一种侧面泵浦Yb:YAG超短脉冲激光放大器

技术领域

本发明涉及一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，属于激光放大器技术领域。

背景技术

超短脉冲激光通常是指脉冲宽度在皮秒(10

锁模激光器是获得超短脉冲激光的一种有效技术手段，然而从锁模谐振腔中直接得到的脉冲激光功率和能量通常比较低，需要采用激光放大器对其放大以满足应用需求。其中，掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)晶体得益于其优异的物理和光学特性而被广泛用作超短脉冲激光放大器的增益介质。从泵浦结构来看，目前Yb:YAG放大器主要以端面泵浦结构为主，如细棒状Yb:YAG放大器、Yb:YAG单晶光纤放大器、Yb:YAG板条放大器以及Yb:YAG薄片放大器。

端面泵浦结构简单，但信号光在晶体中能够获得的有效增益对泵浦光的亮度较为敏感。Yb:YAG放大器的泵浦光源主要以光纤耦合输出的半导体激光器为主，其中一个显著特征是亮度比较低。以功率150W量级的940nm半导体激光器为例，其输出光纤的纤芯数值孔径为0.15，纤芯直径为105μm，输出激光的光束质量因子M

相较于端面泵浦，侧面泵浦结构可以利用闪光灯、半导体激光巴条等低亮度光源轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率，利用其高功率弥补亮度不足的缺点。此外，侧面泵浦结构可以使用更大尺寸的晶体作为增益介质，在提供大的泵浦面积同时也为晶体散热提供了充足的空间。

然而，目前侧面泵浦结构广泛用于Nd:YAG晶体或陶瓷振荡器及放大器中，虽然早期有少量关于Yb:YAG侧面泵浦结构的研究，但仅限于连续激光振荡器。从能级结构上分析，Nd:YAG属于四能级系统，而Yb:YAG属于准三能级系统。相比之下，准三能级系统实现粒子数反转所需的泵浦阈值更高，对泵浦光亮度的要求更高。从泵浦强度上分析，侧面泵浦结构中泵浦光填充在整个晶体当中，因为晶体的尺寸通常比较大，所以单位体积内的泵浦功率密度比较小。相比之下，端面泵浦结构中泵浦光斑通常比较小，泵浦光斑直径通常在200～500μm左右，所以在相同的功率下，两者的泵浦功率密度有接近一个数量级的差别。因此侧面泵浦结构未能在Yb:YAG激光放大器中获得广泛应用。

因为Nd:YAG和Yb:YAG是两种不同的能级结构机理，所以不能简单地将Nd:YAG四能级系统的侧面泵浦方案应用于Yb:YAG晶体。必须通过技术改进来解决Yb:YAG泵浦阈值高的问题，从而充分利用侧面泵浦功率高的优势，如优化侧面泵浦结构，采用低温制冷技术控制晶体热效应，增加Yb:YAG晶体长度，提高Yb:YAG晶体离子掺杂浓度，改变Yb:YAG晶体离子掺杂分布，如采用径向渐变掺杂技术，即晶体中心位置高掺杂而沿径向掺杂浓度逐渐降低。

此外，超短脉冲激光放大器不仅要考虑泵浦激光的功率特性，信号光的的增益特性同样重要，如信号光的光谱增益带宽。已知Yb:YAG的光谱增益带宽接近9nm，相比之下Nd:YAG的增益带宽约为0.6nm，因此Yb:YAG激光放大器能支持飞秒脉冲激光输出，而Nd:YAG仅能用于皮秒脉冲激光放大器。此外，Yb:YAG的泵浦吸收带宽(～8nm)达到Nd:YAG晶体(<4nm)的两倍以上，这对于泵浦光的吸收更加有利。

综合考虑，相较于端面泵浦，侧面泵浦结构可以使用低亮度泵浦光源轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率。同时。通过技术补偿Yb:YAG准三能级系统泵浦阈值高以及侧面泵浦强度低的不足之后，可以进一步充分利用侧面泵浦功率高的优势。因此，侧面泵浦结构为进一步提高Yb:YAG超短脉冲激光放大器的输出功率提供了一种有效技术方案。

