一种体布拉格光栅大能量皮秒激光器

摘要

本发明涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种体布拉格光栅大能量皮秒激光器。本发明公开的激光器包括：箱体，两个平行的体布拉格光栅端镜VBG分别设置在箱体内部的两端，构成光学谐振腔，在光学谐振腔内依次设置有电光开关、偏振片、饱和吸收体和增益泵浦模块、凹透镜。增益泵浦模块对激光晶体进行强泵浦产生振荡光，振荡光在饱和吸收体的作用下逐渐压缩为短脉冲。同时，在体布拉格光栅端镜VBG的作用下，脉宽进一步压缩。在脉冲能量最大的时刻，电光开关加上高压，即通过腔倒空技术，将大能量皮秒脉冲通过偏振片和全反光镜输出，获得大能量的皮秒脉冲激光,从而解决了现阶段大能量皮秒脉冲激光器体积大、器件复杂、稳定性低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种体布拉格光栅大能量皮秒 激光器。

背景技术

皮秒激光器在工业加工，表面改性处理，卫星测距、生命科学等领域应用 越来越广泛。生命体的各种代谢时间约在10^-12s，采用皮秒脉冲光能够影响这一 时间段的代谢作用，由此，在生命科学各研究中，皮秒激光器得到了广泛的应 用，其对哺乳动物细胞DAN的研究，有利的促进了人类对自己的认识。皮秒激 光脉冲窄，光的强度大，测距精度高，测量距离远，在卫星测距中其精度可达 3mm。在皮秒加工过程中，产生热量少，加工精度高，对材料没有选择性，冲 击强度大，在微纳加工及材料表面改性中应用广泛。同时，皮秒激光也是激光 频率变换的有效泵浦源。

通常情况下，大能量的皮秒脉冲，一般先由锁模产生重复频率为百兆赫兹， 单脉冲为纳焦量级皮秒脉冲种子光，接着进行再生放大，获得单脉冲能量毫焦 级的皮秒脉冲，再采用行波放大，获得更高能量的皮秒脉冲。锁模腔长越长， 模式数越多，越容易实现锁模，在考虑腔的损耗下，一般的稳定锁模腔长为1.5m 左右，而再生放大腔中，受电光开关开关时间(约5ns)作用的限制，一般腔长 达1.2m左右。由此，锁模加再生放大获得大能量的皮秒脉冲，激光器体积大， 器件复杂，稳定性也随之下降。

发明内容

本发明的目的在于一种体布拉格光栅大能量皮秒激光器，以解决现阶段获 得大能量的皮秒脉冲的激光器体积大、器件复杂、稳定性低的问题。

本发明提供了一种体布拉格光栅大能量皮秒激光器，其包括：

箱体，两个平行的体布拉格光栅端镜VBG分别设置在所述箱体内部的两 端，构成光学谐振腔，在所述光学谐振腔内依次设置有电光开关、偏振片、饱 和吸收体和增益泵浦模块；所述偏振片的反射光路上设置有全反镜，所述全反 镜用于将所述激光器产生的激光通过激光输出口输出，所述激光输出口设置在 所述箱体上；

所述箱体上还设置有一个以上电接线端接口，所述电光开关和增益泵浦模 块分别通过接线端接口连接有供电装置。

在一些实施例中，优选为，所述体布拉格光栅端镜VBG、饱和吸收体和增 益泵浦模块放置在热沉中。所述热沉为微型散热片，是通过冷却水或冷却气体 冷却的装置，所述箱体上设置有冷却循环接口。

所述增益泵浦模块为连续泵浦或准连续泵浦。当所述增益泵浦模块为准连 续泵浦时，所述电光开关所加电压的频率与准连续泵浦频率一致。

并且，所述光学谐振腔内还设置有四分之一波片，所述增益泵浦模块、凹 透镜和所述四分之一波片依次设置。所述体布拉格光栅端镜VBG、偏振片、饱 和吸收体、凹透镜、四分之一波片、全反镜和泵浦增益模块内的激光晶体都镀 有与振荡光的波段一致的增透膜或高反射膜。

所述光学谐振腔内还设置有小孔光阑，所述小孔光阑设置在所述电压装置 和所述偏振片之间；所述小孔光阑孔径小于所述增益泵浦模块内激光晶体的尺 寸，用于抑制高阶模振荡，提高光束质量。

所述全反镜为45°全反镜。

本发明实施例提供的体布拉格光栅大能量皮秒激光器，与现有技术相比， 箱体内的两端平行设置的体布拉格光栅端镜VBG形成光学谐振腔，在光学谐振 腔内依次设置有电光开关、偏振片、饱和吸收体和增益泵浦模块。利用增益泵 浦模块对激光晶体进行强泵浦产生振荡光，振荡光在饱和吸收体的作用下逐渐 压缩为短脉冲。而且，该激光器还设置有凹透镜，凹透镜补偿增益泵浦模块由 热效应引用的热透镜，保证了谐振腔内振荡光斑的大小，避免光斑过小，大能 量时的器件损坏。同时，在两端平行设置的体布拉格光栅端镜VBG的作用下， 脉宽进一步压缩。在脉冲能量最大的时刻，电光开关加上高压，即通过腔倒空 技术，将大能量皮秒脉冲通过偏振片和全反光镜输出。因此，有效的解决了现 阶段获得大能量的皮秒脉冲的激光器体积大、器件复杂、稳定性低的问题。

