專利名稱：低溫Yb:YAG再生放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固體激光器，特別是一種激光脈沖放大的低溫摻鐿釔鋁石榴石(以下簡稱為％:YAG)再生放大器。信號激光脈沖能夠獲得高穩(wěn)定性、高增益，并保持高的光束質量的放大。
背景技術：
現(xiàn)今大能量激光器通常采用Nchglass作為增益介質，如美國的NIF裝置和我國的 SGII裝置，由于其熱傳導能力差，產生的熱量很難迅速被制冷物質帶走，導致激光器整體重復頻率低。隨著ICF研究的不斷深入，具有較高重復頻率的大能量激光器逐漸成為了各國研究的新方向。％:YAG晶體有著優(yōu)異的熱傳導能力，被很多國家認為可以取代Nchglass作為新一代高能激光器的工作物質。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種低溫％:YAG再生放大器，以解決再生放大器工作物質導熱性差及制冷系統(tǒng)的散熱問題，從而實現(xiàn)較高重復頻率的、高穩(wěn)定性、高增益、高光束質量的脈沖信號的放大。本發(fā)明的技術解決方案如下一種低溫％1々6再生放大器，特點在于其構成包括脈沖信號光耦合系統(tǒng)、隔離系統(tǒng)、光學再生放大腔、電光開關系統(tǒng)、低溫真空系統(tǒng)以及泵浦系統(tǒng)六個部分，具體結構如下包括光纖激光器，沿該光纖激光器輸出的信號光的方向，依次是第一透鏡、第一偏振片、第一隔離器、第二透鏡、第二偏振片、第二隔離器、反射鏡和第三偏振片，所述的光學再生放大腔由平面反射鏡、第三透鏡、％:YAG晶體及其后端面鍍1030nm增反940nm增透雙色膜層構成，在該光學再生放大腔中所述的平面反射鏡和第三透鏡之間設置所述的電光開關系統(tǒng)和所述的第三偏振片；所述的％:YAG晶體放置在所述的低溫真空系統(tǒng)的低溫真空盒內，所述的泵浦系統(tǒng)位于所述的％ YAG晶體的后端面外，對所述的％ YAG晶體進行端面泵浦。所述的平面反射鏡鍍1030nm的高反膜，第三透鏡的雙面鍍1030nm的增透膜層，所述的％:YAG晶體的前端面鍍1030nm增透膜層，后端面鍍1030nm增反和940nm增透雙色膜層。所述的低溫真空系統(tǒng)包括真空盒體、前后光學窗口、熱沉銅塊、低溫控制器、液氮杜瓦瓶以及液氮傳輸管道，其中前光學窗口鍍雙面1030nm增透膜層，后光學窗口鍍雙面940nm增透膜層，所述的熱沉銅塊通過多個螺旋支桿懸于所述的真空盒體內，所述的 %:YAG晶體固定在所述的熱沉銅塊的中孔通道位置并與所述的前光學窗口、后光學窗口形成光學通道，所述的液氮杜瓦瓶通過液氮傳輸管道與所述的真空盒體相通。所述的泵浦系統(tǒng)由半導體激光器和耦合透鏡組構成，所述的半導體激光器的輸出尾纖與耦合透鏡組放置在固定支座上，其中耦合透鏡鍍有940nm增透膜層，所述的半導體激光器的輸出的泵浦光經所述的耦合透鏡組、真空盒體上的后光學窗口導入對所述的 YbiYAG晶體進行泵浦。所述的電光開關系統(tǒng)由一臺泡克爾斯盒和一個四分之一波片組成。本發(fā)明的技術效果如下本發(fā)明利用熱特性好的％:YAG材料作為增益介質，采用液氮制冷的方式，實現(xiàn)信號光的放大，可以獲得重復頻率較高的前端激光脈沖驅動源。本發(fā)明能夠產生IOHz的高能激光脈沖，在放大過程中，能夠保持信號光良好的光束質量，并且由于放大器是工作在近增益飽和狀態(tài)，激光脈沖的穩(wěn)定性也得到了提升。
圖1是低溫Yb:YAG再生放大器的結構示意2是低溫真空盒結構的正視3是低溫真空盒結構的俯視剖視4是低溫真空盒結構的左視剖視5是放大器輸出光的空間能量分布圖6是脈沖信號光放大前與放大后的時間波形對比