发明内容

针对现有技术的不足，并综合考虑侧面泵浦结构的优势以及侧面泵浦Yb:YAG放大器的研究不足，本发明提供了一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器。

该侧面泵浦Yb:YAG激光放大器采用半导体激光巴条作为泵浦光源，可以轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率。在综合技术补偿Yb:YAG准三能级系统泵浦阈值高及侧面泵浦强度低的不足之后，可以进一步充分利用侧面泵浦功率高的优势。此外，相较于端面泵浦结构，该放大器采用更大尺寸的Yb:YAG晶体作为增益介质，既可以为泵浦光提供足够大的泵浦面积，为信号光提供足够高的增益，又为晶体散热提供了充足空间。因此，该放大器为进一步提高以Yb:YAG为增益介质的超短脉冲激光放大器的输出功率提供了一种有效技术方案。

术语解释：

1、Yb:YAG：掺镱钇铝石榴石；

2、YAG：钇铝石榴石；

本发明的技术方案为：

一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，包括沿光路依次设置的种子光源、光隔离器、第一聚焦透镜、第一Yb:YAG侧面泵浦模块、法拉第旋光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第二Yb:YAG侧面泵浦模块；

种子光源输出的信号光首先经过光隔离器，然后经过第一聚焦透镜进行光束调整，调整后的信号光进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大，放大后的信号光经过法拉第旋光器调节偏振方向，使其顺时针旋转90度；然后信号光经过第二聚焦透镜和第三聚焦透镜组成的4f成像系统进行光束调整，调整后的信号光进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大；最后，信号光从第二Yb:YAG侧面泵浦模块输出；

光隔离器只允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护种子光源的目的；法拉第旋光器用于调整信号光的偏振方向，补偿两级Yb:YAG侧面泵浦放大器在高功率工作时的热退偏效应；第二聚焦透镜和第三聚焦透镜组成4f成像系统，用于对第一Yb:YAG侧面泵浦模块放大输出的信号光进行光束调整，以实现补偿第二Yb:YAG侧面泵浦模块热透镜效应的作用。

根据本发明优选的，所述第一Yb:YAG侧面泵浦模块包括第一Yb:YAG晶体、第一940nm半导体激光巴条、第一冷却水输入口、第一冷却水输出口；所述第一940nm半导体激光巴条以第一Yb:YAG晶体为中心呈五角形等角度间隔分布，在第一940nm半导体激光巴条和第一Yb:YAG晶体之间为冷却水通道，冷却水从第一冷却水输入口进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块，冷却水与第一Yb:YAG晶体接触之后将其产生的部分热量带走，并从第一冷却水输出口流出，为第一Yb:YAG晶体散热；

所述第二Yb:YAG侧面泵浦模块包括第二Yb:YAG晶体、第二940nm半导体激光巴条、第二冷却水输入口、第二冷却水输出口；所述第二940nm半导体激光巴条以第二Yb:YAG晶体为中心呈五角形等角度间隔分布，在第二940nm半导体激光巴条和第二Yb:YAG晶体之间为冷却水通道，冷却水从第二冷却水输入口进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块，冷却水与第二Yb:YAG晶体接触之后将其产生的部分热量带走，并从第二冷却水输出口流出，为第二Yb:YAG晶体散热。

所述第一940nm半导体激光巴条为第一Yb:YAG晶体提供泵浦能量，第二940nm半导体激光巴条为第二Yb:YAG晶体提供泵浦能量；

根据本发明优选的，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体均采用键合结构，在第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的两端各有一段未掺杂的纯YAG晶体，中间部分为Yb:YAG晶体，其Yb

进一步优选的，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的Yb

根据本发明优选的，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的直径为4～10mm，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的总长度为80～120mm；

进一步优选的，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的直径为5mm，所述第一Yb:YAG晶体及第二Yb:YAG晶体的总长度为100mm。

