專利名稱：高重復頻率超短激光脈沖產生方法
技術領域：
本發明是一種可產生高重復頻率、高穩定性、高能量超短激光脈沖的方法。此方法 結合了腔倒空SESAM鎖模激光技術及再生放大技術。本方法提高了主震蕩器種子激光利用 率及再生放大器的穩定性，同時有效抑制了自發輻射光放大(ASE)對輸出脈寬的影響。
背景技術：
基于SESAM的鎖模激光器的重復頻率取決于腔長，重復頻率一般在20-200兆赫茲 (MHz)之間，輸出功率為幾百毫瓦(mW)-幾十瓦(W)，但由于重復頻率過高，鎖模光單脈沖能 量只有幾納焦(nj)至百納焦(nj)。不能滿足應用的要求，以激光打微孔為例，美國相干公 司(Coherent Inc.)研究結果表明，激光的單脈沖能量至少要高于50微焦(uj)，甚至幾百 微焦(uj)才能實現50微米(um)以上厚度材料的加工。為達到上述能量值，需將鎖模光脈沖能量放大IO3 IO4倍以上，但鎖模脈沖寬度 很窄，傳統的行波放大方式對鎖模光的單程增益很低，需要多程放大才能將鎖模光能量放 大到IO3倍以上。最佳的放大方式為再生放大，與傳統行波放大不同，再生放大器本身包含 諧振腔，鎖模種子光在再生放大腔的兩個腔鏡間往返傳播，通過控制往返傳播的次數來控 制放大次數，可將種子光放大幾十次甚至上百次，當脈沖能量達到最大時，放大光被導出再 生放大器腔外。再生放大器可將種子光的能量放大IO6被甚至更高，且輸出光具有良好的 光束質量。2004 年 Opt. Express 12，pp. 759-1768 上 DSrring 和 2008 年專利 WO 2008/016^7Α1上MiWiail Grishin指出，注入種子光能量的高低會對高重復頻率再生放 大器的工作狀態產生重要影響。高單脈沖能量種子光注入再生放大器，輸出的放大光為單 一的脈沖能量(如圖2(b))，而低單脈沖能量的種子光注入再生放大器，放大光會出現一 高一低兩個能量的雙穩態情況(如圖2(c))；采用高能量鎖模激光作為種子光的另一優勢 是減少了種子光在再生放大器中的放大次數，從而縮短了再生放大器內普克爾盒的開門時 間，這有利于抑制再生放大腔內激光工作物質產生的自發輻射被放大形成激光震蕩(放大 的自發輻射ASE)，圖1(a) (c)示出了不同能量種子光((a)圖種子光能量(b)圖(c)圖) 注入再生放大器進行放大時，脈沖能量隨時間的變化關系((a)圖脈沖能量達到最大時間 為、；(b)圖脈沖能量達到最大時間為t2 ； (c)圖脈沖能量達到最大時間為t3 ；且t3 > t2 > 、)。即便沒有鎖模光注入，由于ASE效應，再生放大器本身就可以產生激光震蕩，圖1(d)示 出了在沒有種子光注入時，再生放大腔自發輻射光的能量隨時間的變化關系。普克爾盒開 門時間足夠長時，ASE產生的震蕩光功率甚至超過種子光注入產生再生放大光的功率。兩 者區別是，ASE產生的震蕩光脈寬為ns量級，腔倒空后輸出激光的脈寬與再生放大腔腔長 有關，而種子注入再生放大器輸出的放大光與注入種子光脈寬幾乎相同(不考慮增益窄化 效應的影響)，與再生放大器腔長無關。如果在再生放大過程中不能消除掉ASE的影響，輸 出光的脈沖寬度、放大光相對于背景光的對比度及脈沖穩定性將受到影響。具有大的受激 發射截面的Nd:YV04及Nd:GdV04晶體更容易產生ASE。
