高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统

摘要

一种高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，由激光种子脉冲源、脉冲展宽器、DPA再生腔、双通DPA模块和脉冲压缩器构成。激光种子脉冲源输出种子脉冲，首先经脉冲展宽器展宽为啁啾脉冲，然后通过DPA再生腔和双通DPA模块对其进行功率放大，最终利用脉冲压缩器对放大后的啁啾脉冲进行压缩。该系统通过在CPA框架内串联多级DPA模块的方式，且DPA模块具有多程脉冲放大的功能，可提高其脉冲功率放大能力且有效抑制非线性效应的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及高功率激光脉冲放大技术，特别是一种高功率激光分离啁啾脉冲多 程放大系统。

背景技术

1960年，美国Hughes实验室的Maiman发明了红宝石脉冲激光器。在毫秒级光 脉冲的泵浦下，红宝石激光器输出微秒量级的尖峰序列，其峰值功率为kW量级。 随后，调Q技术和锁模技术迅速发展，激光脉冲峰值功率可达GW（10⁹W）量级。 当继续提高激光功率时，光束自聚焦等非线性效应加剧，终而导致光学介质损伤。 1985年，美国Rochester大学的D.Strickland和G.Mourou应用啁啾脉冲放大（CPA） 技术很好的解决了上述难题。种子脉冲先被展宽为啁啾脉冲，经功率放大后再被压 缩为超短脉冲。利用CPA技术可以使激光脉冲峰值功率达到TW（10¹²W）甚至PW （10¹⁵W）量级。CPA技术的应用打破了介质承受阈值的限制，极大的推动了超强 超短激光技术的发展。但对于窄带激光脉冲，由于难以将其脉宽展宽至足够宽度， 故而传统的CPA技术已不太适用。近些年来，分离脉冲放大（DPA）技术的发展为 窄带激光脉冲放大问题提供了较好的解决方案。

2007年，Shian Zhou、Frank W.Wise和Dimitre G.Ouzounov提出了分离脉冲放 大（以下简称为DPA）技术，利用钒酸钇（YVO4）晶体阵列实现了脉冲的分离与 复合（Optics letters,2007,32(7):871-873）。DPA的基本原理是，先将种子脉冲分离 为两个乃至多个脉冲，该脉冲序列经放大后再整合为一个脉冲。与CPA技术对比可 知，利用DPA技术可以突破光谱带宽对脉冲展宽的限制，从而很好的弥补了传统 CPA技术的不足。2012年，S.Roither和A.J.Verhoef等人利用Sagnac环形光路同 样实现了脉冲的分离与复合，利用该方法可以更方便有效的对脉冲分离距离进行扩 展和控制（Optics express,2012,20(22):25121-25129）。同年，L.J.Kong和F.W.Wise 等人利用非线性晶体阵列DPA的方法获得了峰值功率为兆瓦量级的皮秒量级脉冲 （Optics letters,2012,37(2):253-255），L.Daniault等人利用双折射晶体阵列和Sagnac 环形光路结构对飞秒量级脉冲进行了分离、放大与复合（Optics express,2012,20(19): 21627-21634）。2013年，Yoann Zaouter和Florent Guichard等人将CPA技术和DPA 技术结合为CPA-DPA技术（Optics letters,2013,38(2):106-108），并深入探讨了放大 脉冲的复合与压缩等方面的问题（Optics letters,2013,38(21):4437-4440）。同年， Marco Kienel和Arno Klenke等人也报道了对提高脉冲复合与压缩效率等方面的研究 （Optics Express,2013,21(23):29031-29042；Optics letters,2013,38(22):4593-4596）。 然而在上述系统之中大多只包含单级DPA，仍以实现单程或双程脉冲放大为主。与 已有CPA系统相比，现有DPA相关系统的功率放大能力仍显不足。为了加快DPA 技术的实用化进程，亟需提高DPA以及CPA-DPA系统的脉冲放大效率。

