阅读说明：本技术 一种高功率高重复频率百皮秒激光器 (High-power high-repetition-frequency hundred picosecond laser ) 是由 白振旭 陈晖� 齐瑶瑶 丁洁 杨学宗 王雨雷 吕志伟 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高功率高重复频率百皮秒激光器,包括：种子激光器发出第一频率种子光,经第一光隔离器进入一个双通放大器进行放大,依次通过第一反射镜、第一光束整形器、第一单通放大器、第二反射镜、第三反射镜、第二光束整形器以及第二光隔离器后,进入SBS脉冲压缩器将第一频率种子光压缩至第二频率激光；第二频率激光依次通过第四反射镜、第三光束整形器、若干第二单通放大器、第五反射镜、第六反射镜、第四光束整形器、若干四通板条放大器进行放大；放大后的激光通过第七反射镜、第五光束整形器、倍频器后产生第三频率激光,最后通过分光镜输出。本发明克服了固体SBS介质尺寸小、高功率激光对SBS材料的损伤和输出窄脉宽激光功率低等问题。(The invention discloses a high-power high-repetition-frequency hundred picosecond laser, which comprises: the seed laser emits first-frequency seed light, the first-frequency seed light enters a double-pass amplifier through a first optical isolator to be amplified, and the first-frequency seed light enters an SBS pulse compressor to be compressed to second-frequency laser after sequentially passing through a first reflector, a first beam shaper, a first single-pass amplifier, a second reflector, a third reflector, a second beam shaper and a second optical isolator; the second frequency laser is amplified through a fourth reflector, a third beam shaper, a plurality of second single-pass amplifiers, a fifth reflector, a sixth reflector, a fourth beam shaper and a plurality of four-way slab amplifiers in sequence; and the amplified laser passes through a seventh reflector, a fifth beam shaper and a frequency multiplier to generate third frequency laser, and is finally output through the spectroscope. The invention overcomes the problems of small size of solid SBS medium, damage of high power laser to SBS material, low power of output narrow pulse width laser, etc.)

一种高功率高重复频率百皮秒激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种高功率高重复频率百皮秒激光器。

背景技术

随着人们对于太空探索的深入，人类进入太空的活动也不断增多，但是类似的活动也产生了越来越多的空间碎片，这对于卫星发射和空间探索来说有很大的影响，这就需要对空间轨道中的碎片进行探测。传统的空间目标测量是通过雷达来实现的，但是空间碎片表面没有角反射器，不能接收和反射雷达发出的信号，用雷达对其进行测量是行不通的，因此，利用激光实现对空间碎片的探测成为近几年的一大研究热点。

用于空间碎片探测的激光源需要传输的距离非常远，所以就要求其具有较高的能量，并且要想实现高精度的空间测量，还要求具有好的光束质量、窄脉冲宽度和高重频的特点，所以，获得窄线宽、高功率、高重频激光源是优化空间探测的关键一步。

传统太空碎片探测的方法是采用纳秒激光器并结合主振荡功率放大(MOPA)的方法，但是目前其脉冲宽度已经无法达到人们对测距精度的要求，因此人们正在探索大能量皮秒激光器的实现方法。

目前，获得皮秒脉冲激光输出的技术手段主要是采用可饱和吸收体(SESAM)被动锁模方式。但由于可饱和吸收体损伤阈值较低，限制了被动锁模皮秒脉冲激光的输出功率，往往需要结合再生放大器等复杂结构进行放大，其成本高且稳定性很难控制。因此，利用大能量纳秒脉冲压缩获得百皮秒量级的大能量输出并进行放大，可以有效避免SESAM锁模激光器遇到的难以高效放大难题，是有效获得高功率皮秒级激光光源的重要手段，并有望将测距精度提高1-2个数量级，且激光的成本得到有效控制、稳定性更高。

发明内容

本发明提供了一种高功率高重复频率百皮秒激光器，本发明通过采用多级放大、多个受激布里渊散射(SBS)固体介质串联以及先压缩后放大等多个结构相结合的方式，克服了固体SBS介质尺寸小、高功率激光对SBS材料的损伤和输出窄脉宽激光功率低等问题，详见下文描述：