為提高再生放大器輸出脈沖的穩定性及抑制ASE現象發生，2005年J. Kleinbauer 在Appl. Phys. B 81，163-166上報道，采用大單脈沖能量41nJ，重復頻率70MHz，平均功率 2. 9W的鎖模光作為種子源，獲得了平均功率13W，重復頻率200KHz的穩定再生放大光輸出。 為防止無用的鎖模光脈沖萃取再生放大器激光晶體的儲能而降低再生放大效率，在鎖模光 向再生放大器注入種子光的光路中加入脈沖選擇器(Pulse Picker, PP)，將鎖模光脈沖的 重復頻率從70MHz降為200KHz。這導致鎖模光的利用率僅有0.四％，即2. 9W鎖模光僅有 8. ^mW被用做種子光，其余的鎖模光均被浪費，系統結構如圖2所示。上述方法的另一個間題是，鎖模種子源激光晶體及SESAM承受較大的熱負 荷，不利于延長SESAM的使用壽命。為了避免這個問題，MiWiail Grishin(專利WO 2008/016287A1)采用低功率鎖模源，加預放大方法提升種子光的單脈沖能量。具體來說，鎖 模源輸出的單脈沖能量僅為InJ 幾nj，平均輸出功率IOOmW 幾百mW。為了防止無用的 鎖模光脈沖萃取預放大器和再生放大器中的能量，同樣采用脈沖選擇器從鎖模脈沖序列中 選出與再生放大器頻率相同的脈沖序列作為種子源。將選出的鎖模光脈沖( IOOKHz)導 入預放大器進行單程或雙程放大，將單脈沖能量放大至50nJ以上，再導入再生放大器進行 最終放大。與J. Kleinbauer的方法相比，MiWiail Grishin的鎖模源成本低，采用3W的半導 體泵浦源便可產生百mW的鎖模光，且激光晶體和SESAM的熱負荷小，有利于延長SESAM的 使用壽命。低能量鎖模光經過脈沖選擇器后，重復頻率被降低，從而有效地防止了無用的鎖 模光萃取預防大器內存儲的能量，這有利于提高被選出鎖模激光(ΙΟΟΚΗζ)的放大倍數。但 脈沖選擇器同樣需要二分之一波長電壓來選脈沖，其驅動電源仍承受很大壓力。且后者還 需要一級預放大才能將鎖模光放大到所需的單脈沖能量，系統變得更復雜，如圖3所示，這 不利于提高系統的穩定性。為增大鎖模激光的單脈沖能量，采用的方法還有2009年U. Wegner等人在 OPTICSEXPRESS(Vol. 17, No. 25)上報道，通過腔倒空SESAM鎖模方式實現重復頻率1MHz，單 脈沖能量IOuJ的皮秒激光脈沖輸出，但其相對較高的單脈沖能量，尤其是在激光器啟動時 的調Q鎖模過程，容易導致鎖模元件SESAM的損傷。目前，全光纖皮秒激光器同樣可實現高功率輸出，但由于損傷原因，單脈沖能量也 限制在IOuJ以下。上述獲得幾十Uj到更高單脈沖能量的超短激光脈沖產生方法存在如下缺點1.高功率鎖模激光器內的激光晶體及SESAM鎖模元件需要承受很高的熱負荷，不 利于延長SESAM的壽命。2.作為脈沖選擇器的普克爾盒需加半波電壓，驅動電源產生的熱量與加到普克爾 盒兩端電壓的平方成正比，即驅動電源產生半波電壓時所散發的熱量是產生四分之一波長 電壓產生熱量的四倍。這增大了脈沖選擇器驅動電源的的熱負荷，不利于提高激光器的重
復頻率。3.鎖模光極低的利用率導致整個激光系統成本增加。因此，有必要建立一種可產生高重復頻率、高穩定性、高能量超短激光脈沖的方 法，此方法可克服先前技術的缺點，減小鎖模激光的熱負荷及電光調制電源的壓力，顯著提 高鎖模激光的利用效率，同時有效抑制了自發輻射光放大對輸出光脈寬和穩定性的影響。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種可產生高重復頻率(IkHz 500kHz)、高脈沖穩定 性、高單脈沖能量(幾十uj 幾百uj)的全固態超短激光脈沖的方法。