[发明专利]一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统

说明书

本发明属于超快激光技术领域，公开了一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统，包括沿激光传输方向依次设置的全保偏光纤皮秒种子激光器、光纤准直器、空间隔离器、45°全反镜、偏振分光棱镜、一级固体行波放大器、二级固体行波放大器和三级固体行波放大器，一级固体行波放大器位于偏振分光棱镜的透射光一侧，二级固体行波放大器位于偏振分光棱镜的反射光一侧，光纤准直器通过尾纤与全保偏光纤皮秒种子激光器相连。本发明所公开的皮秒激光系统结构简单、性能稳定、易于维护，可实现高亮度1064 nm激光输出，通过设置易于集成和拆卸的倍频模块，基于百瓦基频光，可实现超过50 W的绿光输出，能够满足广泛的工业应用市场需求。

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，特别涉及一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统。

背景技术

近年来，高亮度皮秒激光器由于兼具高光谱纯度和高峰值功率的优势，在微加工、精密测距、医学与光谱学等领域得到了重要应用，也是非线性光学变频应用中常用的泵浦光源。皮秒脉冲与物质相互作用的持续时间短，能够避免激光线性吸收、能量转移和扩散等效应的影响，从而实现材料的“冷加工”。

为了实现高亮度的皮秒激光输出，光纤激光系统可以表现出非常高的增益和低阈值，缺点是高峰值功率下往往会造成光学损伤、产生明显非线性效应等。基于半导体泵浦的全固态激光器具有新颖结构的增益介质，可以有效改善热光性能，例如薄片激光器采用几百微米厚的增益介质进行单面散热，优异的热管理能力可以保证良好的光束质量，同时获得高功率激光输出。但薄片形的激光晶体较低的单通增益和复杂的多通结构大大增加了系统的复杂性，再有板条激光器在技术复杂性上颇具优势，但因其特殊的泵浦结构，需要额外的耦合及整形技术，限制了其进一步的发展。

相比之下，采用光纤皮秒激光器作为种子源，利用行波固体放大器作为放大级，不仅能够获得非常高的增益，同时光束质量也能得到很好控制，是获取高功率皮秒激光的有效方案。通常固体放大器包括两种，一种是基于二极管泵浦的固体增益介质再生放大器，它可以提供很高的增益，但是结构复杂，价格昂贵；另一种是行波放大器，采用多通固体增益介质直接放大低功率的激光种子源，结构简单，易于实现，该类激光器按照泵浦方式分为端泵和侧泵。

端泵泵浦功率密度高，可实现泵浦光与振荡光良好的模式匹配，可在短的增益介质长度下实现高增益，代表晶体有Nd:YVO₄、Nd:GdVO₄，缺点是晶体不能承受过高的功率，且需要多级放大器结构，增加了系统的复杂性；侧面泵浦的优点是在高功率泵浦时不会轻易炸裂，模块水冷功率可达几千瓦量级，常用晶体包括Nd:YAG、Yb:YAG等，但该类方法所面临的主要问题是增益的热致球差效应，即光束质量难以控制，影响最终输出激光的亮度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统，系统结构简单、可实现高亮度输出，并且能满足不同激光精密加工的需求。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高亮度主振荡功率放大皮秒激光系统，包括沿激光输出方向依次设置的全保偏光纤皮秒种子激光器、光纤准直器、空间隔离器、45°全反镜、偏振分光棱镜、一级固体行波放大器、二级固体行波放大器和三级固体行波放大器，所述一级固体行波放大器位于偏振分光棱镜的透射光一侧，所述二级固体行波放大器位于所述偏振分光棱镜的反射光一侧，所述光纤准直器通过尾纤与所述全保偏光纤皮秒种子激光器相连。

上述方案中，所述一级固体行波放大器包括沿激光入射方向依次设置的法拉第旋转器、第一半波片、第一45°二向色镜，所述第一45°二向色镜的一侧依次设置第一激光晶体和第一0°全反镜，所述第一45°二向色镜的另一侧依次设置第一透镜对和第一激光二极管。通过一级固体行波放大器，可以将皮秒种子激光功率放大。