大能量多波段皮秒激光技术研究

姜志兴，毛小洁，庞庆生，邹 跃，秘国江，姜东升

(1．华北光电技术研究所，北京100015;2．固体激光技术重点实验室，北京100015)

1 引言

目前，大能量皮秒激光器己被广泛的应用在工业、科研、通讯、医疗等领域。在诸如材料加工［1－2］、精细机械加工［3］、泵浦探针实验［4］、光电检测、生物组织切割［5］等多方面的应用中，皮秒激光器都扮演着关键的角色。21世纪随着SESAM锁模、高重频电光调制、半导体泵浦等技术的进步和器件的成熟，高重频全固态皮秒激光器的应用得到了迅速和广泛的发展。国内工业精细加工领域，特别是航空航天、太阳能、微电子等领域，对高重复频率的全固态皮秒激光器有非常高的需求，其中具有代表性的有激光测距、光电对抗和激光加工等［6－8］。

本文就研制的大能量多波段皮秒固体激光器及其关键技术进行了分析和探究。

2 激光器介绍

激光器机头照片如图1所示。

图1 激光器机头照片

激光器的基本原理:在图1中激光器内部采用MOPA方式，皮秒种子源输出脉冲能量为nJ量级，再经过两个放大腔双程四次放大102倍到200 mJ，总能量放大≥108倍。1．064μm激光器输出的脉冲功率密度≥40 GW/cm2。再经二倍频、三倍频、四倍频谐波转换，实现1．064 μm、0．532 μm、0．355 μm、0．266μm四个波长输出。

3 关键技术分析

3．1 新型无独立单选模块再生技术

3．1．1 基本原理

在激光器再生放大 振腔设计中，创新性地提出新型无独立单选模块技术，把脉冲的单选功能集成到再生放大过程中来进行的设计思路，并将该技术成功应用于该激光器。SESAM锁模主振荡器的输出脉冲能量一般都只有nJ量级。为获得皮秒超强激光脉冲，就必须经过多级放大。为了能够使皮秒脉冲能够高效地提取激光增益介质中的能量，在功率放大器之前通常需要加入一个前置放大器。再生放大器(Regenerative Amplifier)作为常用的前置激光放大器，可以让种子脉冲多次(30程左右)通过增益介质，充分提取介质中的储能，从而获得很高的增益(可达106以上)，可将nJ量级脉冲放大到mJ量级。

在皮秒锁模激光脉冲的放大系统中，再生放大器得到了非常广泛的应用。作为一种高稳定度、高峰值功率、皮秒同步激光脉冲的有效手段，即使在较高的重复频率下，再生放大器也能够提供极高的增益，并且引入的时间波形畸变和附加噪声都很小。再生放大器主要包括3个过程:

①种子脉冲注入再生放大腔;

②在特定时刻给普克尔盒加上λ/4电压，改变脉冲偏振方向，将光脉冲限制在腔内，进行多程放大;

③当光脉冲能量达到最大时，撤销普克尔盒上的λ/4电压，光脉冲偏振方向旋转90°，由偏振片TFP3腔倒空输出。

近几年随着再生放大技术的发展，研究人员根据各自具体需要发展了多种多样的再生放大器光路，但各种光路都包括:种子脉冲注入谐振腔、多程放大和腔倒空这三个基本过程［9－10］。

3．1．2 光路设计

传统的再生放大器除了再生放大腔之外，在腔的前端都有一个脉冲单选器，其功能主要是将锁模激光器输出的MHz左右的锁模脉冲序列单选之后再送入到再生放大腔内进行放大，其工作流程如图2所示。

图2 传统的再生放大器技术流程

精确的理论计算可以证明，独立的脉冲单选模块的确是可以去掉的。通过设计合适的再生放大腔长和缩短高重频电光Q开关的上升沿与下降沿时间，脉冲单选功能可以集成到再生放大过程中来进行，这样减小了光路的复杂程度，降低了硬件成本。其技术流程如图3所示。

图3 无脉冲单选器的再生放大技术流程

本文采用的是无独立单选模块的再生放大器，光路示意图如图4所示。

图4 再生放大器光路示意图

3．1．3 再生放大器输出结果

该再生放大器输出脉冲有很高的对比度，脉冲－脉冲稳定性和指向稳定性，其输出光脉冲的波形如图5所示(ch3所示波形)。

图5 输出光脉冲波形

输出再生光斑光束直径为1．2 mm，其远场光斑及M2测试曲线，如图6所示。

图6 远场光斑图及M2测试曲线

从图中可以看出，光斑为TEM00模式，光束质量M2为1．69。为后续的功率放大提供了高光束质量种子。将该技术应用于本激光器，成功实现了10 Hz下激光输出单脉冲能量大于200 m J、光束发散角＜0．8mrad的大能量、高光束质量的多波段激光输出，顺利完成了本激光器要求的技术指标。

