專利名稱：一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器的制作方法
技術領域：
一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器技術領域[0001]本實用新型涉及一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，屬于高峰值功率皮秒激光器技術領域。
背景技術：
[0002]高能量皮秒激光器以其高的峰值功率、窄的脈沖寬度，在材料精細微加工、LED劃片、太陽能光伏、科學研究等領域得到了廣泛的應用。相對于納秒激光，采用皮秒激光加工材料，具有精度高、熱影響區(qū)域極小、加工邊緣無毛刺等優(yōu)點。為了滿足上述應用，一般要求皮秒激光峰值功率達到MW量級，目前產生MW量級峰值功率皮秒激光的原理是從幾十MHz 鎖模種子源激光器通過電光或者聲光調制的方法，選出kHz到百kHz種子光脈沖，然后經過放大實現瓦級功率輸出。[0003]脈沖選單技術由電光選單技術和聲光選單技術兩種，電光選單技術響應速度快 (小于5ns)，可以實現IOOMHz以上的脈沖選單功能，但是其體積很大，價格貴，同時需要幾千伏高壓信號，使用非常不便。聲光選單技術響應時間較慢(一般大于10ns)，通常只能用于 50MHz以下的脈沖選單功能，但是其體積小巧，便宜，使用非常方便。聲光選單器工作原理如下高頻的種子光信號經過聲光選單器后，利用聲光調制原理，當有效電平信號加載到選單器上時，需要的信號光將被衍射出來，有效電平的時間長短決定選取脈沖數量的多少。例如對于30MHz的種子激光來說，其周期為33. 3ns，所以如果選單器有效電平時間小于33. 3ns， 可以選出單個脈沖，增加時間可以選取更多脈沖。[0004]激光脈沖放大的方式有兩種，即再生放大及行波放大。再生放大技術優(yōu)點是，放大器增益高，可以達到IO6-IO9,但是再生放大腔結構復雜，對脈沖時序要求非常嚴格，同時需要加入電光腔倒空功能，制作難度非常大。行波放大技術的優(yōu)點是，不需要再生放大腔，結構簡單，穩(wěn)定可靠，且容易獲得較高功率輸出，缺點是單級放大增益小，一般可以達到 IO3-IO4O[0005]目前，國際上大多數公司都采用再生放大器放大皮秒脈沖，例如High Q laser、 Ekspla>Trumpf>Coherent等公司，最高輸出功率可以達到百kHz頻率下50W以上。國外也有研究用于皮秒脈沖放大的行波放大器。例如,2006年意大利Antonio Agnesi等人,采用兩級板條激光器實現將O. InJ單脈沖能量放大到10uJ，放大增益為IO5 ；2009日本K. Nawata 等人采用2mW皮秒種子源激光兩次通過楔形板條Nd: YV04構成的行波放大器，實現輸出功率25W，放大增益為12500。為了獲得高的增益和高的峰值功率，行波放大器的增益介質一般為板條結構，但是板條結構需要對放大激光進行多次整形會造成激光光斑質量變差。采用端面泵浦Nd: YV04方式可以解決此問題，但是由于Nd: YV04端面熱應力影響，不能承受高的泵浦功率(小于40W)，放大增益很小。發(fā)明內容[0006]本實用新型的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器。可將激光器的峰值功率由幾kW放大到MW量級，通過改變聲光選單器有效電平時間，實現單個脈沖包絡內脈沖數量從I到幾百個靈活改變，達到激光峰值功率靈活調整的目的。[0007]本實用新型的目的通過以下技術方案來實現[0008]一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，特點是包括半導體二極管、激光晶體、法拉第旋光器和皮秒光纖種子源，半導體二極管依次銜接第一透鏡和第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接激光晶體，激光晶體銜接第二平面鏡，所述皮秒光纖種子源銜接第四透鏡，第四透鏡銜接聲光脈沖選單器，聲光脈沖選單器銜接第三透鏡，第三透鏡銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接第三平面鏡，第三平面鏡銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器與第一平面鏡相銜接；[0009]半導體二極管發(fā)出的光經過第一透鏡和第二透鏡耦合進激光晶體內，皮秒光纖種子源的水平偏振皮秒種子源脈沖，經過第四透鏡聚焦到聲光脈沖選單器后，選出kHz的皮秒脈沖種子激光，種子激光經過第三透鏡后進行準直，準直后的種子激光經過薄膜偏振片及第三平面鏡后通過法拉第旋光器偏振態(tài)旋轉45°，種子光再經過激光晶體實現第一次光放大，放大后的激光經過第一平面鏡反射后，重新經過激光晶體做第二次放大，二次放大后的激光經過第二平面鏡沿原光路返回，再次經過法拉第旋光器后偏振態(tài)再次旋轉45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉90°，當激光再次經過薄膜偏振片后透射出去，實現整個光放大過程。