发明内容

本发明提供一种高功率激光分离啁啾脉冲放大系统，该系统大大提高了 CPA-DPA系统的脉冲功率放大能力，这将促进CPA-DPA以及DPA技术在高功率激 光技术领域内的推广应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，特点在于其构成包括激光种子脉 冲源、脉冲展宽器、DPA再生腔、双通DPA模块和脉冲压缩器。激光种子脉冲源输 出种子脉冲，首先经脉冲展宽器展宽为啁啾脉冲，然后通过DPA再生腔和双通DPA 模块对其进行功率放大，最终利用脉冲压缩器对放大后的啁啾脉冲进行压缩。

所述的脉冲展宽器与脉冲压缩器可参考传统CPA系统中的技术方案（Optik& Photonik,2010,5(4):30-33）。

所述的DPA再生腔的构成：在入射p偏光方向上依次放置第一薄膜偏振镜，第 一泡克耳斯盒、第一λ/4波片、第一0°反射镜，所述第一λ/4波片的快（慢）轴 方向与p偏光的偏振方向之间的夹角为45°，返回s偏光在第一薄膜偏振镜处发生 反射，在s偏光反射方向上依次放置第一脉冲分离/复合器、第一激光增益介质、 第二λ/4波片、第二0°反射镜，所述第二λ/4波片的快（慢）轴方向与p偏光的 偏振方向之间的夹角为45°。其工作过程可描述为，p偏光脉冲透过第一薄膜偏振 镜进入腔内，依次经过未加电压的第一泡克耳斯盒、第一λ/4波片，所述第一λ/4 波片的快（慢）轴方向与p偏光的偏振方向之间的夹角为45°，于是p偏光脉冲变 为圆偏光脉冲，圆偏光脉冲经第一0°反射镜反射后再次通过第一λ/4波片、未加 电压的第一泡克耳盒，圆偏光脉冲变为s偏光脉冲，s偏光脉冲的偏振方向垂直于p 偏光的偏振方向，s偏光脉冲在第一薄膜偏振镜处反射，然后经第一脉冲分离/复合 器产生由s偏光脉冲和p偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第一激光 增益介质处放大并通过第二λ/4波片，所述第二λ/4波片的快（慢）轴方向与p偏 光的偏振方向之间的夹角为45°，于是线偏光脉冲序列变为圆偏光脉冲序列，圆偏 光脉冲序列经第二0°反射镜反射后再次通过第二λ/4波片，圆偏光脉冲序列又变 为由s偏光脉冲和p偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列经再次在第一激 光增益介质处放大并通过脉冲分离/复合器而合成为s偏光脉冲，s偏光脉冲经第一 薄膜偏振镜反射，再依次经过加λ/4电压的第一泡克耳斯盒、第一λ/4波片，s偏 光脉冲变为p偏光脉冲，p偏光脉冲经第一0°反射镜反射后再次通过第一λ/4波片、 加λ/4电压的第一泡克耳斯盒，p偏光脉冲又变为s偏光脉冲，于是s偏光脉冲便被 锁定在腔内继续放大，当撤除第一泡克耳斯盒上所加的λ/4电压后便可在第一薄膜 偏振镜处输出再生放大脉冲。

