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崔建建丰作者简介:崔建丰(1977—),男,长春光学精密机械与物理研究所在读博士,北京国科世纪激光技术有限公司,主要从事半导体抽运、灯抽运高平均功率调Q激光器、高能量超快固体激光器及其频率变换技术研究。发表文章7篇,发表专利18个。Tel:+86-10-6298-1938;fax:+86-10-6298-1940;地址:北京市海淀区上第四街1号北京国科激光世纪激光技术有限公司,邮编:100085;E—mail::******@
,2,33,樊仲维1,,3,4,裴博博3,4,薛岩3,张晶1,,2,3,,尹淑媛媛3,牛岗1,,2,3,,石朝晖晖1,2,,3,王培培峰1,22,3,,毕勇44
(1、中国国科学院长长春光学精精密机械与与物理研究究所,长春春1300022;;2.、中中国科学院院研究生院院,北京1000049;3、北京京国科世纪纪激光技术术有限公司司,北京11000885;4、中中国科学院院光电研究究院,北京京1000085),
摘要:针针对高峰值值功率激光光器的关键键技术进行行了介绍和和分析。对对于大能量量低重复频频率的高峰峰值功率固固体激光器器,采用非非稳腔技术术,结合聚聚光腔增益益分布的相相交圆光线线追迹技术术,可以得得到大能量量高光束质质量的激光光输出;对对于窄脉宽宽的纳秒//亚纳秒激激光输出,端端泵微片或或者脉冲LLD侧泵浦浦腔倒空技技术师很好好的选择;;而对于超超短脉冲输输出的高峰峰值功率激激光器,稳稳定的种子子输出和再再生放大在在其中起着着至关重要要的作用。
关键词:激光技术术;固体激激光;相交交圆聚光腔腔;非稳腔腔;亚纳秒秒激光;
Studyyandddevveloppmenttofthehighhpeaakpoowerlaseer
CuiJJianffeng1,2,,3,FannZhoongweei1,,3,4,PeiBo33,4,,XueeYann3,ZZhanggJinng1,,2,3,,YinnShuuyuann3,NiuuGanng1,,2,3,,ShiiZhaaohuii1,22,3,WWangPeiffeng11,2,33,BIIYonng4
(1、ChhangcchunInsttitutteoffOpttics,,FinneMeechannicsandphyssics,,ChiineseeAcaademyyofScieencess,Chhangcchun,,1300022
22、Acaademyyofgradduatee,ChhinesseAccademmyoffSciiencees,Beeijinng11000449
3、BBeijiingGGKLaaserTechhnoloogyCCo.,LLtd.,,Beiijingg1000085
4、AcaademyyofOptoo-eleectroonicss,ChhinesseAccademmyoffSciiencees,BBeijiing11000885)
Abstrract::Theepivvotttechnnologgyabbouthighhpeaakpoowerlaseerwaasinntrodduceddan
-puumpeddsollidsstateehigghpeeakppowerrlasser,itccanbbereeacheedbyyunsstabllecaavityyanddligghtttraciingiininnterssectiingccircllepuumpeddcavvity;;whiileffortthennanosseconndanndsuub-naanoseeconddlasser,LDeend-ppumpeedmiicro--diskkorpulsseLDDsidde=puumpeddcavvitydumppingmaybeaagooodappproaach;butforthesupeershoortppulseehigghpeeakppowerrlasser,onlyywitththheexxtraoordinnarystabbleccontiinuemodee-locckedseeddanddperrfecttreggenerrativvecaanittbeachiievedd.