[0010]進一步地，上述的一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，半導體二極管是輸出功率為150W的888. 5nm波段半導體二極管，其尾纖纖芯直徑為400微米，數值孔徑NA=O. 22。[0011]更進一步地，上述的一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，激光晶體為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位于25 50mm。[0012]更進一步地，上述的一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述皮秒光纖種子源(13)是種子源頻率為IOMHz 80MHz光纖激光器。[0013]本實用新型技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在[0014]本實用新型采用聲光選單技術，將高頻種子源激光選為低頻種子激光，再經過高增益放大器實現高峰值功率皮秒激光器輸出，通過改變聲光選單器的有效電平時間，靈活控制單個脈沖包絡的輸出脈沖數量，通過旋光器和薄膜偏振片的組合完成對種子光脈沖進行雙程放大。具有峰值功率高、脈沖數量靈活可控、結構簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。


[0015]
以下結合附圖對本實用新型技術方案作進一步說明[0016]圖I :本實用新型激光器原理結構示意圖。
具體實施方式
[0017]采用888. 5nm泵浦光代替808nm泵浦光可以有效的降低晶體熱效應40%以上，因此晶體端面可以承受更高的泵浦功率(大于150W)。本實用新型采用基于888. 5nm二極管端面泵浦Nd: YV04方式的雙程行波放大器，配合聲光選單技術，實現放大增益1000倍，峰值功率達到5麗激光脈沖，通過改變聲光選單器有效電平時間，可以實現單個脈沖包絡內脈沖數量從I到幾百個靈活改變，從而實現激光峰值功率的靈活調整，對于激光加工工藝研究有重要意義。[0018]如圖I所示，一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，包括半導體二極管I、激光晶體5、法拉第旋光器7和皮秒光纖種子源13，半導體二極管I是輸出功率為150W的888. 5nm波段半導體二極管，其尾纖纖芯直徑為400微米，數值孔徑NA=O. 22 ;激光晶體5為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在O. 5% 1%，晶體長度位于25 50mm ； 皮秒光纖種子源13是種子源頻率IOMHz 80MHz、30MHz皮秒光纖激光器；半導體二極管I 依次銜接第一透鏡2和第二透鏡3，第二透鏡3銜接第一平面鏡4，第一平面鏡4銜接激光晶體5，激光晶體5銜接第二平面鏡6，所述皮秒光纖種子源13銜接第四透鏡12，第四透鏡 12銜接聲光脈沖選單器11，聲光脈沖選單器11銜接第三透鏡10，第三透鏡10銜接薄膜偏振片9，薄膜偏振片9銜接第三平面鏡8，第三平面鏡8銜接法拉第旋光器7，法拉第旋光器 7與第一平面鏡4相銜接；[0019]半導體二極管I發(fā)出的光經過第一透鏡2和第二透鏡3耦合進激光晶體5內，皮秒光纖種子源13的水平偏振皮秒種子源脈沖，經過第四透鏡12聚焦到聲光脈沖選單器11 后，選出kHz的皮秒脈沖種子激光，種子激光經過第三透鏡10后進行準直，準直后的種子激光經過薄膜偏振片9及第三平面鏡8后通過法拉第旋光器7偏振態(tài)旋轉45°，種子光再經過激光晶體5實現第一次光放大，放大后的激光經過第一平面鏡4反射后，重新經過激光晶體5做第二次放大，二次放大后的激光經過第二平面鏡6沿原光路返回，再次經過法拉第旋光器7后偏振態(tài)再次旋轉45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉90°，當激光再次經過薄膜偏振片9后透射出去，實現整個光放大過程。[0020]采用888. 5nm二極管端面泵浦Nd: YV04方式實現種子光脈沖的放大。采用888. 5nm 光泵浦Nd:YV04晶體，將粒子直接從基態(tài)激發(fā)到激光上能級，有效的減小了量子虧損，使得激光晶體可以承受大于150W泵浦功率，在高功率泵浦下，放大器具有非常高的增益。[0021]通過采用法拉第旋光器7配合薄膜偏振片9實現激光的雙程放大，種子光經過薄膜偏振片9后，經過法拉第旋光器7，偏振態(tài)旋轉45°，經過第一次放大后，種子光被反射回激光晶體內部做二次放大，再次經過法拉第旋光器7時偏振態(tài)再次旋轉45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉90°，所以經過偏振片可以透射輸出，從而實現激光雙程放大。