高亮度高增益全固態(tài)皮秒激光放大技術(shù)研究.pdf

1、脈沖重復(fù)頻率小于1MHz的高亮度兆瓦級(jí)1064nm全固態(tài)皮秒激光器在工業(yè)微加工、非線性頻率變換等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。通常，此類激光器種子源輸出功率極低，需要采用高增益放大器(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)來(lái)提升輸出激光的功率及單脈沖能量，以滿足應(yīng)用需求。多級(jí)光纖放大器可以提供極高增益，但受限于光纖中的光學(xué)損傷及非線性效應(yīng)，其難以實(shí)現(xiàn)高峰值功率激光輸出;再生放大技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高增益放大的有效

2、途徑，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，并不實(shí)用。近年來(lái)，基于高增益固體介質(zhì)直接放大低功率皮秒種子源技術(shù)日益得到關(guān)注。本論文對(duì)采用Nd∶YVO4晶體放大低功率的被動(dòng)調(diào)Q微晶片皮秒激光器技術(shù)進(jìn)行研究，以獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本較低的高亮度、高增益全固態(tài)皮秒激光放大器。
　　論文主要研究?jī)?nèi)容分為兩部分:基于端面泵浦Nd∶YVO4棒狀結(jié)構(gòu)高亮度高增益全固態(tài)皮秒激光放大技術(shù)研究;基于掠入射側(cè)面泵浦Nd∶YVO4板條結(jié)構(gòu)高亮度高增益全固態(tài)皮秒激光放大技

3、術(shù)研究。
　　端面泵浦Nd∶YVO4棒狀結(jié)構(gòu)散熱效果較差。為了獲得高增益及高功率激光輸出，通常需要采用強(qiáng)泵浦以實(shí)現(xiàn)高反轉(zhuǎn)粒子密度。這使增益介質(zhì)內(nèi)熱效應(yīng)更為嚴(yán)重，熱畸變導(dǎo)致輸出激光光束質(zhì)量退化。理論分析附加增益介質(zhì)熱致球差后激光光束質(zhì)量的演化（忽略增益飽和效應(yīng)），得到:附加增益介質(zhì)正球差的激光光束傳播經(jīng)過(guò)束腰后，波前球差會(huì)由正轉(zhuǎn)負(fù);若將此帶負(fù)球差的激光光束通過(guò)具有相同熱效應(yīng)（熱球差）的增益介質(zhì)，便可實(shí)現(xiàn)波前球差補(bǔ)償，使輸出激光光束質(zhì)

4、量得到改善。指出:在端面泵浦Nd∶YVO4棒狀高增益放大器中，增益對(duì)光束強(qiáng)度分布起優(yōu)化作用，利于采用波前球差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)光束質(zhì)量改善。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于波前球差補(bǔ)償?shù)母吡炼?、高增益三?jí)全固態(tài)皮秒激光MOPA系統(tǒng)。預(yù)放大級(jí)采用特殊設(shè)計(jì)的雙通放大結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)波前球差自補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)提高激光的提取效率，并有效抑制強(qiáng)泵浦導(dǎo)致的寄生激光，將脈沖重復(fù)頻率100kHz、脈沖寬度～95ps、光束質(zhì)量因子M2≤1.15的10mW低功率微晶片種子光放大

5、到12W，光光效率20％，光束質(zhì)量因子M2≤1.28;主放大級(jí)為兩級(jí)單通波前球差補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，采用較大的泵浦光與種子光半徑，在實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)波前球差互補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)有效降低增益介質(zhì)內(nèi)峰值功率密度，最終獲得了平均功率65W的激光輸出，峰值功率～7MW，單脈沖能量650μJ，光束質(zhì)量因子M2≤1.30。
　　與端面泵浦Nd∶YVO4棒狀結(jié)構(gòu)相比，掠入射側(cè)面泵浦Nd∶YVO4板條結(jié)構(gòu)在泵浦面附近形成一段長(zhǎng)距離高反轉(zhuǎn)粒子密度區(qū)，并具有極佳的散熱能力

6、，是實(shí)現(xiàn)高亮度、高增益激光放大的有效途徑。對(duì)掠入射側(cè)面泵浦Nd∶YVO4板條增益介質(zhì)內(nèi)熱致折射率變化引起的熱透鏡及熱致畸變效應(yīng)進(jìn)行分析，指出:垂直方向泵浦光為高斯分布時(shí)，垂直方向泵浦光斑尺寸的變化對(duì)板條熱效應(yīng)影響較小，采用較小垂直方向泵浦光斑尺寸實(shí)現(xiàn)高反轉(zhuǎn)粒子密度并不會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的熱致畸變;在掠入射角度由小變大的過(guò)程中，放大激光水平方向的熱致畸變呈先增加再減小的趨勢(shì)，采用更小的掠入射角度可以實(shí)現(xiàn)更小的水平方向熱致畸變及更高的增益（掠入

7、射角度越小增益越高）。優(yōu)化了種子光掠入射角度、種子光在泵浦面投射寬度及泵浦寬度等參數(shù)。采用新型的液態(tài)金屬材料取代銦膜作為熱傳導(dǎo)材料，對(duì)其實(shí)用性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，極大改善地改善了板條的熱效應(yīng)。采用連續(xù)激光進(jìn)行Nd∶YVO4板條結(jié)構(gòu)放大實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于掠入射Nd∶YVO4板條結(jié)構(gòu)的高亮度、高增益兩級(jí)單通全固態(tài)皮秒激光MOPA系統(tǒng)。預(yù)放大級(jí)采用較小的泵浦光與種子光垂直半徑，實(shí)現(xiàn)高增益，將脈沖重復(fù)頻率100kHz