一种LD泵浦激光放大器的激光放大方法与流程

一种ld泵浦激光放大器的激光放大方法
技术领域
1.本发明涉及激光放大技术领域，具体涉及一种ld泵浦激光放大器的激光放大方法。


背景技术：

2.高重复频率大能量锁模激光器具有高峰值功率、高光束质量、窄脉冲宽度、时间波形光滑等优点，在军事、科研、工业加工、医疗和生物研究等领域有着广泛的应用。实现高重复频率大能量锁模激光器的技术路线主要有两种：一种是主振荡器采用半导体可饱和吸收镜锁模技术，工作频率为左右，单脉冲能量为纳焦耳量级，从中选出单脉冲，利用再生放大器放大后到百微焦耳量级，再利用功率放大系统放大到百毫焦耳量级比。
3.ld泵浦激光是传统泵浦激光开发出来的一种激光器，相比传统的泵浦激光而言，其光学模式更好，结构更小巧，有替代传统泵浦激光的趋势，但还是作为一种普通激光器在工业领域运用，价格便宜，作为一般的打标是有着广泛的运用范围。鉴于ld泵浦高峰值功率、高稳定性、高光束质量调q和锁模激光器具有体积小、重量轻、结构牢固、寿命长等诸多优点,在工业、通讯、军事、医疗等各领域有普遍应用。
4.采用ld泵浦时，通常采用匹配吸收峰中心波长的泵浦光进行泵浦，但是该方式中，忽略泵浦光的光谱-能量分布特性，当温度大幅变化时，中心波长就会偏离吸收峰，这会使得激光器的泵浦能量在晶体中的分布、储能发生变化，导致激光放大器工作不稳定。
5.如在中国专利201710916860.3中，光纤放大器的通常实现方式主要是使用啁啾脉冲放大的方式，从而在放大过程中保证增益光纤不被能量放大的脉冲烧毁的同时，避免能量放大的过程引入大量无法通过脉冲压缩器补偿的非线性相移。一般是在脉冲进入放大器之前通过脉冲展宽器引入正啁啾，使脉冲在时间轴上变长数个数量级，然后在脉冲放大后通过脉冲压缩器进行啁啾补偿，再把脉冲压缩到理想的飞秒范围，从而得到所需的高功率飞秒激光种子光源。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种ld泵浦激光放大器的激光放大方法，包括如下步骤：s1、种子激光器发射出种子激光，所述种子激光经线偏分束器分为两束线偏光，所述两束线偏光在回路结构中逆向传播；s2、分布在所述回路结构中的光电调制装置将所述两束线偏光的偏振方向进行转换；s3、所述回路结构中的ld泵浦源通过半反半透镜将泵浦能量注入所述回路结构，增益晶体将注入所述回路结构的泵浦能量放大；s4、所述回路结构中的滤光整形系统对两束线偏光进行滤光及整形；并通过控制器按照预设时间间隔调节所述ld泵浦源的脉冲频率以及控制所述增益晶体的工作时段，使
得所述ld泵浦源的脉冲频率在高脉冲重复频率和低脉冲重复频率之间切换；s5、两束线偏光在沿回路结构传播一周后分别往返经过二次放大系统，使得自身相位角发生偏转，实现相位互换，相位互换后的两束线偏光继续沿所述回路结构传播一周后，再次通过所述线偏分束器合束后相干输出。
7.进一步地，步骤s3中：经过ld泵浦源注入泵浦能量后，每次注入泵浦能量后得到的输出能量增益g为：（1）；式中：e0为种子激光的脉冲能量密度；es为注入泵浦能量后的饱和能量密度；g0为增益晶体的单程增益；（2）；式中：为单程增益系数；为增益晶体有效长度；δn为反转粒子数密度；为受激发射截面；p为增益晶体抽运功率；为抽运脉宽；为储能效率；为反转粒子能量；v为增益晶体的有效体积。
8.进一步地，步骤s4中，当线偏光入射到增益晶体中时，其光场方程写为式(4)以及式(5): (4)； (5)；其中，为介电常数，为电磁场中的磁导率，c为传播速率，t为时间，pj为跃迁j层的偏振强度，e
x
和hy分别电磁场中的电场和磁场分量，x、y、z分别为互相垂直的三个方向。
9.进一步地，双向光场沿回路结构的正向和反向传输，正向电磁场强e
+
和反向电磁场强e-为: (6)； (7)；电磁场的能量密度u以及能量密度矢量s表示如下：
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(8)； (9)。
10.进一步地，所述ld泵浦源包括第一ld泵浦源和第二ld泵浦源，第一ld泵浦源和第
二ld泵浦源分别通过第二半反半透镜和第四半反半透镜将泵浦能量注入所述回路结构。
11.进一步地，所述增益晶体包括第一增益晶体和第二增益晶体，所述第一增益晶体和第二增益晶体设置在所述滤光整形系统的两侧。
12.进一步地，所述二次放大系统包括：主振荡功率放大器、隔离器和旋光器；所述隔离器用于针对一种波长光进行单色隔离，所述主振荡功率放大器采用多级空间结构通过整形和放大获得放大后的激光平均功率，所述旋光器紧邻所述线偏分束器设置，用于将入射光的偏振角以固定方向旋转。