所述的双通DPA模块的构成包括：在入射p偏光方向上依次放置第二薄膜偏振 镜、第一45°法拉第旋光器、第一λ/2波片、第三薄膜偏振镜、第二脉冲分离/复 合器、第二激光增益介质、第二45°法拉第旋光器、第三0°反射镜，调节所述第 一λ/2波片的快（慢）轴方向使得出射光仍为p偏，返回s偏光在第三薄膜偏振镜 处发生反射，在s偏光反射方向上放置第四0°反射镜。其工作过程可描述为，p偏 光脉冲透过第二薄膜偏振镜后，再经过第一45°法拉第旋光器、第一λ/2波片，调 节所述第一λ/2波片的快（慢）轴方向使得脉冲仍为p偏，p偏脉冲继续透过第三 薄膜偏振镜，然后经第二脉冲分离/复合器产生由s偏光脉冲和p偏光脉冲所组成的 线偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质处放大后通过第二45°法拉第旋光 器在第三0°反射镜处反射，s偏光脉冲和p偏光脉冲两次通过第二45°法拉第旋光 器后偏振方向均转过90°，脉冲序列经再次放大并通过第二脉冲分离/复合器而合成 为s偏光脉冲，s偏光脉冲依次经第三薄膜偏振镜、第四0°反射镜、第三薄膜偏振 镜反射后，再次经第二脉冲分离/复合器产生由s偏光脉冲和p偏光脉冲所组成的线 偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质处放大后通过第二45°法拉第旋光器， 经第三0°反射镜处反射后再次通过第二45°法拉第旋光器，脉冲序列在第二激光 增益介质处放大后并通过第二脉冲分离/复合器而合成为p偏光脉冲，p偏光脉冲透 过第三薄膜偏振镜后，继续通过第一λ/2波片、第一45°法拉第旋光器而变为s偏 光脉冲，s偏光脉冲在第二薄膜偏振镜处发生反射，如此便可实现双通DPA。

所述的脉冲分离器与脉冲复合器功能相反而结构相同，脉冲分离/复合器大体可 分为双折射式和透射-反射式等两种类型。通常情况下，双折射式脉冲分离/复合器主 要由双折射晶体阵列构成（请参见Optics letters,2007,32(7):871-873），透射-反射式 脉冲分离/复合器则主要由薄膜偏振镜和λ/2波片或45°法拉第旋光器构成（请参见 Optics express,2012,20(22):25121-25129）。假设脉冲分离器由N个脉冲分离单元所 组成，则入射脉冲经脉冲分离器作用后将产生2^N个子脉冲。

与先技术相比，本发明具有以下显著特点：

1.在CPA-DPA系统中，通过多级DPA串联的方式，提高其脉冲功率放大能力。

2.通过构建DPA再生腔和双通DPA模块，实现多程DPA，进一步提高CPA-DPA 系统的脉冲放大效率。

附图说明

图1为本发明高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统结构示意图。

图2为本发明的DPA再生腔光路结构示意图。

图3为本发明的双通DPA模块光路结构示意图。

图4为实施例中透射-反射式脉冲分离单元的光路示意图。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。

请先参阅图1，图1为本发明高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统结构示意 图。由图可见，本发明高功率激光分离啁啾脉冲多程放大系统，其构成包括激光种 子脉冲源1、脉冲展宽器2、DPA再生腔3、双通DPA模块4和脉冲压缩器5，激光 种子脉冲源1输出种子脉冲，经脉冲展宽器2展宽为啁啾脉冲，然后通过DPA再生 腔3和双通DPA模块4对其进行功率放大，最终利用脉冲压缩器5对放大后的啁啾 脉冲进行压缩。所述的脉冲展宽器2和脉冲压缩器3可分别采用型展宽器和 Treacy型压缩器。

请参阅图2，图2为本发明的DPA再生腔的光路结构示意图。由图可见，p偏 光脉冲透过第一薄膜偏振镜301进入腔内，依次经过未加电压的第一泡克耳斯盒 302、第一λ/4波片303，所述第一λ/4波片303的快（慢）轴方向与p偏光的偏振 方向之间的夹角为45°，于是p偏光脉冲变为圆偏光脉冲，圆偏光脉冲经第一0° 反射镜304反射后再次通过第一λ/4波片303、未加电压的第一泡克耳斯盒302，圆 偏光脉冲变为s偏光脉冲，s偏光脉冲的偏振方向垂直于p偏光的偏振方向，s偏光 脉冲在第一薄膜偏振镜处301反射，然后经第一脉冲分离/复合器305产生由s偏光 脉冲和p偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第一激光增益介质306处 放大并通过第二λ/4波片307，所述第二λ/4波片307的快（慢）轴方向与p偏光 的偏振方向之间的夹角为45°，于是线偏光脉冲序列变为圆偏光脉冲序列，圆偏光 脉冲序列经第二0°反射镜308反射后再次通过第二λ/4波片307，圆偏光脉冲序列 又变为由s偏光脉冲和p偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第一激光 增益介质306处放大并通过第一脉冲分离/复合器305而合成为s偏光脉冲，s偏光 脉冲经第一薄膜偏振镜301反射，再依次经过加λ/4电压的第一泡克耳斯盒302、 第一λ/4波片303，s偏光脉冲变为p偏光脉冲，p偏光脉冲经第一0°反射镜304 反射后再次通过第一λ/4波片303、加λ/4电压的第一泡克耳斯盒302，p偏光脉冲 又变为s偏光脉冲，于是s偏光脉冲便被锁定在腔内继续放大，当撤除第一泡克耳 斯盒302上所加的λ/4电压后放大脉冲在第一薄膜偏振镜301处透射输出。

