一种高重复频率超快激光脉冲串产生装置及其控制方法与流程

本发明涉及飞秒激光技术，具体涉及一种高重复频率超快激光脉冲串产生装置及其控制方法。

背景技术：

激光脉冲平均功率为单脉冲能量与重复频率的乘积。考虑到热效应，激光脉冲平均功率无法无限提高。当激光输出高的能量，必然牺牲重复频率，要获得高重复频率则很难获得高能量。目前的激光技术，振荡器可输出数十mhz量级激光，但能量通常在十nj量级，放大器可获得较高能量，但是重复频率最高在百khz量级。由于热效应的瓶颈，很难同时获得mhz重频，几十uj的激光脉冲。然而在实际应用中，常常需要重复频率为mhz量级，能量几十uj的超短激光脉冲，急需发展新技术获得此类激光脉冲。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高重复频率超快激光脉冲串产生装置及其控制方法。

本发明的一个目的在于提出一种高重复频率超快激光脉冲串产生装置。

高重复频率超快激光脉冲串产生装置采用线性谐振腔或者采用环形谐振腔。

采用线性谐振腔，本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置包括：毫焦激光脉冲放大系统、重复频率变换系统、线性谐振腔、偏振器、普克尔盒、四分之一波片和能量补给装置；其中，线性谐振腔由端镜和输出镜构成，端镜为高反镜，输出镜为部分透射部分反射镜；在线性谐振腔内从端镜至输出镜依次放置四分之一波片、普克尔盒、偏振器和能量补给装置；毫焦激光脉冲放大系统输出低频率激光脉冲，经重复频率变换系统调制激光脉冲的重复频率；经重复频率变换系统输出的第一偏振光经过偏振器反射进入线性谐振腔，此时，普克尔盒不施加任何电压，普克尔盒的状态为全波片，经四分之一波片后第一偏振光变为圆偏振光，激光脉冲经端镜反射后再次经过四分之一波片和普克尔盒，圆偏振光变为第二偏振光，第一偏振光和第二偏振光的偏振态均为线偏振，且偏振方向垂直；透过偏振器经过能量补给装置时，对能量进行放大，再传输到输出镜，部分激光脉冲经过输出镜输出，此时为输出脉冲串的第一个输出脉冲，部分激光脉冲经输出镜反射，再次经过能量补给装置，激光脉冲被放大，补偿线性谐振腔内包括输出镜带来的损耗；当激光脉冲停留在普克尔盒和输出镜之间时，给普克尔盒施加四分之一波电压，改变普克尔盒的状态，此时普克尔盒状态为四分之一波片，从而使激光脉冲的偏振态在普克尔盒和输出镜之间总是第二偏振；激光脉冲在对普克尔盒施加四分之一波电压期间保持在线性谐振腔内谐振，每经过输出镜透射均会输出一个输出脉冲，形成输出脉冲串；经输出镜的输出脉冲的间隔为激光脉冲经过线性谐振腔一个来回的时间，间隔时间为t1＝2l1/c，l1为线性谐振腔的腔长，c为光速；当线性谐振腔内激光脉冲还未自行衰减结束，且不再需要输出脉冲时，选择激光脉冲停留在普克尔盒和输出镜之间时，给普克尔盒退去四分之一波电压，第二偏振光两次经过普克尔盒变为第一偏振光，激光脉冲经偏振器后反射出线性谐振腔，此时高重复频率的输出脉冲串结束；或者，普克尔盒保持四分之一波电压，直到激光脉冲自行衰减结束为止，此时退去普克尔盒的四分之一波电压，输出镜停止输出高重复频率的输出脉冲串，在这种情况下，偏振器不输出激光；高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由线性谐振腔的长度决定。