13.相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：经线偏分束器分为相互垂直的两束线偏光，进入回路结构；ld泵浦源将泵浦能量注入回路结构；回路结构中的增益晶体对注入的泵浦能量进行放大；滤光整形系统对两路沿相反方向传播的线偏光分别进行整形滤光，用于滤除其经过的线偏光中的杂散光。
14.两束线偏光在回路结构的输出口处经过线偏分束器形成相干叠加，并输入至二次放大系统；两路线偏光在沿回路结构传播一周后分别往返经过二次放大系统，使得自身相位角发生偏转，实现两路线偏光的相位互换，继续沿回路结构传播一周后，通过线偏分束器合束进行相干输出，从而得到所需的高功率激光光源。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明的ld泵浦激光放大器的结构示意图。
17.图2为本发明的ld泵浦激光放大器的激光放大方法的流程图。
具体实施方式
18.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
19.在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
20.如图1所示，为本发明的ld泵浦激光放大器的系统结构示意图，该系统包括：种子激光1、线偏分束器2、反射系统、增益晶体、二次放大系统、滤光整形系统和ld泵浦系统。其中，线偏分束器2、反射系统、增益晶体、ld泵浦系统、滤光整形系统形成回路结构。
21.滤光整形系统包括：第一准直透镜8，第三反射镜16，第二准直透镜10；第一准直透镜8和第二准直透镜10分别设置在第三反射镜16两侧，用于准直和约束经过增益晶体后被放大的线偏光。滤光整形系统，用于滤除其经过的线偏光中的杂散光，来改善光束质量和阻
止热量传播。
22.增益晶体包括：第一增益晶体7和第二增益晶体9；二次放大系统包括：主振荡功率放大器4、隔离器3和旋光器5。隔离器3用于单色隔离，只针对一种波长光进行隔离，主振荡功率放大器4采用多级空间结构，每级通过整形和放大，可获得放大后超过70w的激光平均功率。旋光器5位于回路结构之外、且紧邻线偏分束器2设置。线偏分束器2与种子激光1、旋光器5三者之间夹角为直角，旋光器5用于将其入射光的偏振角以固定方向旋转45
°
。
23.第一增益晶体7和第二增益晶体9设置在滤光整形系统的两侧，用于为其入射光提供反转粒子产生受激辐射将线偏光放大，使得两束传播方向相反的线偏光经过增益晶体以及滤光整形时均能实现放大、滤光。
24.ld泵浦系统包括：第一ld泵浦源11和第二ld泵浦源12。反射系统包括：第一反射镜14、第二半反半透镜6、第三反射镜16和第四半反半透镜12。第一ld泵浦源11和第二ld泵浦源12分别通过第二半反半透镜6和第四半反半透镜12将泵浦能量注入回路结构。
25.ld泵浦系统，用于为增益晶体提供泵浦光，从而为增益晶体提供泵浦能量。第一ld泵浦源11和第二ld泵浦源12的全固态激光器用ld产生的波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作为泵浦源,大大提高了激光器的效率。工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体激光器发射波长相匹配是构成半导体激光器泵浦的全固态激光器的必要条件。
26.线偏分束器2设置于种子激光1的输出光路，线偏分束器2用于将种子激光1发向回路结构的输入激光分为相互垂直的两束线偏光并输入回路结构，还用于将经过回路结构传播后输出的两束线偏光合为一束输出激光。
27.回路结构为种子激光1通过线偏分束器2分出的两束线偏光分别提供传播方向相反的回路路径，一路线偏光在回路结构中沿顺时针传播，则另一路线偏光在回路结构中沿逆时针传播。
28.回路结构中还包括两个光电调制装置，第一光电调制装置15和第二光电调制装置18，第一光电调制装置15和第二光电调制装置18分布在线偏分束器2两侧的光路中，用于将经过的两束线偏光偏振方向各旋转90
°
。两束线偏光在传播过程中均经过这两个光电调制装置，通过光电调制装置可对经过的线偏光偏振角进行90
°
偏转，实现两束线偏光的偏振方向转换，通过控制两束线偏光的偏振方向，可以调节线偏光沿回路结构传播的方向，从而增加两束线偏光在回路结构中的循环次数，增加线偏光的放大次数，提升激光的放大效率。
29.反射系统，包含若干反射镜，用于将其入射的线偏光反射导入下一器件，实现回路结构中的光路连接。反射系统中的反射镜14设置于45
°
旋光器3背离线偏分束器2的一侧，用于将45
°
旋光器3输出的光原路反射，从而使从线偏分束器2入射到45
°
旋光器3的线偏光往返进行两次45
°
旋转，两次旋转叠加后对线偏光的偏振方向进行90
°
旋转，从而实现了两束线偏光的偏振方向互换，使得偏振方向改变后的线偏光继续在回路结构中继续进行下一周期的传播，以实现线偏光的多次放大。
