳极13提供高压，通过阴极10和阳极13在激光co2激光放电区28放电，使co2分子跃迁到00⁰1能级，得到常规带增益谱。本实施例构建了一个高效率的脉冲电光泵浦的连续谱co2激光放大器，以期在3ps、1nj的种子光输入条件下，得到3ps脉宽及10mj级单脉冲co2激光输出，为下一级功率放大器放大提供理想的种子源。

如图5所示，当使用电光混合泵浦时，我们看到混合增益谱线的展宽更加明显，脉冲经过后的频谱分裂现象有所减缓，时域脉冲分裂减少，主峰的能量更大，与旁瓣的对比度越来越明显。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。