該方法包括下列步 驟采用半導體激光器9端面泵浦源或半導體激光器9側面泵浦源，泵浦Nd: YAG或 Nd GdVO4 或 Nd YVO4 或 Nd YLF 或 Yb YAG 或 Yb Glass 或 Yb KYff 激光工作物質 11，通過腔 倒空SESAM鎖模技術，獲得單脈沖能量大于50nJ、激光脈沖寬度介于lOOfs-lns之間的激光 作為種子源8 ；將此種子光18導入與之工作頻率相同的半導體激光器連續端面泵浦或半導體激 光器連續側面泵浦的Nd:YAG或NdiGdVO4或NdiYVO4或Nd:YLF或Yb:YAG或Yb:Glass或 YbiKYff再生放大器5進行放大，從而實現超短激光脈沖輸出23。上述的端面泵浦源是連續端面泵浦源或者準連續端面泵浦源，側面泵浦源是連續 側面泵浦源或者準連續側面泵浦源。在上述的方法中，當所使用的半導體激光泵浦源為連續端面泵浦或者連續側面泵 浦時，種子源8和再生放大器5工作頻率的選擇范圍是10kHz-500kHz ；當所使用的半導體 激光泵浦源為準連續端面泵浦或者準連續側面泵浦時，種子源8和再生放大器5工作頻率 的選擇范圍是IkHz-IOkHz。當所使用的半導體激光泵浦源為連續端面泵浦或者連續側面泵浦時，最終得到單 脈沖能量50uJ到200uJ的超短激光脈沖輸出23 ；當所使用的半導體激光泵浦源為準連續 端面泵浦或者準連續側面泵浦時，最終得到單脈沖能量50uJ到ImJ的超短激光脈沖輸出 23。與先前技術相比，本發明方法具有如下優勢1.腔倒空SESAM鎖模易于產生大單脈沖能量的鎖模激光脈沖，有利于高重復工作 頻率的再生放大光，實現穩定的輸出，并且能有效抑制自發輻射光放大(ASE)的發生。2.腔倒空SESAM鎖模激光的重復頻率與再生放大頻率相同，腔倒空輸出的每個種 子光均被放大，極大地提高了種子光的利用效率。3.腔倒空SESAM鎖模激光器采用低功率泵浦源( 3W)減少了激光器成本，也減 少了激光晶體及SESAM的熱負荷，有利于延長腔倒空種子源的壽命。4.腔倒空SESAM鎖模激光器采用電光調制器進行腔倒空，與在鎖模激光器外選脈 沖的方式相比，前者只需給電光調制晶體加四分之一波長電壓或更低，將驅動電源的熱負 荷降低了 3/4以上，有利于提高電光調制驅動電源的工作頻率，從而提高再生放大器的重 復頻率。
圖1(a) (C)示出再生放大器對不同能量種子光進行放大時，再生放大腔內能量 的變化過程，即再生放大成長過程波形。圖1(d)示出在沒有種子光注入時，再生放大腔的增益介質產生的自發輻射在諧 振腔內能量的變化過程，即再生放大腔調Q包絡。
圖2(a)示出了先前技術光路示意圖，利用脈沖選擇器將高重復頻率( 100MHz) 的鎖模光頻率降低到與再生放大器相同的重復頻率( ΙΟΟΚΗζ)，然后導入放大腔進行放 大，防止無用的鎖模光萃取放大器內增益介質的儲能。圖2 (b)示出了將低能量鎖模激光( InJ)選脈沖后作為種子光時，再生放大輸 出效果。圖2 (c)示出了將高能量鎖模激光( 50nJ)選脈沖后作為種子光時，再生放大輸 出效果。圖3 (a)示出了將低能量鎖模激光( InJ)選脈沖，然后導入雙通放大器進行預 放大后，獲得高能量( 50nJ)種子光，再進行再生放大的光路示意圖。圖3 (b)示出了圖3 (a)所示光路結構所獲得的再生放大效果。圖4 (a)示出了腔倒空SESAM鎖模激光器作為種子源，直接產生重復頻率與再生放 大器重復頻率相同，單脈沖能量> 50nJ的種子光，直接進行再生放大的光路示意圖。圖4(b)和(c)示出了圖4(a)所示光路結構所獲得的再生放大效果。