一种高功率高重复频率百皮秒激光器，所述激光器包括：

种子激光器发出第一频率种子光，经过第一光隔离器后，进入一个双通放大器进行放大，依次通过第一反射镜、第一光束整形器、第一单通放大器、第二反射镜、第三反射镜、第二光束整形器以及第二光隔离器后，进入SBS脉冲压缩器将第一频率种子光压缩至第二频率激光；

第二频率激光依次通过第四反射镜、第三光束整形器、若干第二单通放大器、第五反射镜、第六反射镜、第四光束整形器、若干四通板条放大器进行激光放大；

放大后激光通过第七反射镜、第五光束整形器、倍频器后产生第三频率激光，最后通过分光镜输出。

其中，所述第一光隔离器和第二光隔离器均由第一偏振器、法拉第旋光器、第一二分之一波片组成，使入射的种子光单向通过，反向传输的光因偏振态的改变通过第一偏振器时偏转出射。

进一步地，所述双通放大器由第二偏振器、第一侧泵模块、第一四分之一波片和零度全反镜组成；

第一四分之一波片用于改变种子光的偏振态；零度全反镜镀有对第一频率种子光的全反射膜，并且与第一频率种子光入射方向呈90°夹角，实现全反射。

其中，所述第一单通放大器由第二侧泵模块、第一90°石英转子、第三侧泵模块组成。

进一步地，所述SBS脉冲压缩器由第三偏振器、第二四分之一波片、第一聚焦透镜、若干布里渊介质组成；

第二四分之一波片用于改变脉冲压缩后的激光偏振态；第一聚焦透镜将入射的种子光聚焦到布里渊介质中；第一频率种子光为水平偏振态，透射进入第三偏振器，通过第二四分之一波片变成椭圆偏振光，通过第一聚焦透镜聚焦到布里渊介质中产生第二频率激光，第二频率激光发生后向散射及脉冲压缩后再次经由第一聚焦透镜、第二四分之一波片变成垂直偏振态，最后经过压缩的第二频率激光通过第三偏振器反射出SBS脉冲压缩器。

具体实现时，所述第二单通放大器由第四侧泵模块、第二90°石英转子、第二聚焦透镜、第一真空管、第三聚焦透镜、第五侧泵模块、第二二分之一波片和第四偏振器组成，其中第一真空管内设置有第一小孔光阑；

第二聚焦透镜、第一真空管、第一小孔光阑和第三聚焦透镜共同组成空间滤波器，用于消除放大过程中产生的自发辐射放大效应；第二二分之一波片和第四偏振器组合用于在不改变激光偏振态的情况下控制激光输出能量。

其中，所述四通板条放大器由第五偏振器、板条增益介质、第八反射镜、第六光束整形器、第九反射镜、第十反射镜、第七光束整形器、第三四分之一波片、第十一反射镜、第四聚焦透镜、第二真空管、第五聚焦透镜、第三二分之一波片组成，其中第二真空管内设置有第二小孔光阑；

第六光束整形器、第七光束整形器由单一光学透镜或光学透镜组组成，用于对放大种子光束的整形来减小光束发散带来的降低放大效率负面影响；第三四分之一波片用于改变放大过程中的激光偏振态；第十一反射镜镀有对第二频率激光的全反射膜，并且与第二激光入射方向呈90°夹角，实现对第二频率激光的全反射。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、该激光器采用多个固体SBS介质串联的方式来增加SBS脉冲压缩的作用距离，可以有效的对高重频激光进行脉冲压缩，提高了脉冲压缩效率，弥补了单个固体SBS介质尺寸小的不足；

2、该激光器先通过SBS进行脉冲压缩，再对激光功率进行放大，这种方式避免了高功率激光对SBS材料产生损伤的问题；

3、该激光器采用双通放大器、单通放大器的多级放大方式对种子激光进行放大，同时利用四通板条放大器对脉冲压缩后的种子光进行放大的方式，可以实现百皮秒量级脉冲激光的有效放大，并且能够提高能量利用率和放大效率。