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細的說明。此處的描述只是為了更加清楚地解釋本發(fā)明，并不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。圖1是本發(fā)明低溫Yb:YAG再生放大器的整體結構示意圖。由圖可見，本發(fā)明低溫 %:YAG再生放大器的構成包括脈沖信號光耦合系統(tǒng)、隔離系統(tǒng)、光學再生放大腔、開關系統(tǒng) 10、低溫真空系統(tǒng)13以及泵浦系統(tǒng)14部分，具體結構如下包括光纖激光器1，沿該光纖激光器1輸出的信號光的方向，依次是第一透鏡2、第一偏振片3、第一隔離器4、第二透鏡5、第二偏振片6、第二隔離器7、反射鏡8和第三偏振片11，所述的光學再生放大腔由平面反射鏡9、第三透鏡12、YbiYAG晶體132及其后端面鍍1030nm增反940nm增透雙色膜層構成，在該光學再生放大腔中所述的平面反射鏡9和第三透鏡12之間設置所述的電光開關系統(tǒng)10和所述的第三偏振片11 ；所述的％:YAG晶體 132放置在所述的低溫真空系統(tǒng)13的低溫真空盒131內，所述的泵浦系統(tǒng)14位于所述的 YbiYAG晶體132的后端面外的中軸的延長線上，對所述的％:YAG晶體132進行端面泵浦。所述的第一偏振片3、第二偏振片6、第三偏振片11為1030nm的薄膜偏振片，對于 S方向偏振光起反射作用，P方向偏振光起透射作用。所述的第一隔離器4是由一片二分之一波片41和一臺法拉第旋光器42所組成的，調節(jié)二分之一波片，使偏振光光束經過該隔離器不會改變偏振方向。該隔離器的作用是防止被放大后的激光脈沖的殘光進入到光纖激光器內，破壞器件。所述的第二隔離器7是由一片二分之一波片71和一臺法拉第旋光器72所組成的，調節(jié)二分之一波片，使偏振光光束正向經過隔離器后，偏振方向旋轉90° (此時偏振光反向經過隔離器，偏振方向不會發(fā)生改變)。這個隔離器的作用是改變信號光的偏振方向，從而將信號光導入光學腔內。所述的開關系統(tǒng)10是由一臺泡克爾斯盒101與一個四分之一波片102所組成的，當泡克爾斯盒接通高壓開啟時，偏振光往返經過該電光開關系統(tǒng)，其偏振方向不會發(fā)生改變；而在泡克爾斯盒沒有接通高壓時，偏振光往返經過電光開關系統(tǒng)，其偏振方向將發(fā)生 90°偏轉。所述的泵浦系統(tǒng)14是由半導體激光器142和耦合透鏡組141組成的，半導體激光器通過尾纖輸出940nm的泵浦脈沖，經過耦合透鏡組，使泵浦脈沖以合適的光斑大小與光束質量投射在％:YAG晶體上。從光纖激光器1輸出的1030nm脈沖信號光，經過第一透鏡2和第一偏振片3，使激光獲得準直并成為P方向偏振光；再經過第一隔離器4、第二透鏡5、第二隔離器7，使信號光變?yōu)镾方向偏振光，并與腔內穩(wěn)定模式相匹配；經過反射鏡8與第三偏振片11反射，信號光進入光學再生放大腔內；此時并沒有對泡克爾斯盒101施加高壓，開關系統(tǒng)10處于關斷狀態(tài)，信號光進入腔內，先以S方向偏振光通過開關系統(tǒng)，經反射鏡9返回，再次通過開關系統(tǒng)10后，信號光變?yōu)镻方向偏振，透過第三偏振片11、第三透鏡12和％:YAG晶體132， 在％1々6晶體后端面發(fā)生反射，按原光路返回；控制時間同步，在信號脈沖第二次與第三次通過開關系統(tǒng)的時間段內，將高壓電源加于泡克爾斯盒101，使開關系統(tǒng)開啟，脈沖再次往返經過該開關系統(tǒng)，其偏振狀態(tài)不改變，脈沖在腔內往復振蕩；通過調節(jié)泡克爾斯盒101 高壓開啟的時間長度，可以控制激光脈沖在腔內的往返程數(shù)；脈沖每次經過真空盒131內的YAG晶體132，能量都會得到增益，且所獲得的增益會隨著脈沖能量的增大而減小，當脈沖獲得的增益與腔內損耗相等時，脈沖能量被放大的倍數(shù)是最高的；關閉高壓電源，脈沖再次往返通過開關系統(tǒng)10，偏振態(tài)由P方向變?yōu)镾方向；脈沖經過第三偏振片11發(fā)生反射， 從腔內導出；再經反射鏡8、第二隔離器7，在第二偏振片6發(fā)生反射，輸出放大后的脈沖。圖2、3、4是放置％:YAG晶體的低溫真空盒的結構圖，其由真空盒體131，兩片光學窗口(前窗口 136鍍雙面1030nm增透膜，后窗口 137鍍雙面940nm增透膜)，熱沉銅塊 134，固定壓帽133,Yb:YAG晶體132，螺旋支桿135，以及液氮輸入輸出管道(138,139)所組成。液氮通過輸入管道進入熱沉銅塊134內部的散熱管1310，在銅塊內吸收熱量，再由輸出管道排出盒體外部。通過外部的溫度控制器控制流入到真空盒內液氮的流量，從而使熱沉銅塊的溫度恒定在設定值。％:YAG晶體132被壓帽133壓緊固定在熱沉銅塊134上，為了使晶體產生的熱量更快的傳導到銅塊上，晶體與銅塊之間墊有一層銦膜。熱沉銅塊被上下各4根螺旋支桿，以及兩側各4根螺旋支桿固定懸于真空盒內部，隔絕其與盒壁的熱接觸。下面列舉一個實施例的工作參數(shù)采用940nm半導體激光器對摻雜濃度8%的％ YAG晶體進行脈沖泵浦，當溫度控制器設定在_90°C時，注入重復頻率10Hz、IOns脈寬的1030nm激光信號，經過再生放大器放大，能量從百皮焦量級提高到10mJ，放大倍數(shù)IO7-IO8倍，穩(wěn)定性可以達到士3%。
