[發明專利]激光器及基于增益光柵壓縮脈寬及提高能量的方法

有效

• 申請號: 201710301582.0
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN107123925B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發明（設計）人: 孫哲;程光華;劉歡
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: H01S3/0941
• 分類號: H01S3/0941;H01S3/102;H01S3/10
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

本發明屬于本發明屬于激光技術領域，具體涉及一種新型超短脈沖激光器及基于增益光柵壓縮脈寬及提高能量的方法。方法包括以下步驟：調整外部脈沖種子激光以一定角度通過第一激光增益介質；調整整個環形諧振腔長及脈沖激光模場大小；控制脈沖激光進入第二激光增益介質，放大脈沖激光能量；調整脈沖激光的激光透射系數后，再次水平進入第一激光增益介質；將部分脈沖激光反射回第一激光增益介質中形成四波混頻，利用空間燒孔效應和光束干涉作用產生增益光柵，實現脈沖壓縮，輸出壓縮脈沖。利用增益光柵的特性，應用于外部注入激光脈沖寬度壓縮的研究中，通過全新的思路實現了外部注入激光脈沖壓縮的同時放大了脈沖能量。

技術領域

本發明屬于激光技術領域，尤其涉及一種新型超短脈沖激光器及基于增益光柵壓縮脈寬及提高能量的方法。

背景技術

目前獲得超短脈沖激光的技術手段主要是鎖模，但是通過傳統鎖模方式實現的超短脈沖激光器如飛秒激光器具有十分明顯的缺點，例如結構復雜，工作條件對腔內光功率密度和外界環境十分敏感等。具有上述缺點一方面的原因是由于目前超短脈沖激光器通常是利用被動非線性器件產生周期性調制，或利用激活介質本身的非線性效應對振蕩光束進行強度調制、相位鎖定。超短脈沖激光器要求腔內功率密度足夠高，但是過度的自調制會引起鎖模的不穩定，對外界的擾動非常靈敏，因此通過這種方式獲得飛秒激光脈沖的條件十分苛刻；另一方面，鎖模激光器的重復頻率通常為MHz量級，具有較高的重復頻率及較高的平均輸出功率，但其單脈沖能量較低。通過鎖模技術直接獲得高重復頻率激光脈沖時間間隔非常小，在材料加工過程中，激光脈沖與材料作用過程中產生的等離子體無法及時散去，會產生等離子體屏蔽效應，嚴重影響激光加工效率和質量。實驗研究結果表明，當重復頻率小于1MHz時，等離子屏蔽效應較弱，激光脈沖能量較高，加工速率和加工效果明顯提升。

同時，鎖模激光器機械敏感度高，光路校準困難。為了降低鎖模激光器的重復頻率，同時提高平均功率和脈沖能量，保持脈沖穩定性，需要額外使用脈沖選擇器、激光放大器等設備，明顯增加了激光系統的復雜程度、技術難度以及成本。

基于環形諧振腔產生的增益光柵主要由四波混頻效應、自泵浦相位共軛效應和雙相位共軛效應等非線性效應作用而形成，具有非線性特性，自適應匹配激光波長，大于1的衍射效率，高的空間和頻譜選擇性等。形成增益光柵的基本機制是兩束相干光束在飽和增益介質中干涉形成空間燒孔，相干光束中的任何位相信息都將被寫入到增益光柵中，該光柵可以被看作三維體全息圖，能夠對產生的激光進行空間調制、時間調制、光譜濾波和相位補償等。美國的G.A.Rakuljic和V.Leyva在光折變材料中利用二波混頻效應，實現了投射式和反射式全息體光柵，濾波帶寬0.0125nm(Opt.Lett.1993,18(6):459～461)。M.J.Damzen課題組理論研究了增益光柵的濾波特性以及光譜演化過程，研究結果證明采用增益光柵的自適應激光諧振腔中，增益光柵能夠選模實現單縱模激光輸出(IEEE J.of QuantumElectron.2000,36(7):802～809)。這些研究表明，利用四波混頻效應形成相位共軛，產生增益光柵，能夠對激光的空間、頻譜和瞬態特性進行控制，能夠對腔內光束實現光譜濾波。

雖然國外研究人員在增益光柵光譜濾波方面的研究取得了很大的進展，但是仍未充分利用增益光柵的光譜濾波特性，應用于注入激光脈沖寬度壓縮的研究中。同時，傳統脈沖壓縮方法由于利用了非線性壓縮技術或使用了窄帶濾波器，將極大的損失脈沖能量，因此很難從原理上實現高效率、高能量超短脈沖壓縮輸出。

發明內容

為解決技術傳統鎖模超短脈沖激光器對工作環境的高度依賴性，以及傳統脈沖壓縮技術效率極低的問題，本發明提出的一種基于增益光柵壓縮脈寬及提高能量的方法及激光器，在增益帶寬范圍內能夠自適應光譜濾波、選模、補償相位，獲得高光束質量、高脈沖能量的激光輸出，在脈沖壓縮及脈沖能量放大的方面具有極大的潛力，進一步拓展了增益光柵的應用范圍。