附图说明

图1为一种高功率高重复频率百皮秒激光器的结构示意图；

图2为第一光隔离器的结构示意图；

图3为双通放大器的结构示意图；

图4为第一单通放大器的结构示意图；

图5为SBS脉冲压缩器的结构示意图；

图6为第二单通放大器的结构示意图；

图7为四通板条放大器的结构示意图；

图8为多级四通板条放大器串联的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：种子激光器； 2：第一光隔离器；

3：双通放大器； 4：第一反射镜；

5：第一光束整形器； 6：第一单通放大器；

7：第二反射镜； 8：第三反射镜；

9：第二光束整形器； 10：第二光隔离器；

11：SBS脉冲压缩器； 12：第四反射镜；

13：第三光束整形器； 14：第二单通放大器；

15：第五反射镜； 16：第六反射镜；

17：第四光束整形器； 18：四通板条放大器；

19：第七反射镜； 20：第五光束整形器；

21：倍频器； 22：分光镜。

其中

2-1：第一偏振器； 2-2：法拉第旋光器；

2-3：第一二分之一波片；

3-1：第二偏振器； 3-2：第一侧泵模块；

3-3：第一四分之一波片； 3-4：零度全反镜；

6-1：第二侧泵模块； 6-2：第一90°石英转子；

6-3：第三侧泵模块；

11-1：第三偏振器； 11-2：第二四分之一波片；

11-3：第一聚焦透镜； 11-4：布里渊介质；

14-1：第四侧泵模块； 14-2：第二90°石英转子；

14-3：第二聚焦透镜； 14-4：第一真空管；

14-5：第一小孔光阑； 14-6：第三聚焦透镜；

14-7：第五侧泵模块； 14-8：第二二分之一波片；

14-9：第四偏振器；

18-1：第五偏振器； 18-2：板条增益介质；

18-3：第八反射镜； 18-4：第六光束整形器；

18-5：第九反射镜； 18-6：第十反射镜；

18-7：第七光束整形器； 18-8：第三四分之一波片；

18-9：第十一反射镜； 18-10：第四聚焦透镜；

18-11：第二真空管； 18-12：第二小孔光阑；

18-13：第五聚焦透镜； 18-14：第三二分之一波片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

通过了解传统空间目标探测技术中存在的不足发现，利用激光能够实现对空间目标进行快速、准确的探测，尤其是对近地轨道中空间碎片的测量，这对于卫星发射和进一步的空间探索具有重要意义。要想通过激光来实现长距离的空间目标探测，就要求所采用激光源具有较高的能量，并且要想实现高精度的空间测量，还要求具有好的光束质量、窄脉冲宽度和高重频的特点，所以，获得窄线宽、高功率、高重频激光源是优化空间探测的关键一步。采用SESAM被动锁模方式可以获得皮秒量级的窄线宽激光输出，但是受制于可饱和吸收体的损伤阈值较低，其脉冲激光的输出功率受到很大的限制。

综上所述，本发明提出利用注入种子光通过多级振荡功率放大和SBS脉冲压缩相结合的方式，来获得一个可用于空间碎片探测的高功率、窄线宽、高重频激光源。

为了解决传统空间目标测量技术对空间碎片探测不适用的问题，本发明实例提出了一种高功率高重复频率百皮秒激光器，参见图1，一种高功率高重复频率百皮秒激光器包括：种子激光器1、第一光隔离器2、双通放大器3、第一反射镜4、第一光束整形器5、第一单通放大器6、第二反射镜7、第三反射镜8、第二光束整形器9、第二光隔离器10、SBS脉冲压缩器11、第四反射镜12、第三光束整形器13、第二单通放大器14、第五反射镜15、第六反射镜16、第四光束整形器17、四通板条放大器18、第七反射镜19、第五光束整形器20、倍频器21、以及分光镜22。

