[发明专利]100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置及其方法

权利要求书

1.一种100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置，其特征在于包括单频连续光纤激光器(1)、高速光强度调制器(2)、超高频任意波发生器(3)、光纤隔离器(4)、光纤放大器(5)、偏振隔离器(6)、准直器(7)、耦合透镜(8)、LD双端面泵浦的固体激光放大器(9)；LD双端面泵浦的固体激光放大器(9)为顺次相连的第一LD列阵 (9.1)、第一耦合透镜组（9.2）、双色输出镜（9.3）、面向固体激光介质(9.4)、双色耦合镜（9.5）、第二耦合透镜组（9.6）、第二LD列阵 (9.7)；单频连续光纤激光器(1)、高速光强度调制器(2)、光纤隔离器(4)、光纤放大器(5)、偏振隔离器(6)、准直器(7)、耦合透镜(8) 顺次相连，耦合透镜(8)与双色耦合镜（9.5）相连，超高频任意波发生器(3)与高速光强度调制器(2)相连。

2.根据权利要求1所述的一种100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置，其特征在于所述的单频连续光纤激光器(1) 采用丹麦NKT公司型号为Koheras BASIK Module Y10的单频连续光纤激光器，输出的单频连续激光中心波长为1064.52nm，并且可以在正负0.35nm范围内连续可调，输出激光为线偏振光，线宽为70KHz, 最大平均功率为10mW，光束质量M²<1.05。

3.根据权利要求1所述的一种100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置，其特征在于所述的高速光强度调制器(2) 采用法国Photline Technology公司生产的型号为ModBox-Intensity1064-Connet 的高速调制器，调制中心波长为1064nm，输出线偏振，输出功率为50mW，动态消光比典型值35dB， 调制脉冲宽度0.5-10ns，典型值1ns，脉冲重复频率1M-200MHz，典型值100MHz，脉冲上升时间为60ps，输入输出光纤/连接器为980nm Panda型保偏光纤，FC/APC连接器，慢轴对准。

4.根据权利要求1所述的一种100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置，其特征在于所述的超高频任意波发生器(3)采用美国TEK公司型号为AWG7122B任意波发生器，采样率为12GS/s。

5.根据权利要求1所述的一种100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置，其特征在于所述的光纤放大器(5)输出的工作波长范围为1060~1068nm，输出激光脉冲重复频率1~200MHz，脉冲宽度0.2~20ns，输出峰值功率典型值20W, 相应于100MHz 1ns 时的平均功率为2W，输出光纤为保偏光纤，带 FC/APC接头，输出激光的偏振小光比为20dB。

6.根据权利要求1所述的一种100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置，其特征在于所述的耦合透镜(8)的焦距f为100-500mm，透镜(8)到固体激光放大器(9)的右端面之间的距离为2f。

7.根据权利要求1所述的一种100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大装置，其特征在于所述的第一LD列阵 (9.1) 为德国DILAS公司生产的高功率光纤耦合输出的半导体激光器，光纤端面直径为400μm，数值孔径N.A.=0.22，标称最高输出功率为50 W，输出激光的中心波长为808nm；第一耦合透镜组（9.2），包括两个透镜，其焦距分别为20mm和40mm；双色输出镜（9.3）面向固体激光介质(9.4)的一面镀了对808nm波长高透过率对1064nm波长高反射率的双色介质膜，另一面镀了对808 nm的高透膜，直径25mm，厚度2mm；固体激光介质(9.4)为双端键合的Nd:YVO₄复合晶体，掺杂 Nd:YVO₄尺寸为3×3×16 mm³，Nd³⁺掺杂浓度为0.3at%，两端键合了厚度为2mm的不掺杂的YVO₄晶体，两个端面镀对808nm波长和1064nm波长同时具有高透过率的介质膜，双色耦合镜（9.5）与双色输出镜（9.3）完全相同，第二耦合透镜组（9.6）与第一耦合透镜组（9.2）完全相同，第二LD列阵 (9.7)与第一LD列阵(9.1)完全相同；两组耦合透镜到Nd:YVO₄复合晶体端面之间的距离对称相等，长度在50~500mm之间可调节。

8.一种使用如权利要求1所述装置的100MHz高重频、1ns窄脉宽窄线宽激光混合放大方法，其特征在于包括如下步骤：

1）选择波长1064nm单频光纤激光器(1)，激光线宽在几十个KHz，以实现光强度调制器对激光强度外调制；

2）用高速光强度调制器(2)对单频光纤激光器(1)输出激光进行激光强度外调制，单频光纤激光器输出的激光进入光强度调制器(2)，由超高频任意波发生器(3)产生的高重频脉冲电信号控制高速光强度调制器(2)，使得调制频率从10MHz连续变化到100MHz，调制脉冲宽度从1ns连续变化到10ns，光强度调制器输出已调制的脉冲激光；

3）由光纤放大器对已调制的脉冲激光进行放大，已调制的脉冲激光经过光纤隔离器(4)进入光纤放大器(5)，光纤放大器包括预放大器和一级放大器，调制后的100MHz 1ns脉冲激光经光纤放大级后输出的平均功率为2W，相应于100MHz 1ns 时峰值功率典型值20W，输出光纤为保偏光纤，带 FC/APC输出接口，光纤输出后经过偏振隔离器(6)，再经过准直器(7)后准直输出，准直输出的光斑直径为0.5~1mm，输出光束质量M² < 1.2；

4）由耦合透镜(8)将光纤放大器放大的调制激光耦合到LD双端面泵浦的固体激光放大器，耦合透镜(8)的焦距f为100-500mm，透镜(8)到固体激光放大器(9)的右端面之间的距离为2f；

5）调制激光被耦合透镜(8) 耦合并由双色耦合镜（9.5）反射到LD双端面泵浦的固体激光放大器进行放大，双端面泵浦的固体激光放大器中的第一LD列阵 (9.1)和第二LD列阵 (9.7)为德国DILAS公司生产的高功率光纤耦合输出的半导体激光器，光纤端面直径为400μm，数值孔径N.A.=0.22，标称最高输出功率为50 W，第一LD列阵 (9.1)和第二LD列阵 (9.7)各自输出50W中心波长为808nm的激光, 从固体激光介质(9.4) Nd:YVO₄复合晶体的两个端面入射到晶体内进行泵浦，双色输出镜(9.3)和双色耦合镜(9.5)对808nm泵浦光具有高透射率，使得泵浦光在放大过程中损耗很小；对1064nm激光具有高反射率，第一耦合透镜组（9.2）和第二耦合透镜组（9.6）的表面以及固体激光介质(9.4) Nd:YVO₄复合晶体的两个端面镀有对808nm泵浦光和1064nm激光具有高透射率的介质膜，以减少泵浦光和放大激光在放大过程中损耗，第一耦合透镜组（9.2）和第二耦合透镜组（9.6）到固体激光介质(9.4)的二个端面之间的距离对称，长度在50~500mm之间可调，放大后的输出1064nm激光平均功率达到13W，从双色输出镜（9.3）反射出放大器，实现100MHz高重复频率 1ns窄脉冲以及1GHZ窄线宽的脉冲激光输出，输出光束的光束质量M²为1.2。