圖中，1為鎖模振蕩源，2為脈沖選擇器，3為脈沖選擇器中的普克爾盒，4為光隔離 器，5為再生放大器，6為再生放大器中的普克爾盒，7為前置放大器，8為種子源，9為腔倒空 SESAM鎖模激光器的泵浦源，10為泵浦源的準直聚焦鏡，11為激光工作物質，12何14為凹 面反射鏡，13和19為平面反射鏡，15為SESAM，16為腔倒空SESAM鎖模激光器中的普克爾 盒，17為偏振片，18為腔倒空SESAM鎖模激光器輸出的垂直偏振種子光，20為λ /4波片，21 為光隔離器，21a為法拉第旋轉器，21b為λ /2波片，22為水平偏振光，23為經再生放大器 放大后輸出的垂直偏振光，M為腔倒空SESAM鎖模激光器腔內光在一個時間周期(1/F)內 的變化過程，25為從種子光倒出到再生放大光輸出這一時間段，沈為普克爾盒16加壓脈沖 時間序列，27為再生放大器普克爾盒6加壓脈沖時間序列，28為再生放大腔內光脈沖成長 過程。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明圖1(a)示出了腔長1.2米，注入種子光能量50nJ，采用半導體連續泵浦再生放 大器的腔內成長過程波形。采用快速光電管探測再生放大腔某個全反鏡的漏光，橫坐標為 種子光在再生放大器內的震蕩時間，縱坐標為腔內震蕩光的光強，隨著震蕩次數的增多(t < 150ns)，種子光逐漸被放大，A時刻，種子光被放大到極大值，如果此時撤消普克爾盒兩 端的電壓，放大光將被導出到腔外。如果不撤消普克爾盒兩端的電壓，放大光會繼續在腔內 震蕩，但隨著時間的延長(t > 150ns)，脈沖能量會持續降低，這是因為再生放大器增益介 質內絕大部分儲能已被消耗，因此對激光的增益降低，當增益小于腔內損耗時，再生放大腔 就不能對震蕩光進行放大了。圖1 (b)示出了注入種子光能量IOnJ時，再生放大腔成長過程波形，由于注入種子 光能量低于前者，因此需要較多的放大次數才能達到增益飽和，t2時刻，種子光被放大到極 大值。圖1(c)示出了注入種子光能量為InJ時，再生放大器的成長過程波形，同樣，它需要 比注入種子光能量IOnJ時更多的放大次數，在t3時刻，種子光被放大到極大值。圖1(d)示出了沒有種子光注入，普克爾盒加壓時間足夠長時，用快速光電管監視再生放大腔某個全反鏡獲得的腔內自發輻射光產生的調Q包絡。在沒有外界受激輻射時， 自發輻射需要更長的時間才能建立起激光震蕩，在t4時刻，自發輻射光被放大到極大值。圖1 (c)中，注入種子光能量為11^，在t3時刻單脈沖能量達到極大值，但此時腔內 已產生自發輻射光放大(ASE)，這會影響輸出放大光的脈沖寬度及能量穩定性，為抑制自發 輻射光放大的產生，需要縮短普克爾盒加壓時間，若想同時保證種子光的能量被放大到極 大值，需要提高注入種子光的單脈沖能量，如圖1(a)和圖1(c)所示。圖2和圖3為先前技術的示意圖，采用脈沖選擇器2在鎖模激光器1外選出與再 生放大器5重復頻率相同的脈沖序列作為種子光，或在鎖模脈沖序列中選出脈沖，再經過 預放大7后在導入再生放大器進行放大。上述方法種子光利用效率低，結構復雜，且普克爾 盒3需加λ/2電壓才能使種子光的偏振態旋轉90°，從而和偏振片組合成脈沖選擇器，這 增加了普克爾盒驅動電源的制作難度，不利于提高再生放大的重復頻率。圖4(a)示出了本發明的系統光路圖。具體實施例一腔倒空SESAM鎖模激光器8采用半導體激光器9 (連續)作為激光晶體11的泵 浦源，半導體激光經過準直鏡IOa和聚焦鏡IOb整形后聚焦到激光晶體11內，準直聚焦鏡 10a, lib鍍對泵浦波長增透，震蕩激光全反的二向色膜，防止激光諧振腔的漏光經準直聚焦 鏡10b，IOa聚焦后而損壞泵浦源。激光晶體朝向泵浦源的端面Ila鍍對泵浦光波長增透，對 震蕩光波長高反的二向色膜，激光晶體11朝向諧振腔內的端面lib鍍對震蕩光的增透膜， 對于皮秒激光系統，激光晶體11的材料為Nd YAG, Nd YLF, Nd YV04，Nd GdV04等，對于飛秒 激光系統，激光晶體11材料為Nd:GlaSS，Yb:YAG, %:KYW等。