其中，种子激光器1发出第一频率(为ω_p)的单纵模kHz量级的纳秒种子光，经过第一光隔离器2后，进入一个双通放大器3进行放大，然后依次通过第一反射镜4、第一光束整形器5、第一单通放大器6、第二反射镜7、第三反射镜8、第二光束整形器9以及第二光隔离器10后，进入SBS脉冲压缩器11将第一频率的纳秒种子光压缩至第二频率(为ω_s)激光，单位为百皮秒；

压缩后的激光依次通过第四反射镜12、第三光束整形器13、若干第二单通放大器14、第五反射镜15、第六反射镜16、第四光束整形器17、若干四通板条放大器18进行放大；

放大后的激光通过第七反射镜19、第五光束整形器20、倍频器21后产生第三频率(为ω_H)的激光，最后通过分光镜22输出。

其中，上述第一光束整形器5、第二光束整形器9、第三光束整形器13、第四光束整形器17和第五光束整形器20用于调整光束的发散角和口径，由单一光学透镜或光学透镜组组成。

具体实施时，第一反射镜4、第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜12、第五反射镜15、第六反射镜16、第七反射镜19均为平面反射镜，对第一频率的种子光高反。分光镜22镀有对第二频率(ω_s)激光的增透膜和第三频率(ω_H)激光的全反射膜。

参见图2，第一光隔离器2和第二光隔离器10均由第一偏振器2-1、法拉第旋光器2-2、第一二分之一波片2-3组成；使入射的种子光单向通过第一光隔离器2和第二光隔离器10，反向传输的光因偏振态的改变通过第一偏振器2-1时偏转出射，因此无法通过第一光隔离器2和第二光隔离器10，进而起到保护种子激光器1的作用。

参见图3，双通放大器3由第二偏振器3-1、第一侧泵模块3-2、第一四分之一波片3-3和零度全反镜3-4组成；第一四分之一波片3-3用于改变种子光的偏振态；零度全反镜3-4镀有对第一频率种子光的全反射膜，并且与激光入射方向呈90°夹角，实现对第一频率种子光的全反射；入射至双通放大器3的第一频率种子光为水平偏振态，透射进入第二偏振器3-1，通过第一侧泵模块3-2进行放大，通过第一四分之一波片3-3变成椭圆偏振光，然后在零度全反镜3-4发生全反射，全反射后的种子光再经由第一四分之一波片3-3变成垂直偏振态，然后第二次通过第一侧泵模块3-2再次进行放大，最后两次放大且变为垂直偏振态的种子光通过第二偏振器3-1反射出双通放大器3，完成整个双通放大的过程。

参见图4，第一单通放大器6由第二侧泵模块6-1、第一90°石英转子6-2、第三侧泵模块6-3组成；第一90°石英转子6-2用于将种子光的偏振方向旋转90°(具体实现时，还可以为其他的数值，本发明实施例对此不做限制)，来补偿放大过程中产生的一些负面热效应。

参见图5，SBS脉冲压缩器11由第三偏振器11-1、第二四分之一波片11-2、第一聚焦透镜11-3、若干布里渊介质11-4组成；第二四分之一波片11-2用于改变脉冲压缩后的激光偏振态；第一聚焦透镜11-3将入射的种子光聚焦到布里渊介质11-4中；入射至SBS脉冲压缩器11的第一频率种子光为水平偏振态，透射进入第三偏振器11-1，通过第二四分之一波片11-2变成椭圆偏振光，通过第一聚焦透镜11-3聚焦到布里渊介质11-4中产生第二频率激光，第二频率激光发生后向散射及脉冲压缩后再次经由第一聚焦透镜11-3，然后经由第二四分之一波片11-2变成垂直偏振态，最后脉冲压缩的第二频率激光通过第三偏振器11-1反射出SBS脉冲压缩器11。