權利要求
1.統(tǒng)六個部分，具體結構如下包括光纖激光器(1)，沿該光纖激光器(1)輸出的信號光的方向，依次是第一透鏡O)、 第一偏振片(3)、第一隔離器G)、第二透鏡(5)、第二偏振片(6)、第二隔離器(7)、反射鏡 (8)和第三偏振片(11)，所述的光學再生放大腔由平面反射鏡(9)、第三透鏡(U)、％:YAG 晶體(13 及其后端面鍍1030nm增反940nm增透雙色膜層構成，在該光學再生放大腔中所述的平面反射鏡(9)和第三透鏡(12)之間設置所述的電光開關系統(tǒng)(10)和所述的第三偏振片(11)；所述晶體(132)放置在所述的低溫真空系統(tǒng)(13)的低溫真空盒(131) 內，所述的泵浦系統(tǒng)(14)位于所述的％:YAG晶體(132)的后端面外，對所述晶體(13 進行端面泵浦。
2.根據(jù)權利要求1所述的低溫％:YAG再生放大器，其特征在于所述的平面反射鏡(9) 鍍1030nm的高反膜，第三透鏡(12)的雙面鍍1030nm的增透膜層，所述的％:YAG晶體(132) 的前端面鍍1030nm增透膜層，后端面鍍1030nm增反和940nm增透雙色膜層。
3.根據(jù)權利要求1所述的低溫％:YAG再生放大器，其特征在于所述的低溫真空系統(tǒng) (13)，包括真空盒體(131)、前光學窗口(136)、后光學窗口(137)、熱沉銅塊(134)、低溫控制器、液氮杜瓦瓶以及液氮傳輸管道，其中前光學窗口(136)鍍雙面1030nm增透膜層，后光學窗口(137)鍍雙面940nm增透膜層，所述的熱沉銅塊(134)通過多個螺旋支桿(135)懸掛在所述的真空盒體(131)內，所述的Yb:YAG晶體(132)固定在所述的熱沉銅塊(134)的中孔通道位置并與所述的前光學窗口(136)和后光學窗口(137)形成光學通道，所述的液氮杜瓦瓶通過液氮傳輸管道與所述的真空盒體(131)相通。
4.根據(jù)權利要求1所述的低溫％:YAG再生放大器，其特征在于所述的泵浦系統(tǒng)(14) 由半導體激光器(14 和耦合透鏡組(141)構成，所述的半導體激光器(142)的輸出尾纖與耦合透鏡組(141)放置在固定支座上，其中耦合透鏡鍍有940nm增透膜層，所述的半導體激光器(14 的輸出的泵浦光經所述的耦合透鏡組(141)、真空盒體(131)上的后光學窗口 (137)導入對所述的％:YAG晶體(132)進行泵浦。
5.根據(jù)權利要求1所述的低溫％:YAG再生放大器，其特征在于所述的電光開關系統(tǒng) (10)由一臺泡克爾斯盒(101)和一個四分之一波片(102)組成。
全文摘要
一種低溫Yb:YAG再生放大器，構成包括脈沖信號光耦合系統(tǒng)、隔離系統(tǒng)、光學再生放大腔、電光開關系統(tǒng)、低溫真空系統(tǒng)和泵浦系統(tǒng)六個部分，選用片狀Yb:YAG晶體作為增益介質，采取半導體激光器背向端面泵浦方式，并利用液氮對Yb:YAG晶體進行溫度可控的制冷，最終使脈沖信號光獲得高放大倍數(shù)的增益效果，并且放大后的輸出能量穩(wěn)定性也得到了改善。本發(fā)明可實現(xiàn)較高重復頻率、高穩(wěn)定性、高增益、高光束質量的脈沖信號的放大。
文檔編號H01S3/16GK102201644SQ20111008624
公開日2011年9月28日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權日2011年4月7日
發(fā)明者于國浩, 盧興華, 李響, 李學春, 王江峰, 黃大杰 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所