在高重復頻率(> 100kHz) 條件工作時，最佳的晶體材料為Nd:YV04和Nd:GdV04，二者短的上能級壽命(< 90 μ s)支 持高重復頻率輸出；大的受激發射截面使得出光閾值低，光光轉換效率高；強的自然雙折 射特性保證在強泵浦情況下仍輸出偏振光。但二者具有較強的熱透鏡效應，即使在很低的 泵浦功率下，諧振腔內都需要對熱透鏡效應進行補償，諧振腔8中的凹面全反鏡12即起到 補償激光晶體熱透鏡效應的作用。全反鏡13a，1 用來折疊激光器光路，壓縮激光器體積， 凹面全反鏡14用來將腔內震蕩光聚焦到SESAM 15上，從而實現IOkHz 500kHz穩定鎖 模，SESAM上震蕩光斑半徑約為lOOum。垂直于震蕩光傳播方向旋轉激光晶體11，使腔內震 蕩光的偏振方向平行于水平面，然后在諧振腔內插入允許水平偏振光透過的布儒斯特偏振 片17，由于偏振片透震方向與震蕩光偏振方向平行，因此偏振片插入損耗很小。在腔內插 入電光調制普克爾盒16，通過控制普克爾盒16的加壓頻率來控制腔倒空輸出的重復頻率， 通過改變加壓大小來實現腔倒空輸出的倒空率，當普克爾盒16兩端施加λ /4電壓時，腔內 震蕩的水平偏振光在往返經過普克爾盒時被完全旋轉成垂直偏振光而被偏振片17反射出 諧振腔外形成腔倒空鎖模激光序列18，此時對應的倒空率為100% ；若施加到普克爾盒16 兩端的電壓值低于λ/4電壓，腔內震蕩的水平偏振光在往返經過普克爾盒時被部分旋轉 成垂直偏振光而輸出到諧振腔外，此時對應的倒空率低于100%。腔倒空脈沖序列18被全 反鏡19反射，經過λ /2波片后被旋轉為水平偏振光，再經過由偏振片17，法拉第光學旋轉 器21a和λ /2波片21b組成的光隔離器21后導入再生放大器5進行放大，當種子光能量 被放大到最大值時，撤銷掉再生放大器內的普克爾盒6兩端的λ/4電壓，放大光將沿注入 光22的反方向輸出，經光隔離器21后，放大光被旋轉為垂直偏振光23，從而防止反饋回腔倒空鎖模激光器損傷光學元件，以IOOkHz重復頻率為例，其輸出光效果如圖4(b)所示。圖4(d)示出了本發明的時序圖，波形M為采用快速光電管從腔倒空鎖模激光 器的某個全反鏡探測漏光的得到的腔內震蕩光的波形，腔內普克爾盒調制頻率為F(從 IOkHz 500kHz可選)，周期為1/F。波形沈為普克爾盒加壓波形序列，波形18為腔倒空 鎖模激光輸出單脈沖波形序列，波形27為再生放大器普克爾盒加壓脈沖序列，波形觀為 采用快速光電管從再生放大器的某個全反鏡探測漏光得到的再生放大成長過程波形序列 波形23為再生放大輸出單脈沖波形序列。虛線框25所包圍部分在時間軸上的放大圖如圖 4(e)所示，當腔倒空鎖模激光器完成一次腔倒空輸出，在下一次腔倒空開始前，腔內鎖模光 的幅度達到穩定值，采用此鎖模光脈沖序列M作為腔倒空普克爾盒的同步時鐘，通過調節 加壓延遲PD1可精確控制普克爾盒16加壓時鎖模激光相對于普克爾盒的位置，調節普克爾 盒16加壓脈沖^a的脈沖寬度PW1,使其寬度小于鎖模光周期Ι/f即可實現將腔內的鎖模光 脈沖Ma導出到腔外形成腔倒空輸出18a，鎖模光被導出腔外后，腔內鎖模光幅值會降低， 如波形24b所示。精確調節普克爾盒16和普克爾盒6的加壓延遲PD2,使腔倒空激光18a 在最佳的時刻導入再生放大器進行放大，通過調節再生放大器普克爾盒6加壓脈沖27a的 脈沖寬度PW2來控制鎖模光在再生放大器內的震蕩次數。