参见图6，第二单通放大器14由第四侧泵模块14-1、第二90°石英转子14-2、第二聚焦透镜14-3、第一真空管14-4(第一真空管14-4内设置有第一小孔光阑14-5)、第三聚焦透镜14-6、第五侧泵模块14-7、第二二分之一波片14-8和第四偏振器14-9组成；第二聚焦透镜14-3、第一真空管14-4、第一小孔光阑14-5和第三聚焦透镜14-6共同组成空间滤波器，用于消除放大过程中产生的自发辐射放大(ASE)效应；第二二分之一波片14-8和第四偏振器14-9组合用于在不改变激光偏振态的情况下控制激光输出能量。

参见图7，四通板条放大器18由第五偏振器18-1、板条增益介质18-2、第八反射镜18-3、第六光束整形器18-4、第九反射镜18-5、第十反射镜18-6、第七光束整形器18-7、第三四分之一波片18-8、第十一反射镜18-9、第四聚焦透镜18-10、第二真空管18-11、第二小孔光阑18-12、第五聚焦透镜18-13、第三二分之一波片18-14组成；第六光束整形器18-4、第七光束整形器18-7由单一光学透镜或光学透镜组组成，用于对放大种子光束的整形来减小光束发散带来的降低放大效率等负面影响；第三四分之一波片18-8用于改变放大过程中的激光偏振态；第十一反射镜18-9镀有对第二频率激光的全反射膜，并且与激光入射方向呈90°夹角，实现对第二频率激光的全反射；入射至四通板条放大器18的第二频率激光为水平偏振态，透射进入第五偏振器18-1，然后第一次通过板条增益介质18-2后(第一次放大)，经由第八反射镜18-3、第六光束整形器18-4、第九反射镜18-5后，第二次通过板条增益介质18-2(第二次放大)，然后经由第十反射镜18-6和第七光束整形器18-7，通过第三四分之一波片18-8变成椭圆偏振光，然后在第十一反射镜18-9发生全反射，全反射后的第二频率激光再经由第三四分之一波片18-8变成垂直偏振态，然后再次经由第七光束整形器18-7和第十反射镜18-6，第三次通过板条增益介质18-2(第三次放大)，再依次经由第九反射镜18-5、第六光束整形器18-4和第八反射镜18-3后，第四次通过板条增益介质18-2进行放大(第四次放大)，经过四次放大后且变为垂直偏振态的第二频率激光通过第五偏振器18-1反射；第四聚焦透镜18-10、第二真空管18-11(其中第二真空管18-11内设置有第二小孔光阑18-12)、第二小孔光阑18-12、第五聚焦透镜18-13共同组成空间滤波器，用于消除放大过程中产生的ASE效应，提高光束质量；第三二分之一波片18-14用于控制激光的偏振态，一方面方便多级耦合四通放大，另一方面有利于控制放大后激光的偏转出射。

参见图8，根据功率需求可以将多个四通板条放大器18串联起来对第二频率(ω_s)激光进行放大。实际应用时，双通放大器3、第一单通放大器6、第二单通放大器14与四通板条放大器18的增益介质相同(如：Nd:YAG)，其中，双通放大器3和第一单通放大器6中的增益介质端面均镀有对第一频率(ω_p)种子光增透的介质膜，第二单通放大器14与四通板条放大器18中的增益介质端面均镀有对第二频率(ω_s)激光增透的介质膜，同样根据功率需要可以增加或减少第二单通放大器14的数量；SBS脉冲压缩器11采用多个固体SBS材料串联的方式，SBS介质可以是融石英、或CaF₂、或蓝宝石晶体；板条增益介质18-2两端面具有一定的端面切割角度α(～45°)来提高能量利用率；倍频器21可以是磷酸钛氧钾(KTP)或三硼酸锂(LBO)晶体，其两端镀有对第二频率(ω_s)激光和倍频后产生的第三频率(ω_H)激光的增透膜。

布里渊介质11-4的布里渊频移为ω_Ω，第二频率ω_s＝ω_p-ω_Ω，其中布里渊频移ω_Ω分别远远小于第一频率ω_p，第二频率ω_s，其中，第三频率ω_H＝2ω_s。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，

只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。