线性谐振腔的端镜为高反镜，反射率大于99％；输出镜为部分透射部分反射镜，反射率小于98％，大于70％。

采用环形谐振腔，本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置包括：毫焦激光脉冲放大系统、重复频率变换系统、环形谐振腔、输入偏振器、输出偏振器、普克尔盒、半波片和能量补给装置；其中，环形谐振腔由第一至第四反射镜构成，其中第一、第三和第四反射镜为腔镜采用高反镜，第二反射镜为输出镜采用部分透射部分反射镜；在环形谐振腔内从第一反射镜至第二反射镜依次放置输出偏振器、半波片、普克尔盒和输入偏振器，在第三反射镜与第四反射镜之间放置能量补给装置；毫焦激光脉冲放大系统输出低频率激光脉冲，经重复频率变换系统调制激光脉冲的重复频率；经重复频率变换系统输出的第一偏振光经过输入偏振器反射进入环形谐振腔，此时，普克尔盒不施加任何电压，普克尔盒的状态为全波片，经半波片后第一偏振光变为第二偏振光，第一偏振光和第二偏振光的偏振态均为线偏振，且偏振方向垂直，第二偏振激光脉冲经输出偏振器透射后，经第一和第四反射镜反射后经过能量补给装置时，对能量进行放大，再次经过第三反射镜反射后传输至第二反射镜输出，此时为输出脉冲串的第一个输出脉冲，部分激光脉冲经第二反射镜反射返回；当激光脉冲为停留在普克尔盒内时，给普克尔盒施加半波电压，改变普克尔盒的状态，此时普克尔盒状态为半波片，从而使激光脉冲的偏振态在经过输出偏振器和输入偏振器时总是第二偏振；激光脉冲在对普克尔盒施加半波电压期间保持在环形谐振腔内谐振，每经过第二反射镜透射均会输出一个输出脉冲，形成输出脉冲串；经第二反射镜的输出脉冲的间隔为激光脉冲经过环形谐振腔一个来回的时间，间隔时间为t2＝l2/c，l2为环形谐振腔的腔长，c为光速；当环形谐振腔内激光脉冲还未自行衰减结束，且不再需要输出脉冲时，选择激光脉冲停留在普克尔盒和第二反射镜之间时，给普克尔盒退去半波电压，第二偏振光经过普克尔盒和半波片变为第一偏振光，激光脉冲经输出偏振器后反射出环形谐振腔，此时高重复频率的输出脉冲串结束；或者，普克尔盒保持半波电压，直到脉冲自行衰减结束为止，此时退去普克尔盒的半波电压，第四反射镜停止输出高重复频率的输出脉冲串，在这种情况下，输出偏振器不输出激光；高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由环形谐振腔的长度决定。

第一偏振光和第二偏振光均为线偏振，且偏振方向垂直，即第一偏振光为垂直偏振光，则第二偏振光为水平偏振光；第一偏振光为水平偏振光，则第二偏振光为垂直偏振光。第一偏振和第二偏振均为线偏振的偏振态，且偏振方向垂直，即第一偏振为垂直偏振，则第二偏振为水平偏振；第一偏振为水平偏振，则第二偏振为垂直偏振。

环形谐振腔的第一、第三和第四反射镜为腔镜，采用高反镜，反射率大于99％；第二反射镜为输出镜，采用部分透射部分反射镜，反射率小于98％，大于70％。

毫焦激光脉冲放大系统为重复频率小于100khz，能量<10mj激光放大系统。

重复频率变换系统采用普克尔盒，调制脉冲包络的重复频率，从而使脉冲包络的重复频率在100khz～1hz可调。

偏振器为对第一偏振激光反射，对第二偏振激光透射；采用基于双折射性质的立体式偏振元件，或者基于偏振镀膜的片状偏振片。

普克尔盒在退去电压时为全波片状态，施加半波电压后普克尔盒呈半波片状态用于环形谐振腔，施加四分之一波电压后普克尔盒呈四分之一波片状态用于线性谐振腔，从而改变入射的激光脉冲的偏振，结合偏振器将激光脉冲留在谐振腔中。通过控制普克尔盒的高压持续时间，得到满足要求的输出脉冲串的数量。

能量补给装置包括增益晶体和泵浦源，泵浦源泵浦增益晶体，增益晶体位于谐振腔中，为在谐振腔中循环的激光脉冲提供增益放大；通过控制线性谐振腔或环形谐振腔的增益，得到满足要求的输出脉冲串的能量。