Keywwordss:laasertechhnoloogy;soliidsttatelaseer;intterseectinngciircleepummpedcaviity;unsttableecavvity;;subb-nannoseccondlaseer
1引言固体激光光器在激光光加工领域域的应用推推广迅速,,峰峰值功率在在50KWW以内的水水平。而多多数的材料料在短波段段显示出更更强烈的吸吸收特性[[1],通通过非线性性频率变换换技术得到到准连续的的绿光、紫紫外激光器器,在激光光打标、刻刻槽、划片片、调阻和和表面硬化化处理中显显示出更佳佳的性能。由由于聚焦光光斑的尺寸寸和波长成成正比,所所以短波长长的绿光、紫紫外激光器器无疑可以以得到更高高的分辨率率[2];;而更短的的脉宽不仅仅仅意味着着在激光加加工过程中中产生更小小的热影响响,而且,脉脉宽越短,一一般来说,材材料的损伤伤阈值越高高,非线性性晶体的谐谐波转换效效率越高。
高峰值功率率激光器与与传统的激激光器相比比,具有脉脉冲能量大大(几十毫毫焦乃至几几焦耳),脉脉冲宽度短短(从飞秒秒、皮秒到到亚纳秒和和纳秒左右右),峰值值功率更高高(MW乃乃至GW))、实现难难度更大等等特点。这这类激光器器在激光加加工、流场场显示、海海洋探测、光光电对抗、激激光医疗、大大气监测、激激光通信、谐谐波变换、XX射线激光光器、自由由电子加速速器、惯性性约束核聚聚变[3]]、超短短脉冲掺钛钛蓝宝石可可调谐激光光器的研究究等领域同同比拥有更更多的优势势。目前,这这类激光器器的技术主主要为国外外的如美国国相干、光光谱物理、德德国揶拿、白白俄罗斯SSolarr等大公司司所掌握,所所以可以这这样认为::高峰值功功率激光器器及其频率率变换技术术的发展水水平,直接接关系或制制约着国内内激光技术术的发展水水平,并影影响各相关关激光应用用行业的发发展,在国国民经济发发展中具有有战略意义义。
因为激光脉脉冲的峰值值功率与脉脉冲能量成成正比,与与脉冲宽度度成反比,所所以要想得得到更高的的峰值功率率,要么实实现更高的的能量输出出,要么缩缩短脉冲的的宽度。深深入了解这这类激光器器各自的技技术特性并并实现进一一步的突破破,具有重要意意义。
,传传统稳定腔腔设计显然然远远不能能满足要求求。因为此此时,激光光晶体棒的的尺寸都比比较大,而而传统稳定定腔的腔型型设计,很很难实现基基模半径大大于1mmm的稳定输输出;而要要采用传统统的非稳腔腔,虽然可可以增加基基模体积,但但却又存在在硬边衍射射和近场纹纹波[4]],利用带带变反射率率输出镜(VVRM)[[5],结结合重复频频率要求,选选用适当的的放大率一一般可以实实现高光束束质量的激激光输出。VVRM非稳稳腔光路如如图1所示示:
图1、VVRM非稳稳腔光路
VRM的反反射率可以以镀成高斯斯分布的(图图2),也也可以镀成成超高斯分分布的(图图3),具具体取决于于系统设计计的稳区要要求。
图2、高斯分分布VRMM图图3、超高高斯分布VVRM
,采采用陶瓷漫漫反射聚光光腔一般来来说不仅可可以获得很很高的效率率,而且能能够保障激激光光斑均均匀[6]],模式较较好。但如如果需要多多级功率放放大才能实实现最后的的输出,陶陶瓷漫反射射聚光腔的的设计常会会造成输出出光斑的边边缘很亮,中中心部分光光斑相对较较弱的情形形。这就必必须对每一一级的泵浦浦光分布进进行合理的的安排,使使之相互补补偿,实现现高光束质质量的激光光输出。
采用相交圆圆[7],不不仅可以使使整个聚光光腔的设计计更小巧,而而且可以比比较容易的的进行光线线追迹,合合理安排泵泵浦光在晶晶体棒中的的分布。如如图4为相相交圆聚光光腔的示意意图,其
中中相交圆半半径R,弧弧高H,晶晶体棒半径径r,灯棒棒间距2CC,任意光光线O1M经弧面面反射后与与晶体棒相相交,O22到ML的的距离S11,考虑晶晶体棒的折折射效应,实实际距离SS2,实际际走过的距距离PQ。
(a)((b)
图4为相交交圆聚光腔腔的示意图图
如果希望设设计相对均均匀的泵浦浦光分布,可可以参照图图5;如果果希望设计计相对集中中于晶体棒棒中心的泵泵浦光分布布,可以参参照图6。
图5、相对对均匀的泵泵浦光分布布图6、相相对集中的的泵浦光分分布
3..短脉冲冲/超短脉脉冲激光器器3..1纳秒//亚纳秒脉脉冲激光器器的激光脉脉宽介于普普通的声光光调Q、电电光调Q激激光器和高高端的锁模模激光器之之间,由于于脉宽比普普通的调QQ激光脉宽宽要短1个个数量级以以上,所以以同等量级级输出能量量的前提下下,具有更更高的峰值值功率,而而与锁模激激光器相比比,不需要要锁定多个个纵摸,腔腔长也不用用搞得很长长,重频可可以通过合合适的电光光器件或声声光器件,很很容易控制制。从而避避免了传统统锁模种子子动辄上百百兆Hz,,不经过选选单放大几几乎无法使使用的弱点点,很容易易实现可靠靠的稳定输输出。