波形28a為再生放大腔內成長過 程波形，成長過程波形內的脈沖間隔t取決于再生放大器的腔長，而腔長取決于普克爾盒 加壓的上升沿時間，典型的上升沿時間小于5ns，再生放大腔長值<&1，隨著加壓時間的延 長，腔內脈沖能量逐漸升高，當種子光能量被放大到極大值28b時，撤掉普克爾盒6兩端的 電壓27a，被放大到極大值的種子光脈沖28b將被導出到腔外，形成最終的單脈沖輸出23a。具體實施例二 腔倒空SESAM鎖模激光器8采用半導體激光器9 (準連續)作為激光晶體11的泵 浦源，半導體激光經過準直鏡IOa和聚焦鏡IOb整形后聚焦到激光晶體11內，準直聚焦鏡 10a, lib鍍對泵浦波長增透，震蕩激光全反的二向色膜，防止激光諧振腔的漏光經準直聚焦 鏡10b，IOa聚焦后而損壞泵浦源。激光晶體朝向泵浦源的端面Ila鍍對泵浦光波長增透，對 震蕩光波長高反的二向色膜，激光晶體11朝向諧振腔內的端面lib鍍對震蕩光的增透膜， 對于皮秒激光系統，激光晶體11的材料為Nd YAG, Nd YLF, Nd YV04，Nd GdV04等，對于飛秒 激光系統，激光晶體11材料為Nd:GlaSS，％:YAG，％:KYW等。凹面全反鏡12起到補償激光 晶體熱透鏡效應的作用。全反鏡13a，13b用來折疊激光器光路，壓縮激光器體積，凹面全反 鏡14用來將腔內震蕩光聚焦到SESAM 15上，從而實現IkHz IOkHz穩定鎖模，SESAM上震 蕩光斑半徑約為lOOum。垂直于震蕩光傳播方向旋轉激光晶體11，使腔內震蕩光的偏振方 向平行于水平面，然后在諧振腔內插入允許水平偏振光透過的布儒斯特偏振片17，由于偏 振片透震方向與震蕩光偏振方向平行，因此偏振片插入損耗很小。在腔內插入電光調制普 克爾盒16，通過控制普克爾盒16的加壓頻率來控制腔倒空輸出的重復頻率，通過改變加壓 大小來實現腔倒空輸出的倒空率，當普克爾盒16兩端施加λ /4電壓時，腔內震蕩的水平偏 振光在往返經過普克爾盒時被完全旋轉成垂直偏振光而被偏振片17反射出諧振腔外形成 腔倒空鎖模激光序列18，此時對應的倒空率為100% ；若施加到普克爾盒16兩端的電壓值 低于λ/4電壓，腔內震蕩的水平偏振光在往返經過普克爾盒時被部分旋轉成垂直偏振光 而輸出到諧振腔外，此時對應的倒空率低于100%。腔倒空脈沖序列18被全反鏡19反射， 經過λ/2波片后被旋轉為水平偏振光，再經過由偏振片17，法拉第光學旋轉器21a和λ/2波片21b組成的光隔離器21后導入再生放大器5進行放大，當種子光能量被放大到最大值 時，撤銷掉再生放大器內的普克爾盒6兩端的λ/4電壓，放大光將沿注入光22的反方向輸 出，經光隔離器21后，放大光被旋轉為垂直偏振光23，從而防止反饋回腔倒空鎖模激光器 損傷光學元件，以IkHz重復頻率為例，其輸出光效果如圖4(c)所示。
圖4(d)示出了本發明的時序圖，波形M為采用快速光電管從腔倒空鎖模激光 器的某個全反鏡探測漏光的得到的腔內震蕩光的波形，腔內普克爾盒調制頻率為F(從 IkHz IOkHz可選)，周期為1/F。波形沈為普克爾盒加壓波形序列，波形18為腔倒空鎖 模激光輸出單脈沖波形序列，波形27為再生放大器普克爾盒加壓脈沖序列，波形觀為采用 快速光電管從再生放大器的某個全反鏡探測漏光得到的再生放大成長過程波形序列波形 23為再生放大輸出單脈沖波形序列。虛線框25所包圍部分在時間軸上的放大圖如圖4(e) 所示，當腔倒空鎖模激光器完成一次腔倒空輸出，在下一次腔倒空開始前，腔內鎖模光的幅 度達到穩定值，采用此鎖模光脈沖序列M作為腔倒空普克爾盒的同步時鐘，通過調節加壓 延遲PD1可精確控制普克爾盒16加壓時鎖模激光相對于普克爾盒的位置，調節普克爾盒16 加壓脈沖26a的脈沖寬度PW1，使其寬度小于鎖模光周期Ι/f即可實現將腔內的鎖模光脈沖 2 導出到腔外形成腔倒空輸出18a，鎖模光被導出腔外后，腔內鎖模光幅值會降低，如波 形24b所示。