一种大能量超快激光器装置及工作方法

本发明涉及大能量超快激光器，特别涉及一种大能量超快激光器装置及工作方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

2、近年来，超短脉冲激光技术的发展对精密材料加工、科学研究、医疗设备和军事国防的发展有着巨大的推动作用。高重复频率、高峰值功率的超快激光是材料冷加工、光参量啁啾脉冲放大、超远程激光测距、紫外光产生和太赫兹产生等领域的优秀光源。

3、采用主振荡-功率放大系统可以获得高光束质量、高重复频率、高峰值功率和短脉冲持续时间的激光辐射。然而，高峰值功率密度引起的光学元件损伤和小尺度自聚焦效应是主振荡-功率放大方案进一步提高超短脉冲能量和重复频率的主要障碍。其中，小尺度自聚焦效应会导致光束质量下降、光束分布的改变和激光棒的破坏，限制了高能超短脉冲激光的应用。

4、为了避免高峰值功率密度对光学元件的损伤和小尺度自聚焦效应，啁啾脉冲放大因其在放大过程中具有降低强度的作用而被广泛的应用。但是，采用啁啾脉冲放大技术的yb:yag激光系统由于其占地面积大，基于光栅的展宽器和压缩器的光学损耗以及需要低温冷却将介质从准三能级转变为更有利的四能级系统，从而使得激光系统更加复杂和昂贵。块状材料激光系统通常具有更高的效率和更简单的结构，从而使它们在许多应用领域更具吸引力。

5、目前，在块状材料高能激光放大器中，通常采用软边光阑配合中继成像和空间滤波器的方式来降低小尺度自聚焦的可能性。首先，利用软边光阑选择光束的均匀部分实现激光的平顶分布；随后采用中继成像系统将平顶光束传递成像，并在中继成像装置的焦点处设置一个针孔实现空间滤波。但是，具有软边孔径的结构在长时间工作时可能导致频繁更换器件，且该装置会造成极大的能量损耗，降低系统效率。同时，多个中继成像系统及用于防止其焦点处空气击穿的真空管，将会使激光系统体积增大、复杂性和成本增加。空间滤波器的小孔限制条件也较多，对光束指向性要求很高，不利于工程化设计。

技术实现思路

1、针对当前大能量超快激光放大技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于受激拉曼散射抑制小尺度自聚焦效应的大能量超快激光器装置及其工作方法，通过nd:yvo4晶体放大过程中的受激拉曼散射效应，将激光放大整形为空心分布，并配合使用再生放大技术、圆偏光放大技术、发散的光束放大技术和热诱导双折射补偿技术，避免了高峰值功率放大时光学元件的损伤和小尺度自聚焦效应，最终实现了能量高、光束质量和稳定性好的超快激光输出；同时，本发明使大能量超快激光系统更为简单化与小型化，可靠性和效率更高，更有利于工程化设计。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种大能量超快激光器装置。

4、一种大能量超快激光器装置，包括：同步信号控制器以及沿光路依次布置的种子激光器、再生放大器、行波放大器以及侧面泵浦的主放大器，同步信号控制器分别与所述种子激光器、所述再生放大器、所述行波放大器和所述侧面泵浦主放大器连接；

5、同步信号控制器，至少被配置为：同步种子激光器中的光纤锁模种子源输出的锁模同步信号作为时钟基准信号，同步种子激光器中的声光选单模块输出的分频同步信号作为外触发信号以及产生多路触发信号，所述多路触发信号用于为所述再生放大器、所述行波放大器和所述侧面泵浦主放大器提供脉冲同步信号。

6、作为本发明第一方面进一步的限定，所述种子激光器包括光纤锁模种子源和声光选单模块，所述光纤锁模种子源用于产生高可靠性超快激光种子光，种子源的一部分分光经过光电探测器采样放大后输出锁模同步信号，所述声光选单模块用于将锁模种子激光分频，同时输出分频同步信号。

7、作为本发明第一方面进一步的限定，再生放大器用于将几个nj级能量的种子激光预放大到几个mj级能量。

8、作为本发明第一方面进一步的限定，所述行波放大器，包括增益晶体、第一光束整形系统、泵浦系统和第二分色镜，所述增益晶体为nd:yvo4晶体，所述第一光束整形系统用于将再生放大器输出的脉冲激光扩束准直。

9、作为本发明第一方面更进一步的限定，所述泵浦系统，包括泵浦源、泵浦光整形系统和第一分色镜，所述泵浦源用于为增益晶体提供泵浦能量，由所述同步信号控制器提供脉冲同步信号，所述泵浦光整形系统用于将泵浦光整形成所需大小，所述泵浦光通过泵浦光整形系统整形后通过所述第一分色镜进入增益晶体，为所述增益晶体提供泵浦能量。