根据本发明优选的，所述第一940nm半导体激光巴条和第二940nm半导体激光巴条的数量为20～30个，总的输出功率为1200～1800W；

进一步优选的，所述第一940nm半导体激光巴条及第二940nm半导体激光巴条的数量为20个，总的输出功率为1200W。

根据本发明优选的，所述冷却水的温度设置范围为20～25℃，冷却水的流量大于10L/min。

根据本发明优选的，所述种子光源输出的信号光为线偏振光，中心波长为1030nm，脉冲宽度在皮秒(10

根据本发明优选的，所述光隔离器的透射光谱范围为1020～1040nm，透过率大于95％，隔离度大于30dB,通光孔径为8mm。

根据本发明优选的，所述第一聚焦透镜用于信号光的空间模式调整；

由于高泵浦功率下Yb:YAG晶体会产生热透镜效应，当信号光经过晶体时会产生明显的聚焦作用，为了防止信号光的过度聚焦对晶体内部或输出端面造成光损伤，并保证信号光在整个晶体当中都具有足够大的光斑直径来提取能量，所以利用第一聚焦透镜对信号光进行调整，使信号光以一定的发散角度进入晶体当中，从而实现对热透镜预补偿的效果。

根据本发明优选的，所述第一聚焦透镜为平凸透镜，镀膜范围为1020～1060nm，焦距为200mm；所述第二聚焦透镜为平凸透镜，镀膜范围为1020～1060nm，焦距为100mm；所述第三聚焦透镜为平凸透镜，镀膜范围为1020～1060nm，焦距为75mm。

本发明的有益效果在于：

1、相较于端面泵浦结构，侧面泵浦无需特别考虑泵浦激光的亮度问题，可以使用低亮度的光源作为泵浦光，且可以轻松实现千瓦量级以上的泵浦功率。

2、相较于端面泵浦结构，侧面泵浦可以使用更大尺寸的Yb:YAG晶体作为增益介质，既可以为泵浦光提供足够大的泵浦面积，为信号光提供足够的增益，同时也为晶体散热提供充足的空间，保证高功率下良好的晶体散热效率。

3、相较于端面泵浦结构，侧面泵浦激光均匀地从侧面进入Yb:YAG晶体当中，泵浦光沿整个晶体的轴向分布均匀，且沿轴向任意位置处几乎具有相同的径向热分布梯度，信号光沿着Yb:YAG晶体传输可以得到均匀的增益放大，这能够在较大程度上缓解由非均匀热效应引起的光束畸变。

附图说明

图1为本发明所述侧面泵浦Yb:YAG超短脉冲激光放大器结构示意图；

1、种子光源，2、光隔离器，3、第一聚焦透镜，4、第一Yb:YAG晶体，5、第一940nm半导体激光巴条，6、第一冷却水输入口，7、第一冷却水输出口，8、法拉第旋光器，9、第二聚焦透镜，10、第三聚焦透镜，11、第二Yb:YAG晶体，12、第二940nm半导体激光巴条，13、第二冷却水输入口，14、第二冷却水输出口。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例

一种基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器，如图1所示，包括沿光路依次设置的种子光源1、光隔离器2、第一聚焦透镜3、第一Yb:YAG侧面泵浦模块、法拉第旋光器8、第二聚焦透镜9、第三聚焦透镜10、第二Yb:YAG侧面泵浦模块；

种子光源1输出的信号光首先经过光隔离器2，然后经过第一聚焦透镜3进行光束调整，调整后的信号光进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大，放大后的信号光经过法拉第旋光器8调节偏振方向，使其顺时针旋转90度；然后信号光经过第二聚焦透镜9和第三聚焦透镜10组成的4f成像系统进行光束调整，调整后的信号光进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大；最后，信号光从第二Yb:YAG侧面泵浦模块输出；

光隔离器2只允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护种子光源的目的；法拉第旋光器8用于调整信号光的偏振方向，补偿两级Yb:YAG侧面泵浦放大器在高功率工作时的热退偏效应；第二聚焦透镜9和第三聚焦透镜10组成4f成像系统，用于对第一Yb:YAG侧面泵浦模块放大输出的信号光进行光束调整，以实现补偿第二Yb:YAG侧面泵浦模块热透镜效应的作用。