本发明的另一个目的在于提供一种高重复频率超快激光脉冲串产生装置的控制方法。

本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置的控制方法，采用线性谐振腔，包括以下步骤：

1)毫焦激光脉冲放大系统输出低频率激光脉冲，经重复频率变换系统调制激光脉冲的重复频率；

2)经重复频率变换系统输出的第一偏振光经过偏振器反射进入线性谐振腔，此时，普克尔盒不施加任何电压，普克尔盒的状态为全波片，经四分之一波片后第一偏振光变为圆偏振光，激光脉冲经端镜反射后再次经过四分之一波片和普克尔盒，圆偏振光变为第二偏振光，第一偏振光和第二偏振光的偏振态均为线偏振，且偏振方向垂直；透过偏振器经过能量补给装置时，对能量进行放大，再传输到输出镜，部分激光脉冲经过输出镜输出，此时为输出脉冲串的第一个输出脉冲，部分激光脉冲经输出镜反射，再次经过能量补给装置，激光脉冲被放大，补偿线性谐振腔内包括输出镜带来的损耗；

3)当激光脉冲停留在普克尔盒和输出镜之间时，给普克尔盒施加四分之一波电压，改变普克尔盒的状态，此时普克尔盒状态为四分之一波片，从而使激光脉冲的偏振态在普克尔盒和输出镜之间总是第二偏振；

4)激光脉冲在对普克尔盒施加四分之一波电压期间保持在线性谐振腔内谐振，每经过输出镜透射均会输出一个输出脉冲，形成输出脉冲串；经输出镜的输出脉冲的间隔为激光脉冲经过线性谐振腔一个来回的时间，间隔时间为t1＝2l1/c，l1为线性谐振腔的腔长，c为光速；

5)当线性谐振腔内激光脉冲还未自行衰减结束，且不再需要输出脉冲时，选择激光脉冲停留在普克尔盒和输出镜之间时，给普克尔盒退去四分之一波电压，第二偏振光两次经过普克尔盒变为第一偏振光，激光脉冲经偏振器后反射出线性谐振腔，此时高重复频率的输出脉冲串结束；或者，普克尔盒保持四分之一波电压，直到激光脉冲自行衰减结束为止，此时退去普克尔盒的四分之一波电压，输出镜停止输出高重复频率的输出脉冲串，在这种情况下，偏振器不输出激光；高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由线性谐振腔的长度决定。

本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置的控制方法，采用环形谐振腔，包括以下步骤：

1)毫焦激光脉冲放大系统输出低频率激光脉冲，经重复频率变换系统调制激光脉冲的重复频率；

2)经重复频率变换系统输出的第一偏振光经过输入偏振器反射进入环形谐振腔，此时，普克尔盒不施加任何电压，普克尔盒的状态为全波片，经半波片后第一偏振光变为第二偏振光，第一偏振光和第二偏振光的偏振态均为线偏振，且偏振方向垂直，第二偏振激光脉冲经输出偏振器透射后，经第一和第四反射镜反射后经过能量补给装置时，对能量进行放大，再次经过第三反射镜反射后传输至第二反射镜输出，此时为输出脉冲串的第一个输出脉冲，部分激光脉冲经第二反射镜反射返回；

3)当激光脉冲为停留在普克尔盒内时，给普克尔盒施加半波电压，改变普克尔盒的状态，此时普克尔盒状态为半波片，从而使激光脉冲的偏振态在经过输出偏振器和输入偏振器时总是第二偏振；

4)激光脉冲在对普克尔盒施加半波电压期间保持在环形谐振腔内谐振，每经过第二反射镜透射均会输出一个输出脉冲，形成输出脉冲串；经第二反射镜的输出脉冲的间隔为激光脉冲经过环形谐振腔一个来回的时间，间隔时间为t2＝l2/c，l2为环形谐振腔的腔长，c为光速；