[0022]皮秒種子光脈沖經過透鏡聚焦到聲光選單器內部，將MHz的種子光選為kHz的種子光，種子光再經過透鏡準直后經過薄膜偏振片9及法拉第旋光器7后，偏振態(tài)旋轉45°， 經過反射鏡入射到激光晶體5后完成第一次放大，放大后的激光脈沖經過平面鏡反射返回到激光晶體5中，完成種子光的第二次放大。第二次放大后的激光脈沖沿著原入射光路透過法拉第旋光器7,經過法拉第旋光器7后放大激光的偏振態(tài)再次旋轉45° ,此時的偏振態(tài)與第一次入射到薄膜偏振片的偏振態(tài)垂直，完成雙程放大的激光會從薄膜偏振片透射出來。[0023]采用通過控制聲光選單器有效電平時間，靈活控制單個脈沖包絡的輸出脈沖數量，脈沖包絡數量可以從I到幾百個脈沖靈活改變。[0024]激光晶體為Nd:YV04，晶體尺寸為3X3X30mm3，晶體有I. 5°楔角，防止高功率泵浦下晶體自激振蕩，通循環(huán)水對晶體進行精確冷卻控溫。[0025]為提高放大器的提取效率，種子源激光經過激光晶體時的偏振態(tài)為45°偏振，激光晶體的放置必須滿足其偏振在45°方向。[0026]脈沖選單技術為聲光脈沖選單技術，通過控制聲光選單器有效電平時間，靈活控制單個脈沖包絡的輸出脈沖數量，脈沖包絡數量從I到幾百個脈沖靈活改變。實施例[0027]根據上述技術方案，構建輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器實驗裝置。在抽運光功率150w時，脈沖重復率為IOOkHz時，放大器輸出功率為4W，用光束質量分析儀測得光束質量因子M2 X和Y方向值分別為I. 28及I. 30。通過改變聲光選單器有效電平時間，實現單個脈沖包絡內脈沖數量從I到幾百個靈活改變，從而實現激光峰值功率的靈活調整。觀察單個脈沖輸出波形圖和多個脈沖輸出波形圖。從結果可以看出，本實用新型輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器具有放大增益高、峰值功率靈活調整、 光束質量好、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，可以商品化用于皮秒激光應用領域。[0028]需要理解到的是以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于包括半導體二極管(I)、激光晶體(5)、法拉第旋光器(7)和皮秒光纖種子源(13)，半導體二極管(I)依次銜接第一透鏡(2)和第二透鏡(3)，第二透鏡(3)銜接第一平面鏡(4)，第一平面鏡(4)銜接激光晶體(5 )，激光晶體(5 )銜接第二平面鏡(6 )，所述皮秒光纖種子源(13 )銜接第四透鏡(12)，第四透鏡(12)銜接聲光脈沖選單器(11)，聲光脈沖選單器(11)銜接第三透鏡(10)，第三透鏡(10)銜接薄膜偏振片(9)，薄膜偏振片(9)銜接第三平面鏡(8)，第三平面鏡(8)銜接法拉第旋光器(7)，法拉第旋光器(7)與第一平面鏡(4)相銜接。
2.根據權利要求I所述的一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述半導體二極管(I)是輸出功率為150W的888. 5nm波段半導體二極管，其尾纖纖芯直徑為400微米，數值孔徑NA=O. 22。
3.根據權利要求I所述的一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述激光晶體(5)為Nd:YV04，晶體具有楔角，晶體摻雜濃度在0. 5% 1%，晶體長度位于25 5Ctam。
4.根據權利要求I所述的一種輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，其特征在于所述皮秒光纖種子源(13)是種子源頻率為IOMHz 80MHz光纖激光器。
專利摘要本實用新型涉及輸出脈沖數可靈活調節(jié)的高峰值功率皮秒激光器，半導體二極管依次銜接第一透鏡和第二透鏡，第二透鏡銜接第一平面鏡，第一平面鏡銜接激光晶體，激光晶體銜接第二平面鏡，所述皮秒光纖種子源銜接第四透鏡，第四透鏡銜接聲光脈沖選單器，聲光脈沖選單器銜接第三透鏡，第三透鏡銜接薄膜偏振片，薄膜偏振片銜接第三平面鏡，第三平面鏡銜接法拉第旋光器，法拉第旋光器與第一平面鏡相銜接；種子光經過薄膜偏振片后，經過法拉第旋光器，偏振態(tài)旋轉45°，第一次放大后，種子光被反射回激光晶體內部做二次放大，再經過法拉第旋光器時偏振態(tài)再旋轉45°，相對于放大前激光偏振態(tài)旋轉90°，經過偏振片透射輸出，實現激光雙程放大。
文檔編號H01S3/081GK202817481SQ20122044897
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權日2012年9月5日
發(fā)明者趙裕興, 李立衛(wèi) 申請人:蘇州德龍激光股份有限公司