第一Yb:YAG侧面泵浦模块包括第一Yb:YAG晶体4、第一940nm半导体激光巴条5、第一冷却水输入口6、第一冷却水输出口7；第一940nm半导体激光巴条5以第一Yb:YAG晶体4为中心呈五角形等角度间隔分布，在第一940nm半导体激光巴条5和第一Yb:YAG晶体4之间为冷却水通道，冷却水从第一冷却水输入口6进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块，冷却水与第一Yb:YAG晶体4接触之后将其产生的部分热量带走，并从第一冷却水输出口7流出，为第一Yb:YAG晶体4散热；

第二Yb:YAG侧面泵浦模块包括第二Yb:YAG晶体11、第二940nm半导体激光巴条12、第二冷却水输入口13、第二冷却水输出口14；第二940nm半导体激光巴条12以第二Yb:YAG晶体11为中心呈五角形等角度间隔分布，在第二940nm半导体激光巴条12和第二Yb:YAG晶体11之间为冷却水通道，冷却水从第二冷却水输入口13进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块，冷却水与第二Yb:YAG晶体11接触之后将其产生的部分热量带走，并从第二冷却水输出口14流出，为第二Yb:YAG晶体11散热。

第一940nm半导体激光巴条5为第一Yb:YAG晶体4提供泵浦能量，第二940nm半导体激光巴条12为第二Yb:YAG晶体11提供泵浦能量；

第一Yb:YAG晶体4及第二Yb:YAG晶体11均采用键合结构，在第一Yb:YAG晶体4及第二Yb:YAG晶体11的两端各有一段未掺杂的纯YAG晶体，中间部分为Yb:YAG晶体，其Yb

第一Yb:YAG晶体4及第二Yb:YAG晶体11的直径为5mm，第一Yb:YAG晶体4及第二Yb:YAG晶体11的总长度为100mm；

第一940nm半导体激光巴条5及第二940nm半导体激光巴条12的数量为20个，总的输出功率为1200W；

冷却水的温度设置为25℃，冷却水的流量设置为12L/min。

种子光源1输出的信号光为线偏振光，中心波长为1030nm，脉冲宽度在皮秒(10

光隔离器2的透射光谱范围为1020～1040nm，透过率大于95％，隔离度大于30dB,通光孔径为8mm。

第一聚焦透镜3为平凸透镜，镀膜范围为1020～1060nm，焦距为200mm；

由于高泵浦功率下Yb:YAG晶体会产生热透镜效应，当信号光经过晶体时会产生明显的聚焦作用，为了防止信号光的过度聚焦对晶体内部或输出端面造成光损伤，并保证信号光在整个晶体当中都具有足够大的光斑直径来提取能量，所以利用第一聚焦透镜3对信号光进行调整，使信号光以一定的发散角度进入晶体当中，从而实现对热透镜预补偿的效果。

第二聚焦透镜9为平凸透镜，镀膜范围为1020～1060nm，焦距为100mm；第三聚焦透镜10为平凸透镜，镀膜范围为1020～1060nm，焦距为75mm；

第二聚焦透镜9和第三聚焦透镜10组成4f成像系统，用于对第一Yb:YAG侧面泵浦模块放大输出的信号光进行光束调整，以实现补偿第二Yb:YAG侧面泵浦模块热透镜效应的作用。

上述基于侧面泵浦结构的Yb:YAG超短脉冲激光放大器的工作方法，包括步骤如下：

种子光源1输出的信号光首先经过光隔离器2，光隔离器2只允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护种子光源的目的；然后信号光经过第一聚焦透镜3进行光束调整，使信号光以一定的发散角度进入Yb:YAG晶体当中，从而实现对热透镜预补偿的效果；调整后的信号光进入第一Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大；放大后的信号光经过法拉第旋光器8调节偏振方向，使其顺时针旋转90度，用于补偿两级Yb:YAG侧面泵浦放大器在高功率工作时的热退偏效应；然后信号光经过第二聚焦透镜9和第三聚焦透镜10组成的4f成像系统进行光束调整，使信号光以一定的发散角度进入第二Yb:YAG晶体11当中，从而实现对热透镜预补偿的效果；光束调整后的信号光进入第二Yb:YAG侧面泵浦模块进行放大；最后，放大后的信号光从第二Yb:YAG侧面泵浦模块输出。