5)当环形谐振腔内激光脉冲还未自行衰减结束，且不再需要输出脉冲时，选择激光脉冲停留在普克尔盒和第二反射镜之间时，给普克尔盒退去半波电压，第二偏振光经过普克尔盒和半波片变为第一偏振光，激光脉冲经输出偏振器后反射出环形谐振腔，此时高重复频率的输出脉冲串结束；或者，普克尔盒保持半波电压，直到脉冲自行衰减结束为止，退去普克尔盒的半波电压，第四反射镜停止输出高重复频率的输出脉冲串，在这种情况下，输出偏振器不输出激光；高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由环形谐振腔的长度决定。

其中，通过控制普克尔盒的高压持续时间，得到满足要求的输出脉冲串的数量。

通过控制线性谐振腔或环形谐振腔中能量补给装置对激光脉冲的增益，得到满足要求的输出脉冲串的能量。

本发明的优点：

本发明采用线性谐振腔或者环形谐振腔，其中的一个反射镜为部分透射部分反射镜，作为输出镜，每当脉冲激光至输出镜时均会输出一个输出脉冲，形成输出脉冲串，通过控制普克尔盒的高压持续时间，得到满足要求的输出脉冲串的数量；通过控制谐振腔中能量补给装置对激光脉冲的增益，得到满足要求的输出脉冲串的能量；高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由环形谐振腔的长度决定。

附图说明

图1为本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置采用线性谐振腔的光路示意图；

图2为本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置采用线性谐振腔的内模式分配图；

图3为本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置采用环形谐振腔的示意图

图4为本发明的高重复频率超快激光脉冲串产生装置采用环形谐振腔的内模式分配图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例一

如图1所示，本实施例采用线性谐振腔，高重复频率超快激光脉冲串产生装置包括：毫焦激光脉冲放大系统、重复频率变换系统、线性谐振腔、偏振器、普克尔盒、四分之一波片和能量补给装置；其中，能量补给装置包括增益晶体24和泵浦源26，泵浦源26连接至增益晶体24；线性谐振腔由相对的端镜21和输出镜27构成，端镜21为高反镜，输出镜27为部分反射部分透射镜；在线性谐振腔内从端镜21至输出镜27依次放置四分之一波片28、普克尔盒22、偏振器23和增益晶体24；毫焦激光脉冲放大系统输出低频率低能量的激光脉冲，经重复频率变换系统调制激光脉冲的重复频率；经重复频率变换系统输出的垂直偏振光经过偏振器23反射进入线性谐振腔，此时，普克尔盒22不施加任何电压，普克尔盒22的状态为全波片，经四分之一波片28后垂直偏振光变为圆偏振光，激光脉冲经端镜21反射后再次经过四分之一波片28和普克尔盒22，圆偏振光变为第二偏振光，透过偏振器23经过增益晶体24时，对能量进行放大，再传输到输出镜27，部分激光脉冲经过输出镜27输出，此时为输出脉冲串的第一个输出脉冲，部分激光脉冲经过输出镜27反射，再次经过增益晶体24，激光脉冲被放大，补偿线性谐振腔内包括输出镜27带来的损耗；当激光脉冲停留在普克尔盒22和输出镜27之间时，改变普克尔盒22的状态，给普克尔盒22施加四分之一波电压，使激光脉冲在普克尔盒22和输出镜27之间总是第二偏振；激光脉冲在对普克尔盒22施加四分之一波电压期间保持在线性谐振腔内谐振，每经过输出镜27透射均会输出一个输出脉冲，形成输出脉冲串；经输出镜27的输出脉冲的间隔为激光脉冲经过线性谐振腔一个来回的时间，间隔时间为t1＝2l1/c，l1为线性谐振腔的腔长，c为光速；当线性谐振腔内激光脉冲还未自行衰减结束，且不再需要输出脉冲时，选择激光脉冲停留在普克尔盒22和输出镜27之间时，给普克尔盒22退去四分之一波电压，第二偏振光两次经过普克尔盒22变为垂直偏振光，激光脉冲经偏振器23后反射出线性谐振腔，此时高重复频率的输出脉冲串结束；或者，普克尔盒22的四分之一波电压保持更长的时间，直到脉冲自行衰减结束为止，输出镜27结束输出脉冲串，这种情况下，偏振器23不输出激光；