30.如图2所示，为本发明的利用ld泵浦激光放大器的激光放大系统实现的激光放大方法的流程图，该方法包括如下步骤：s1、种子激光器发射出种子激光，种子激光经线偏分束器分为相互垂直的两束线偏光，进入回路结构，两束线偏光在回路结构中的传播方向相反。
31.s2、分布在线偏分束器两侧的光路中的第一光电调制装置和第二光电调制装置将
经过的两束线偏光的偏振方向各旋转90
°
。两束线偏光在传播过程中均经过这两个光电调制装置，通过光电调制装置可对经过的线偏光偏振角进行90
°
偏转，实现两束线偏光的偏振方向转换，通过控制两束线偏光的偏振方向，可以调节线偏光沿回路结构传播的方向。
32.s3、第一ld泵浦源和第二ld泵浦源分别通过第二半反半透镜和第四半反半透镜将泵浦能量注入回路结构，通过设置在滤光整形系统的两侧的第一增益晶体和第二增益晶体，对注入的泵浦光提供反转粒子产生受激辐射将泵浦光放大。
33.经过第一ld泵浦源和第二ld泵浦源注入泵浦能量后，每次注入泵浦能量后得到的输出能量增益g为：（1）；式中：e0为种子激光的脉冲能量密度；es为注入泵浦能量后的饱和能量密度；g0为增益晶体的单程增益，可表示为：（2）；式中：为小信号增益系数；为增益晶体有效长度；δn为反转粒子数密度；为受激发射截面；p为增益晶体抽运功率；为抽运脉宽；为储能效率；为反转粒子能量；v为增益晶体的有效体积。
34.放大能量提取效率指从放大系统提取的能量与脉冲到达时激光能级存储的能量之比，表示为：（3）。
35.s4、回路结构中的滤光整形系统对两束沿相反方向传播的线偏光进行滤光。
36.滤光整形系统的设置可以抑制噪声和衍射，提高泵浦能量的提取或器件的热稳定性；使用回路结构避免行波放大光路冗长的结构，极大地简化了光路。利用增益晶体对ld泵浦源的激光脉冲能量进行补充，使得激光脉冲压缩输出。
37.由于回路结构为两束线偏光分别提供传播方向相反的回路路径，因此采用反向传播波函数作为反向放大模型，利用放大脉冲的场分布变化来描述能量交换动态。
38.建立双向光场方程，当线偏光脉冲入射到增益晶体中时，其光场方程可写为式(4)以及式(5): (4)； (5)；其中，为介电常数，为电磁场中的磁导率，c为传播速率，t为时间，pj为跃迁j层的偏振强度，e
x
和hy分别电磁场中的电场和磁场分量，x、y、z分别为互相垂直的三个方向。
39.双向光场沿回路结构的正向和反向传输，正向电磁场强e
+
和反向电磁场强e-为: (6)； (7)；电磁场的能量密度u以及能量密度矢量s用双向场强表示如下：
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(8)； (9)。
40.s5、两路线偏光在沿回路结构传播一周后分别往返经过二次放大系统中的旋光器，使得自身相位角发生偏转，实现两路线偏光的相位互换，相位偏转后的两路线偏光可继续沿回路结构传播一周后，通过线偏分束器合束进行相干输出。由于线偏光在回路结构中可进行多次循环传播时，每周传播的过程中均进行放大、滤光，因此有效地增强了激光的放大效果。
41.在优选实施例中，回路结构还包括控制器，控制器使用预设时间间隔调节ld泵浦系统注入脉冲频率以及控制增益晶体的工作时段，使得ld泵浦系统的注入脉冲频率在高脉冲重复频率和低脉冲重复频率之间切换。
42.在增益晶体对注入的泵浦能量提供反转粒子产生受激辐射将泵浦能量放大之后，增益晶体的存储能量将立即减小到耗尽的水平，一旦控制器继续请求增益晶体对注入的泵浦能量提供反转粒子，增益晶体的存储能量将在下限存储能量附近波动，因此控制器需要控制增益晶体停止工作，转而控制ld泵浦系统的注入脉冲频率从低频率脉冲切换到高频率脉冲，直到增益晶体的存储能量恢复，发出启动信号为止。因此在预设时间间隔之后，增益晶体能够恢复到上限存储能量，可见预设时间间隔需要根据增益晶体恢复到上限存储能量的时间进行设定。
43.当控制器接收到启动信号时，控制器执行通过增益晶体增大泵浦系统注入的泵浦能量，一直等到下一个预设时间间隔的到来，即增益晶体的存储能量再次减小到耗尽的水平。当下一个预设时间间隔结束时，增益晶体再次恢复到上限存储能量，并向控制器发送启动信号，控制器控制ld泵浦系统的注入脉冲频率从高频率脉冲切换到低频率脉冲。
44.当增益晶体的存储能量减小到耗尽的水平时，即第三个预设时间间隔的到来时刻，控制器控制增益晶体再次停止工作，转而控制ld泵浦系统的注入脉冲频率从低频率脉冲切换到高频率脉冲，直到增益晶体的存储能量恢复，发出启动信号为止。
45.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据
存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，ssd))等。
46.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。