3．2 高功率密度下大能量激光放大系统的抗激光损伤技术

为了解决这一关键技术对光束的空间分布采取“平滑”措施，获得近似平顶的空间分布。由于输出的激光脉冲峰值功率高(达40 GW/cm2以上)，相应的光学元件易损伤，抗光损伤设计非常重要，在大能量注入条件下，激光工作物质通常存在非常严重的热透镜效应以及热致双折射，热透镜效应将会使得可以利用的激光工作物质模体积急剧减少，不止影响激光输出能量，而且影响激光光束质量［11］。通过优化设计放大级，可以补偿工作物质的热透镜效应，获得了较为理想的实验结果。

高功率激光系统中，热吸收或光致产生的应力将会导致激光介质产生双折射效应，热致双折射使得激光束的偏振状态发生改变，出现另一个偏振分量，产生退偏。采用双级双程功率放大技术，有效地解决了退偏的问题。在此光学系统中，由于放大棒、透镜等光学器件较多，由于剩余反射率的存在，易产生自激，造成光学破坏。为了克服自激，一种办法就是把放大棒调斜，另一种方法是把放大棒端面磨斜［11］。在一定程度上，前者只能克服放大棒之间的自激，而第二种方法还能克服棒内的自激。考虑到实际情况，把两个端面磨成平行四边形。通过长期试验验证，也充分证明了这种设计结果是非常有效和必要的。

3．2．1 光斑“平滑设计”

由于输出的激光脉冲峰值功率高相应的光学元件易损伤，抗光损伤设计非常重要。采用平滑技术，改善了光斑的均匀性，获得近似平顶的空间分布，将光学器件的抗激光损伤阈值提高到≥40 GW/cm2以上。

光学系统中，放大棒、透镜等光学器件较多，由于剩余反射率的存在，易产生自激，造成光学破坏。为了克服自激，把放大棒端面磨成平行四边形，在一定程度上，克服了棒内和放大棒之间的自激。由于15 mJ的退偏光就可能把种子源打坏，因此在两极放大之间也增加了法拉第隔离系统，确保光路中光学器件的安全，如图7所示。

图7 双棒串接双程功率放大系统

3．2．2 四级放大和偏振旋光设计

在高重频、大能量注入条件下，激光工作物质会存在严重的热透镜效应以及热致双折射。热致双折射使得激光束的偏振状态发生改变，产生退偏，不仅影响输出能量，而且影响激光光束质量。因为热吸收或者光致产生的应力导致了激光介质产生双折射效应，通常在不采取消退偏措施情况下，对于重频10 Hz、输出能量大于500 mJ时，退偏已大于17%，这对光路中的光隔离和倍频极为不利。本系统放大级双通的热退偏是光束两次通过Φ10放大级与全反镜之间的45°法拉第隔离器，偏振态旋转90°，将其径向和切向偏振分量进行交换，热退偏相互抵消。Φ10两放大级之间的90°旋光器消除热退偏，并且走双程。这样激光器工作在高功率注入下，通过优化整个光路中的热透镜和热退偏基本上均可消除，输出光斑如图8所示。

图8 放大级近场光斑

3．3 高效倍频、和频及四倍频技术

在保证高效激光倍频效率、和频效率、四倍频效率的同时充分考虑装备使用要求，以最合理的倍频、和频及四倍频匹配方式和匹配参数进行设计和研究，使该激光器的倍频效率高达50%以上。

在倍频激光器中，倍频效率是一个非常重要的指标。本项目中使用的倍频器可以设计为非临界相位匹配方式，也可以设计为Ⅱ类匹配方式，采用非临界相位匹配方式，倍频效率容易实现较高的转化，但晶体必须工作在148℃，而且对于温度较敏感，要求温度控制精度在±0．2℃之内，而且整个升温过程较长，预热时间最少需要半小时，不利于工程应用;采用Ⅱ类匹配方式，倍频器的工作温度在常温范围内，可以和激光器内的其他光学元件一起采用水冷温控的方式，非常适宜于工程使用，而且稳定时间短，长期稳定性也较好，但相比之下，倍频效率要低一些。在本项目研制过程中，我们通过理论计算和实验验证，在Ⅱ类匹配方式下，设计了最佳的晶体切割角度、晶体长度等参数，最终在设备上达到了非临界相位匹配所能达到的倍频转化效率，使该激光器倍频效率高达50%以上。充分考虑到四倍频的效率问题，我们让倍频晶体和四倍频晶体在主光路上，而让和频晶体在和光轴垂直的光路上，兼顾了四倍频的高效率以及和频的大能量输出。倍频、和频及四倍频光路如图9所示。最终实现532 nm输出111．1 mJ，355 nm 输出 35 m J，266 nm 输出 25 m J。

图9 倍频、和频及四倍频光路

4 结束语

通过采用本文所分析研究的关键技术，我们成功研制出高重频、高功率、多波段输出的皮秒固体激光器，实现 1．064 μm、0．532 μm、0．355 μm、0．266 μm四个波长输出。该激光器光路、电路均非常复杂，其中光学元器件达20余种，数量58个以上，难度很大。该激光器可以应用在光电对抗、机械加工等多个领域。

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