[发明专利]光学同步的自锁模激光器及其啁啾脉冲放大系统

说明书

本发明涉及光电子技术领域，特别是涉及激光器领域。

一般自锁模激光器的输出脉冲能量为nj量级，峰值功率小于MW量级，因而应用范围相当有限，与强场物理如：多光子电离、激光等离子体互作用以及X光激光的要求相距甚远。提高超短脉冲激光器输出能量的主要途径就是光脉冲放大。啁啾脉冲放大(“Multiterawatt 30-fs Ti:sapphire lasersystem”,C.P.J.Barty,C.L.Gordon Ⅲ,B.E.Lemoff Opt.Lett.,1994,18:1442)是目前普遍采用的超短脉冲放大技术。美国利弗莫尔实验室采用啁啾脉冲放大技术在1996年研制成功单脉冲能量580J，脉冲宽度490fs，峰值功率1.25PW的小型化台面超强激光系统(“Livermore Petawatt laser sets newpulsed-power record”,Laser Focus World,1996,7:13)。但是目前世界上所有的啁啾脉冲放大系统均需要一套精度极高的电脉冲同步延时系统，它把光电探测器探测到的几十兆赫兹锁模脉冲信号转变成电信号后和泵浦源的几十或者几千赫兹电信号同步，然后经过适当的电延时产生几路触发信号去触发单脉冲选择器、腔倒空器等控制脉冲捕捉、放大、释放的器件。目前尚无在啁啾脉冲放大系统中采用光学同步的方法替代复杂的电脉冲同步延时系统的报道。

本发明的目的就在于在啁啾脉冲放大系统中利用同一台脉冲激光器同时泵浦自锁模激光器和脉冲放大器，使得自锁模激光器输出的锁模脉冲、脉冲放大器的增益以及泵浦源脉冲激光器的泵浦脉冲三者之间在时间上严格同步，它们之间的延时采用光学方法很容易实现。

采用这项技术将解决啁啾脉冲放大系统中长期困扰人们的电脉冲同步延时问题，并使啁啾脉冲放大系统电路控制部分简单化。

本发明的技术方案如下，啁啾脉冲放大系统由泵浦源脉冲激光器1，自锁模激光器2，单脉冲选择器3，脉冲展宽器4，脉冲放大器5，脉冲压缩器6组成。脉冲激光器1同时泵浦自锁模激光器2及脉冲放大器5，自锁模激光器2在输出脉冲包络中会产生锁模脉冲序列，经过单脉冲选择器3从每个包络中取出能量相对较大的锁模脉冲，该锁模脉冲经过脉冲展宽器4在时间上展宽后，送到脉冲放大器5进行能量放大，自锁模激光器2以及脉冲放大器5均被同一台脉冲激光器1泵浦，自锁模激光器输出的锁模脉冲、脉冲放大器的增益以及泵浦源脉冲激光器的泵浦脉冲三者之间在时间上严格同步，它们之间的延时由光学延时实现。放大后的脉冲经过脉冲压缩器6在时间上重新压缩，得到和自锁模激光器输出脉宽相当的超短脉冲。

作为啁啾脉冲放大系统泵浦源的脉冲激光器1可以是电光调Q纳秒Nd:YAG倍频激光器，或者声光调Q纳秒Nd:YAG倍频激光器，或者输出波长为670nm的半导体激光器；自锁模激光器2及脉冲放大器5中的增益介质是掺钛蓝宝石，或者是Cr:LiSAF，或者是Cr:LiSGAF，或者是Cr:YAG，或者是Nd:YAG。

本发明解决了啁啾脉冲放大系统中长期困扰人们的高频电脉冲和低频电脉冲精确同步延时的问题，并使啁啾脉冲放大系统电路控制部分简单化，同时整个啁啾脉冲放大系统只需要一台激光器泵浦，降低了商品化的啁啾脉冲放大系统的成本。

附图是光学同步的自锁模激光器及其啁啾脉冲放大系统示意图。

本发明的典型实施例是，如附图所示，脉冲激光器1是电光调Q纳秒Nd:YAG倍频激光器，该激光器采用高斯镜非稳腔技术目前已经很容易获得532nm激光的单脉冲能量超过500mj，脉冲宽度在10纳秒以下，光束呈高斯型空间分布。利用能量为50mj，重复频率为10Hz的单脉冲泵浦自锁模钛宝石激光器2就能在输出脉冲包络内获得稳定而整齐的锁模脉冲序列。单脉冲选择器3从锁模脉冲序列中选出能量相对较大的超短脉冲注入脉冲展宽器4，脉冲展宽器4能够把自锁模钛宝石激光器2产生的飞秒脉冲展宽至皮秒甚至纳秒量级，被展宽后的脉冲经过脉冲放大器5放大，脉冲放大器的增益介质是钛宝石，脉冲放大器仍然由电光调Q纳秒Nd:YAG倍频激光器泵浦，经过一级放大后能量如果仍未达到要求，可采用二级甚至三级放大，放大介质均采用钛宝石，均由电光调Q纳秒Nd:YAG倍频激光器泵浦，只要倍频激光器输出的单脉冲能量仍然足以使增益介质钛宝石获得增益。钛宝石激光器2产生的超短脉冲以及各级脉冲放大器的增益已被电光调Q纳秒Nd:YAG倍频激光器的输出脉冲同步，三者之间的延时由光学延时实现。被放大后的脉冲经过脉冲压缩器6在时间上得到压缩，从而获得和和自锁模激光器2输出脉宽相当的超短脉冲。