精確調節普克爾盒16和普克爾盒6的加壓延遲PD2,使腔倒空激光18a在最 佳的時刻導入再生放大器進行放大，通過調節再生放大器普克爾盒6加壓脈沖27a的脈沖 寬度PW2來控制鎖模光在再生放大器內的震蕩次數。波形28a為再生放大腔內成長過程波 形，成長過程波形內的脈沖間隔t取決于再生放大器的腔長，而腔長取決于普克爾盒加壓 的上升沿時間，典型的上升沿時間小于5ns，再生放大腔長值< 2m，隨著加壓時間的延長， 腔內脈沖能量逐漸升高，當種子光能量被放大到極大值28b時，撤掉普克爾盒6兩端的電壓 27a，被放大到極大值的種子光脈沖28b將被導出到腔外，形成最終的單脈沖輸出23a。
權利要求
1.高重復頻率超短激光脈沖產生方法，其特征在于該方法包括下列步驟采用半導體激光器(9)端面泵浦源或半導體激光器(9)側面泵浦源，泵浦Nd: YAG或 Nd GdVO4 或 Nd YVO4 或 Nd YLF 或 Yb YAG 或 Yb Glass 或 Yb KYff 激光工作物質(11)，通過 腔倒空SESAM鎖模技術，獲得單脈沖能量大于50nJ、激光脈沖寬度介于lOOfs-lns之間的激 光作為種子源(8)；將此種子光(18)導入與之工作頻率相同的半導體激光器連續端面泵浦或半導體激光 器連續側面泵浦的 Nd YAG 或 Nd GdVO4 或 Nd YVO4 或 Nd YLF 或 Yb YAG 或 ％ Glass 或 Yb KYff 再生放大器( 進行放大，從而實現超短激光脈沖輸出03)。
2.根據權利要求1所述的高重復頻率超短激光脈沖產生方法，其特征在于所述的端面 泵浦源是連續端面泵浦源或者準連續端面泵浦源，側面泵浦源是連續側面泵浦源或者準連 續側面泵浦源。
3.根據權利要求2所述的高重復頻率超短激光脈沖產生方法，其特征在于，當所使用 的半導體激光泵浦源為連續端面泵浦或者連續側面泵浦時，種子源(8)和再生放大器(5) 工作頻率的選擇范圍是10kHz-500kHz ；當所使用的半導體激光泵浦源為準連續端面泵浦 或者準連續側面泵浦時，種子源(8)和再生放大器( 工作頻率的選擇范圍是lkHz-lOkHz。
4.根據權利要求2所述的高重復頻率超短激光脈沖產生方法，其特征在于，當所使用 的半導體激光泵浦源為連續端面泵浦或者連續側面泵浦時，最終得到單脈沖能量50uJ到 200uJ的超短激光脈沖輸出；當所使用的半導體激光泵浦源為準連續端面泵浦或者準 連續側面泵浦時，最終得到單脈沖能量50uJ到ImJ的超短激光脈沖輸出03)。
全文摘要
本發明提供一種獲得高重復頻率(1kHz～500kHz)、高脈沖穩定性、高單脈沖能量(50uJ～1mJ)的全固態超短激光脈沖方法，屬于超短激光脈沖技術領域。采用腔倒空SESAM鎖模與再生放大器相結合，提高了高重復頻率再生放大器的穩定性，并抑制自發輻射光放大(ASE)的發生。腔倒空鎖模激光種子源，其頻率與再生放大頻率相同，提高了種子光的利用效率。種子源采用低功率泵浦(～3W)減少了激光晶體及SESAM的熱負荷，有利于延長種子源的壽命。鎖模激光器外選脈沖需給電光調制晶體加λ/2電壓，而腔倒空鎖模激光器只需加λ/4電壓或更低，將電光調制驅動電源的熱負荷降低了3/4以上，有利于提高再生放大器的重復頻率。
文檔編號H01S3/098GK102074884SQ20101059524
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者常亮, 李港, 陳檬 申請人:北京工業大學