[发明专利]全固态kHz皮秒激光脉冲再生放大器

说明书

技术领域

本发明是基于半导体激光二极管(LD)做光泵浦源，可有效对皮秒(ps)脉宽的超短激光脉冲实现10⁶倍放大，输出激光脉冲重复频率为千赫兹(kHz)的一种全固态再生放大器。再生放大器是超短激光脉冲应用不可缺少的环节。经再生放大器放大后的超短激光脉冲在材料的微细加工、微电子学、微光子器件、微型机械、精密检测、信息和通讯、医疗和生物工程等领域都可进行广泛的应用。

背景技术

经锁模激光器产生的光脉冲由于其极窄的脉冲宽度(10^-10-10^-15秒)，受到人们的广泛关注，但其单脉冲能量(纳焦)低，单通或多通能量放大器，不能实现对弱信号的有效放大，需要首先通过再生放大器才能实现对其有效的放大。再生放大器是超短激光脉冲应用不可缺少的部分。

再生放大器包括由法拉第旋转器、λ/2波片、偏振片组成的种子光导入、放大光导出部分和具有增益介质的再生放大器谐振腔两部分。它的基本工作原理是从锁模脉冲波列(种子光)中选出单脉冲，并使其在放大器增益介质中往返多次得到10⁶倍左右放大后输出。

文献一，1993年12月日本Osaka大学的Kenta Naito等人在Appl.Phys.Lett.上发表了第一篇激光二极管泵浦的Nd:YAG再生放大器，题目是“Demonstration of high energy extraction efficiency in a laser-diode pumped highgain Nd:YAG regenerative amplifier”，把910ps的种子光由0.5nJ放大到6mJ，但其工作频率低为50Hz。

文献二，1994年8月加拿大的D.R.Walker等人在Appl.Phys.Lett.上发表文章“High power diode-pumped Nd:YAG regenerative amplifier for picosecondpulses”，该文章报道了5KHz工作频率的LD泵浦的Nd:YAG再生放大器，其中普克尔盒采用LN做电光晶体，获得了脉宽为25ps，脉冲能量2.5mJ的放大输出。

文献三，2001年6月瑞士的Micheal J.P.Dymott和Kurt J.Weingarten在APPLIED OPTICS杂志上发表了“Picosecond diode-pumped laser system with9.3-W average power and 2.3-mJ pulse energy”，文中为了减小Nd:YAG再生放大器的热致双折射效应，先由再生放大器将单脉冲能量只放大到460μJ，再通过增加一级四通放大，获得了2.3mJ，20.5ps，工作频率为4KHz的输出。

目前LD泵浦的全固态kHz Nd:YAG皮秒激光脉冲再生放大器，主要存在的问题有：(1)Nd:YAG棒因热致双折射效应引起的退偏，使放大效率、光束质量降低。文献三通过在再生放大器后增加一级四通放大，一方面降低了再生放大器的放大倍数，另一方面通过四通放大部分光路补偿Nd:YAG棒热致退偏问题，使最终得到所需的放大能量。由于增加了四通放大，使激光器结构复杂、成本增加。(2)KD^*P晶体普克尔盒在高平均功率情况下，即高重复频率工作时，会产生严重的热效应，使腔内损耗增加，限制了再生放大器能量的提高。文献二通过选用LN晶体普克尔盒来解决这个问题，但是LN晶体普克尔盒损伤阈值低，在使用中容易打坏，不是理想的选择。

发明内容

提供了一种采用准连续工作的半导体激光二极管列阵做泵浦光源；选用高损伤阈值，在高平均功率条件下插入损耗低的BBO晶体普克尔盒；利用λ/4波片对Nd:YAG棒热致双折射效应给与补偿。本再生放大器完全克服了目前所报道的全固态kHz Nd:YAG皮秒脉冲再生放大器的缺点，实现了对4～30皮秒超短激光脉冲的有效放大，放大倍数为1.5×10⁶，工作频率1kHz。其结构紧凑，稳定性高，光束质量好，使用方便可靠，并且可以满足商业应用的要求。