顶峰值功率激光器研究开展
崔建丰作者简介：崔建丰(1977—)男长春光学精密机械物理研究读博士北京国科世纪激光技术事半导体抽运灯抽运高均功率调Q激光器高量超快固体激光器频率变换技术研究发表文章7篇发表专利18Tel+861062981938 fax+861062981940址：北京市海淀区第四街1号北京国科激光世纪激光技术 ：100085E—
23樊仲维134 裴博34 薛岩3张晶123 尹淑媛3牛岗123 石晖123王培峰123 毕勇4
(1中国科学院长春光学精密机械物理研究长春 130022 2中国科学院研究生院北京 100049 3北京国科世纪激光技术北京1000854中国科学院光电研究院北京100085〕
摘 针顶峰值功率激光器关键技术进行介绍分析量低重复频率顶峰值功率固体激光器采非稳腔技术结合聚光腔增益分布相交圆光线追迹技术量高光束质量激光输出窄脉宽纳秒亚纳秒激光输出端泵微片者脉LD侧泵浦腔倒空技术师选择超短脉输出顶峰值功率激光器稳定种子输出生放中起着关重作
关键词： 激光技术固体激光相交圆聚光腔非稳腔亚纳秒激光
Study and development of the high peak power laser
Cui Jianfeng 123 Fan Zhongwei 134 Pei Bo 34 Xue Yan 3 Zhang Jing 123 Yin Shuyuan3Niu Gang 123 Shi Zhaohui 123Wang Peifeng123 BI Yong4
(1Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and physics Chinese Academy of Sciences Changchun 130022
2Academy of graduate Chinese Academy of SciencesBeijing 100049
3Beijing GK Laser Technology CoLtd Beijing 100085
4Academy of Optoelectronics Chinese Academy of Sciences Beijing 100085)
Abstract The pivot technology about high peak power laser was introduced and analyzed For large energy with low repetition rate frequency LDpumped solid state high peak power laser it can be reached by unstable cavity and light tracing in intersecting circle pumped cavity while for the nanosecond and subnanosecond laser LD endpumped microdisk or pulse LD sidepumped cavity dumping may be a good approach but for the supershort pulse high peak power laser only with the extraordinary stable continue modelocked seed and perfect regenerative can it be achieved
Key words laser technology solid state laser intersecting circle pumped cavity unstable cavity subnanosecond laser
1引言 固体激光器激光加工领域应推广迅速目前国应绝数局限1064um红外波段峰值功率50KW水数材料短波段显示出更强烈吸收特性[1]通非线性频率变换技术准连续绿光紫外激光器激光标刻槽划片调阻外表硬化处理中显示出更佳性聚焦光斑尺寸波长成正短波长绿光紫外激光器疑更高分辨率[2]更短脉宽仅仅意味着激光加工程中产生更热影响脉宽越短般说材料损伤阈值越高非线性晶体谐波转换效率越高