10、作为本发明第一方面更进一步的限定，所述第二分色镜用于分离基频光、拉曼光和泵浦光，所述第二分色镜镀基频光高反膜、拉曼光和泵浦光高透膜。

11、作为本发明第一方面进一步的限定，所述侧面泵浦的主放大器，包括沿光路依次设置的第二光束整形系统、第一光隔离系统、第一薄膜偏振片、第一四分之一波片、第一侧泵模块、第一热补偿镜、第一法拉第旋转器、第一0°全反射镜、第二光束整形系统、第二光隔离系统、第二薄膜偏振片、第二四分之一波片、第二侧泵模块、第二热补偿镜、第三侧泵模块、第二法拉第旋转器和第二0°全反射镜。

12、作为本发明第一方面更进一步的限定，所述第一光隔离系统和第二光隔离系统用于防止放大后的返回光损坏前面的光学元件，所述第二光束整形系统用于将行波放大器输出激光扩束准直为匹配所述第一侧泵模块口径的尺寸，所述第一薄膜偏振片和第二薄膜偏振片用于输出放大后的返回光；

13、所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片用于减少激光在增益介质和其他光学元件中的非线性相互作用，以避免光学元件损坏和小尺度自聚焦效应。

14、作为本发明第一方面更进一步的限定，所述第一侧泵模块、第二侧泵模块和第三侧泵模块均采用大口径nd:yag晶体作为激光增益介质，泵浦波长为808nm，由同步信号发生器提供脉冲同步信号；

15、所述第一热补偿镜和第二热补偿镜用于补偿侧泵模块高功率运行下的热透镜效应，以避免光斑尺寸过小导致光学元件损坏；

16、所述第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器用于补偿nd:yag晶体的热致退偏，所述第一0°全反射镜和第二0°全反射镜用于反射单通放大后的基频光，以实现双通放大。

17、第二方面，本发明提供了一种大能量超快激光器装置的工作方法。

18、一种大能量超快激光器装置的工作方法，包括以下过程：

19、从光纤锁模种子源输出的锁模脉冲激光先经过声光选单模块进行选单降频，获得所需重频的脉冲激光，选出的重频的脉冲激光随后进入再生放大器进行预放大，nj级能量的种子光被放大到mj级，基于再生放大独立成腔的特性，实现较高的光束质量；

20、从再生放大器输出后的激光进入行波放大器，依次经过第一光束整形系统、第一分色镜、增益晶体和第二分色镜；其中第一光束整形系统将再生放大器输出的脉冲激光扩束准直，通过第一光束整形系统改变准直后的光束大小从而控制激光强度；

21、整形后的光束经过第一分色镜反射，进入增益晶体进行放大，光束中心强度较高的部分在拉曼晶体中得到更高的受激拉曼散射转换，实现平顶或空心的基频光束强度分布，通过增益晶体后光束由第二分色镜分光，其中基频光高反、拉曼光与泵浦光高透；

22、经受激拉曼散射效应整形后的放大光进入侧面泵浦的主放大器，经过第一光隔离系统和第二光束整形系统，其中第二光束整形系统将光束扩束准直为匹配第一侧泵模块口径的尺寸，扩束准直后的光束以水平偏振态通过第一薄膜偏振片，经第一四分之一波片转换为圆偏振态后进入第一侧泵模块；

23、第一侧泵模块高功率运行下产生的热透镜和热致退偏效应分别由双通结构的第一热补偿镜和第一法拉第旋转器来补偿，由第一0°全反射镜反射单通放大后的基频光实现双通放大，第二次经过第一四分之一波片后圆偏振态的放大光变为竖直偏振态，由第一薄膜偏振片反射输出，进入下一放大级；

24、第二侧泵模块与第三侧泵模块组成的放大级同第一侧泵模块放大级类似，只是侧泵模块口径与入射光束尺寸逐级递加，基于受激拉曼散射抑制小尺度自聚焦效应的大能量超快激光从所述第二薄膜偏振片输出。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、目前，大能量超快激光放大技术中通常采用软边光阑配合中继成像和空间滤波器的方法抑制小尺度自聚焦效应，从而避免造成光学元件损伤和光束质量退化，但是，这种方法仍有很多固有的缺陷，主要有：(1)有软边孔径的结构能量损耗大、系统效率低，且在长时间工作时可能导致频繁更换器件；(2)多个中继成像系统及防止其焦点处空气击穿的真空管，将会使激光系统体积增大、复杂性和成本增加；(3)空间滤波器的小孔限制条件较多，对光束指向性要求较高，不利于工程化设计；

27、本发明为了解决当前大能量超快激光放大技术中存在的上述问题，利用nd:yvo4晶体放大过程中的受激拉曼散射效应，将激光放大整形为空心分布，并配合使用再生放大技术、圆偏光放大技术、发散的光束放大技术和热致双折射补偿技术，避免了高峰值功率放大时光学元件的损伤和小尺度自聚焦效应，最终实现能量高、光束质量和稳定性好的超快激光输出；本发明提供了一种传统技术的替代方案，弥补了原有技术的不足；同时，本发明使大能量超快激光系统更为简单化和小型化，装置造价更低、可靠性与效率更高，更有利于工程化设计。

28、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。