如图2所示，高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，双结构脉冲串为重频为小于百khz的脉冲包络；每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由线性谐振腔的长度决定，每个包络里面有脉冲间隔小于1μs，重复频率大于1mhz，脉冲个数可控的，能量大于10μj的子脉冲串。通过控制普克尔盒的高压持续时间，得到满足要求的输出脉冲串的数量。通过控制线性谐振腔中能量补给装置对激光脉冲的增益，得到满足要求的输出脉冲串的能量。

实施例二

如图3所示，本实施例采用环形谐振腔，高重复频率超快激光脉冲串产生装置包括：毫焦激光脉冲放大系统、重复频率变换系统、环形谐振腔、输入偏振器36、输出偏振器38、普克尔盒22、半波片37和能量补给装置；其中，能量补给装置包括增益晶体24和泵浦源26，泵浦源26连接至增益晶体24；环形谐振腔由第一至第四反射镜31～34构成，其中第一、第三和第四反射镜31、33和34为腔镜采用高反镜，第二反射镜32为输出镜采用部分透射部分反射镜；在环形谐振腔内从第一反射镜至第二反射镜依次放置输出偏振器38、半波片37、普克尔盒22和输入偏振器36，在第三反射镜与第四反射镜之间放置增益晶体24；毫焦激光脉冲放大系统输出低频率低能量的激光脉冲，经重复频率变换系统调制激光脉冲的重复频率；经重复频率变换系统输出的垂直偏振光经过输入偏振器36反射进入环形谐振腔，此时，普克尔盒22不施加任何电压，普克尔盒22的状态为全波片，经半波片37后垂直偏振光变为第二偏振光，激光脉冲经输出偏振器38透射后，经第一和第四反射镜31和34反射后经过增益晶体24时，对能量进行放大，再次经过第三反射镜33反射后传输至第二反射镜32输出，此时为输出脉冲串的第一个输出脉冲，部分激光脉冲经过第二反射镜反射返回；当激光脉冲停留在第二反射镜与普克尔盒22之间时，改变普克尔盒22的状态，给普克尔盒22施加半波电压，使激光脉冲在普克尔盒22和第二反射镜32之间总是第二偏振；激光脉冲在对普克尔盒22施加半波电压期间保持在环形谐振腔内谐振，每经过第二反射镜32透射均会输出一个输出脉冲，形成输出脉冲串；经第二反射镜32的输出脉冲的间隔为激光脉冲经过环形谐振腔一个来回的时间，间隔时间为t2＝l2/c，l2为环形谐振腔的腔长，c为光速；当环形谐振腔内激光脉冲还未自行衰减结束，且不再需要输出脉冲时，选择激光脉冲停留在普克尔盒22和第二反射镜之间时，给普克尔盒22退去半波电压，第二偏振光经过普克尔盒22和半波片37变为垂直偏振光，激光脉冲经输出偏振器38后反射出环形谐振腔，此时高重复频率的输出脉冲串结束；或者，普克尔盒22的半波电压保持更长的时间，直到脉冲自行衰减结束为止，第四反射镜34结束输出脉冲串，在这种情况下，输出偏振器38不输出激光；高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由环形谐振腔的长度决定。

如图4所示，高重复频率的输出脉冲串为低重复频率的脉冲包络中包含高重复频率的子脉冲串的双结构脉冲串，脉冲包络的重复频率由重复频率变换系统决定，双结构脉冲串为重频为小于百khz的脉冲包络；每个脉冲包络中的子脉冲串的重复频率由环形谐振腔的长度决定，每个包络里面有脉冲间隔小于1μs，重复频率大于1mhz，脉冲个数可控的，能量大于10μj的子脉冲串。通过控制普克尔盒的高压持续时间，得到满足要求的输出脉冲串的数量。通过控制环形谐振腔中能量补给装置对激光脉冲的增益，得到满足要求的输出脉冲串的能量

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。