对于纳秒//亚纳秒脉脉冲激光器器的研究,,国内研究究的比较少少,主要是是通过SBBS布里渊渊散射池实实现位相共共轭的同时时,压短脉脉冲,这种种方法国内内能做到最最短脉宽在在60个皮皮秒以上[[8];另另外还有通通过腔外电电光器件斩斩波来实现现纳秒左右右的短脉冲冲,但斩波波的方式
有有很多先天天的弊病::首先,斩斩波是以牺牺牲能量为为代价的,比比如如果要要将一个330纳秒的的脉冲斩成成3纳秒,,其激光能能量至少要要降为原来来的1/110,转换换效率特别别低;其次次,斩波的的方法所能能得到的最最短脉宽受受限于电光光器件的开开关速度,开开关速度越越快,实现现越困难,目目前这种办办法对于11纳秒以下下的斩波基基本上无能能为力;再再有,斩波波要与电光光器件、偏偏振片等一一起配合使使用,电光光器件和偏偏振片的消消光比直接接影响最后后的斩波效效果,造成成信号对比比度的降低低。
国外对于纳纳秒/亚纳纳秒脉冲激激光器的研研究水平要要比国内好好得多。首首先,通过过SBS布布里渊散射射的途径,已已经能够实实现亚纳秒秒的短脉冲冲输出。但但SBS布布里渊散射射的途径因因为是靠很很强的激光光非线性效效应实现,需需要足够强强的脉冲能能量注入,因因此对于高高重频实现现起来比较较困难;另另外,SBBS必须要要有染料池池,染料寿寿命有限,需需要不定期期的更换,限限制了使用用;再有,染染料本身多多数都有毒毒,不环保保。除了采采用布里渊渊散射的途途径,国外外也有通过过脉冲啁啾啾放大来实实现亚纳秒秒的激光输输出的,但但该方法整整个光路及及其复杂,容容易失调,安安装调试维维修都相当当困难,造造价也极高高;做个科科学研究还还勉强可以以,工程化化应用推广广前景渺茫茫。
通过利用脉脉冲LD经经光纤耦合合后端面泵泵浦Nd::YAG或或Nd:YYVO4,通过CCr:YAAG等被动动调Q和进进一步缩短短腔长等方方法实现高高重复频率率的端泵微微腔亚纳秒秒激光输出出。具体光光路如图77。其中SS1镀8008增透,11064高高反;S22镀10664部分输输出。
图7、端端泵微腔亚亚纳秒激光光器光路
采用端泵微微腔被动调调Q实现亚亚纳秒激光光输出的优优点是结构构简单,整整机小巧,脉脉宽较短;;但因为被被动调Q本本身的漂白白特性,在在低注入时时容易出现现多脉冲。
也可以通过过脉冲LDD侧泵结合合腔倒空实实现纳秒脉脉冲输出,如如图8。
图图8、侧泵泵腔倒空纳纳秒脉冲输输出
腔倒空在高高注入能量量的条件下下,容易实实现短脉冲冲输出。但但因为腔长长是影响脉脉冲宽度的的重要因素素[9],而而既要缩短短腔长,又又要保证光光斑模式,腔腔型设计有有一定难度度。
实用的超短短脉冲激光光器一般由由锁模种子子源、再生生放大器组组成。其中中锁模种子子源输出的的纳焦量级级的超短脉脉冲,如图图9,经过过法拉第隔隔离器注入入到再生放放大器后进进行选单和和功率放大大,如图110,然后后通过偏振振片P3倒倒空输出,,再生放大大一般可以以放大到毫毫焦能量级级以上。如如果需要将将能量进一一步放大,可可以在再生生放大的输输出端再加加功率放大大器。
图图9、LDD端泵皮秒秒锁模种子子源
图10、再生放放大器光路路图
实用的飞秒秒脉冲激光光光路与皮皮秒激光器器原理类似似,一般都都是由锁模模种子源注注入到再生生放大器或或多通放大大器中进行行放大。只只不过种子子光实现起起来要更复复杂些,并并且种子光光要先经过过展宽器展展宽在进行行放大,在在此不多赘赘述。
对于超短脉脉冲,稳定定的连续锁锁模种子输输出至关重重要,如果果种子脉冲冲串不稳或或者有调QQ,都会严严重破坏整整机的性能能甚至导致致无法正常常工作;而而再生放大大既要对脉脉冲进行
选选单,又要要精确控制制脉冲在其其中放大的的次数以及及倒空的时时间,确保保再生放大大脉冲有足足够的信噪噪比和对比比度。
,使使大能量高高光束质量量的激光器器设计变得得日渐容易易和可控;;而微片激激光器、腔腔倒空技术术、大功率率脉冲LDD的技术的的发展,使使得纳秒//亚纳秒短短脉冲激光光器的实现现成为可能能;随着SSesamm半导体被被动锁模技技术的日益益成熟和高高速普克尔尔盒驱动电电源的逐渐渐成熟,相相信实用化化/小型化化的可靠超超短脉冲的的高峰值功功率激光输输出无疑将将会与传统统的声光调调Q/电光光调Q激光光装置一样样,成为许许多领域中中人们开展展自然科学学研究的主主要选择工工具之一..
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