请参阅图3，图3为本发明的双通DPA模块的光路结构示意图。由图可见，p 偏光脉冲透过第二薄膜偏振镜401后，再经过第一45°法拉第旋光器402、第一λ /2波片403，调节所述第一λ/2波片403的快（慢）轴方向使得脉冲仍为p偏，p偏 脉冲继续透过第三薄膜偏振镜404，然后经第二脉冲分离/复合器405产生由s偏光 脉冲和p偏光脉冲所组成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质406处 放大后通过第二45°法拉第旋光器407在第三0°反射镜408处反射，s偏光脉冲和 p偏光脉冲两次通过第二45°法拉第旋光器407后偏振方向均转过90°，脉冲序列 在第二激光增益介质406处放大并通过第二脉冲分离/复合器405而合成为s偏光脉 冲，s偏光脉冲依次经第三薄膜偏振镜404、第四0°反射镜409、第三薄膜偏振镜 404反射后，再次经第二脉冲分离/复合器405产生由s偏光脉冲和p偏光脉冲所组 成的线偏光脉冲序列，脉冲序列在第二激光增益介质406处放大后通过第二45°法 拉第旋光器407，经第三0°反射镜处408反射后再次通过第二45°法拉第旋光器 407，脉冲序列在第二激光增益介质406处放大并通过第二脉冲分离/复合器405而 合成为p偏光脉冲，p偏光脉冲透过第三薄膜偏振镜404后，继续通过第一λ/2波 片403、第一45°法拉第旋光器402而变为s偏光脉冲，s偏光脉冲在第二薄膜偏振 镜401处反射输出。

所述的脉冲分离/复合器由若干透射-反射式脉冲分离单元串联而成。请参阅图 4，图4为透射-反射式脉冲分离单元的光路示意图。由图可见，入射p偏光或s偏 光脉冲透过第二λ/2波片0501后其偏振方向转过45°，所述第二λ/2波片0501的 快（慢）轴方向与光脉冲原偏振方向之间的夹角为22.5°，该光脉冲经由第四薄膜 偏振镜0502分离为一个p偏光子脉冲和一个s偏光子脉冲，p偏光子脉冲透过第四 薄膜偏振镜0502、第五薄膜偏振镜0506，s偏光子脉冲依次经第四薄膜偏振镜0502、 第一45°反射镜0503、第二45°反射镜0504、第五薄膜偏振镜0506反射，第一 45°反射镜0503和第二45°反射镜0504安装在第一平移台0505上，通过移动第 一平移台0505可以改变s偏光子脉冲的光程，p偏光子脉冲和s偏光子脉冲经由第 五薄膜偏振镜0506而实现共线传播。经放大返回后的子脉冲偏振方向均转过45°， 即原p偏光子脉冲变为s偏光子脉冲而s偏光子脉冲变为p偏光子脉冲。p偏光子脉 冲透过第五薄膜偏振镜0506、第四薄膜偏振镜0502，s偏光子脉冲依次经第五薄膜 偏振镜0506、第二45°反射镜4、第一45°反射镜0503、第四薄膜偏振镜0502反 射，p偏光子脉冲和s偏光子脉冲在第四薄膜偏振镜0502处复合为一个光脉冲，该 光脉冲透过第二λ/2波片0501后的偏振方向与原入射脉冲的偏振方向相同或垂直。