附图说明

图1为本发明一个实施例中体布拉格光栅大能量皮秒激光器结构示意图；

图2为本发明一个实施例中体布拉格光栅大能量皮秒激光器箱体侧视图；

图3为本发明一个实施例中体布拉格光栅大能量皮秒激光器箱体侧视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现阶段获得大能量的皮秒脉冲的激光器体积大、器件复杂、稳定性低 的问题，本发明提出了一种体布拉格光栅大能量皮秒激光器。如图1、图2、图 3所示，其具体包括：

箱体，两个平行的体布拉格光栅端镜VBG分别设置在箱体内部的两端，构 成光学谐振腔，在光学谐振腔内依次设置有电光开关2、偏振片4、饱和吸收体 5和增益泵浦模块6、凹透镜7。凹透镜7用于补偿增益泵浦模块热效应引用的 热透镜，保证谐振腔内振荡光斑的大小，避免光斑过小，大能量时的器件损坏。 偏振片4的反射光路上设置有全反镜10，全反镜10用于将激光器产生的激光通 过激光输出口14输出，激光输出口14设置在箱体上。箱体上还设置有一个以 上电接线端接口12，电光开关和增益泵浦模块通过电接线端接口12连接有供电 装置。

对于激光器，Q值越高，其损耗越小，效率越高。而在增益泵浦模块开始 泵浦激光工作时，谐振腔一直处于高损耗状态，激光无法在谐振腔内建立振荡， 直到上能级反转粒子数达到最大时，开关闭合，加上高压，则腔内损耗迅速由 高损耗变为低损耗，激光在腔内起振。虽然调Q获得短脉冲器件简单，体积小， 但一般只能获得纳秒或亚纳秒级的短脉冲，由此往往限制了短腔调Q过程在皮 秒脉冲产生过程中的应用。体布拉格光栅(VBG)在脉宽的展宽与压缩中得到 了广泛的应用，特别是在皮秒脉冲中。本发明专利巧妙的将主被动调Q腔倒空 与体布拉格光栅(VBG)相结合，将VBG作为谐振腔的两端镜，对饱和吸收体 所产生的脉冲在腔内多次压缩，最后经腔倒空输出。

电光开关2未加高压时，增益泵浦模块6加电流泵浦，则腔内激光振荡产 生振荡光，振荡光在饱和吸收体5的作用下逐渐压缩为短脉冲，短脉冲在腔内 振荡放大，脉冲宽度随饱和吸收体5调Q过程逐渐变短。在振荡过程中，经体 布拉格光栅端镜1和体布拉格光栅端镜9的压缩，脉宽进一步变窄。然后，经 电光腔倒空输出，即：在脉冲能量最大时刻，电光开关2加上高压，大能量皮 秒激光脉冲从偏振片4输出，经全反镜10反射，然后从箱体右侧面输出口14 输出。本实施例中，全反镜为45°全反镜，脉冲先是经过一次电光开关2，变成 圆偏振光，产生π/2的相位差。之后经过体布拉格光栅端镜1的反射，圆偏振 光再次经过电光开关2，变成线偏振光，又产生π/2的相位差。偏振光两次经过 电光开关2，共产生π的相位差，其偏振方向共偏转了90°，正好和偏转片的偏 振方向垂直。本申请在腔倒空中，同时采用了饱和吸收体5和体布拉格光栅端 镜对脉冲进行双重多次压缩，获得脉宽可以小于2L/C(L为激光腔长)的脉宽， 突破了腔倒空中对脉宽的限制，从而经过偏振片以及45°全反镜反射，从激光输 出口输出几十至几百皮秒的大能量皮秒激光。

其中，增益泵浦模块可以为连续泵浦，也可以是准连续泵浦。当增益泵浦 模块6为连续泵浦时，电光开关2根据需求确定其所加电压频率。当增益泵浦 模6块为准连续泵浦时，电光开关2所加电压的频率与准连续泵浦频率一致。

在增益泵浦模块6对激光晶体进行强泵浦中，激光晶体中热致双折射引起 的退偏与热透镜比较强，因而光学谐振腔内还设置有四分之一波片8，增益泵浦 模块、凹透镜和所述四分之一波片依次设置，其中四分之一波片用于补偿泵浦 增益模块由热效应引起的热退偏。同时，光学谐振腔内还设置有小孔光阑，小 孔光阑设置在电光开关和偏振片之间；小孔光阑孔径小于增益泵浦模块内激光 晶体的尺寸，用于抑制高阶模振荡，提高光束质量。

体布拉格光栅端镜VBG、饱和吸收体和增益泵浦模块放置在热沉中。热沉 为微型散热片，是通过冷却水或冷却气体冷却的装置。由于输出的皮秒激光能 量较大、功率高，则对激光器件的散热性要求较高。特别是饱和吸收体5吸收 激光多，热积累大，若不及时散热，吸收体吸热，温度上升过高容易碎裂。体 布拉格光栅VBG受温度影响大，若吸收的热不能及时散去，影响脉宽压缩的效 果。所以，需要均对上述器件进行冷却散热处理。

体布拉格光栅端镜VBG、偏振片、饱和吸收体、凹透镜、四分之一波片、 全反镜和泵浦增益模块内的激光晶体都镀有与振荡光的波段一致的增透膜或高 反射膜，提升穿透或反射效果。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。