顶峰值功率激光器传统激光器相具脉量〔十毫焦焦耳〕脉宽度短〔飞秒皮秒亚纳秒纳秒左右〕峰值功率更高(MWGW)实现难度更等特点类激光器激光加工流场显示海洋探测光电抗激光医疗气监测激光通信谐波变换X射线激光器电子加速器惯性约束核聚变[3] 超短脉掺钛蓝宝石调谐激光器研究等领域拥更优势目前类激光器技术国外美国相干光谱物理德国揶白俄罗斯Solar等公司掌握样认：顶峰值功率激光器频率变换技术开展水直接关系制约着国激光技术开展水影响相关激光应行业开展国民济开展中具战略意义
激光脉峰值功率脉量成正脉宽度成反想更高峰值功率实现更高量输出缩短脉宽度深入解类激光器技术特性实现进步突破具重意义
2 量高光束质量激光器
21 VRM非稳腔腔型设计 实现量高光束质量激光输出传统稳定腔设计显然远远满足求时激光晶体棒尺寸拟传统稳定腔腔型设计难实现基模半径1mm稳定输出采传统非稳腔然增加基模体积存硬边衍射场纹波[4]利带变反射率输出镜〔VRM〕[5]结合重复频率求选适放率般实现高光束质量激光输出VRM非稳腔光路图1示：
图1 VRM非稳腔光路
VRM反射率镀成高斯分布〔图2〕镀成超高斯分布〔图3〕具体取决系统设计稳区求
图2 高斯分布VRM 图3超高斯分布VRM
22 量固体激光器聚光腔设计 果级振荡级满足终量求采陶瓷漫反射聚光腔般说仅获高效率够保障激光光斑均匀[6]模式较果需级功率放实现输出陶瓷漫反射聚光腔设计常会造成输出光斑边缘亮中心局部光斑相较弱情形必须级泵浦光分布进行合理安排相互补偿实现高光束质量激光输出
采相交圆[7]仅整聚光腔设计更巧拟容易进行光线追迹合理安排泵浦光晶体棒中分布图4相交圆聚光腔示意图中相交圆半径R弧高H晶体棒半径r灯棒间距2C意光线O1M弧面反射晶体棒相交O2ML距离S1考虑晶体棒折射效应实际距离S2实际走距离PQ
(a) (b)
图4相交圆聚光腔示意图
果希设计相均匀泵浦光分布参图5果希设计相集中晶体棒中心泵浦光分布参图6
图5相均匀泵浦光分布 图6相集中泵浦光分布
3 短脉超短脉激光器 31纳秒亚纳秒脉激光器激光脉宽介普通声光调Q电光调Q激光器高端锁模激光器间脉宽普通调Q激光脉宽短1数量级等量级输出量前提具更高峰值功率锁模激光器相需锁定摸腔长搞长重频通适宜电光器件声光器件容易控制防止传统锁模种子动辄百兆Hz选单放法弱点容易实现稳定输出
纳秒亚纳秒脉激光器研究国研究拟少通SBS布里渊散射池实现位相轭时压短脉种方法国做短脉宽60皮秒[8]外通腔外电光器件斩波实现纳秒左右短脉斩波方式先天弊病：首先斩波牺牲量代价方果30纳秒脉斩成3纳秒激光量少降原110转换效率特低次斩波方法短脉宽受限电光器件开关速度开关速度越快实现越困难目前种方法1纳秒斩波根力斩波电光器件偏振片等起配合电光器件偏振片消光直接影响斩波效果造成信号度降低
国外纳秒亚纳秒脉激光器研究水国首先通SBS布里渊散射途径已够实现亚纳秒短脉输出SBS布里渊散射途径强激光非线性效应实现需足够强脉量注入高重频实现起拟困难外SBS必须染料池染料寿命限需定期更换限制染料身数毒环保采布里渊散射途径国外通脉啁啾放实现亚纳秒激光输出该方法整光路复杂容易失调安装调试维修相困难造价极高做科学研究勉强工程化应推广前景渺茫
通利脉LD光纤耦合端面泵浦NdYAGNdYVO4通CrYAG等动调Q进步缩短腔长等方法实现高重复频率端泵微腔亚纳秒激光输出具体光路图7中S1镀808增透1064高反S2镀1064局部输出
图7端泵微腔亚纳秒激光器光路
采端泵微腔动调Q实现亚纳秒激光输出优点结构简单整机巧脉宽较短动调Q身漂白特性低注入时容易出现脉
通脉LD侧泵结合腔倒空实现纳秒脉输出图8
图8侧泵腔倒空纳秒脉输出
腔倒空高注入量条件容易实现短脉输出腔长影响脉宽度重素[9]缩短腔长保证光斑模式腔型设计定难度
32超短脉激光器
实超短脉激光器般锁模种子源生放器组成中锁模种子源输出纳焦量级超短脉图9法拉第隔离器注入生放器进行选单功率放图10然通偏振片P3倒空输出生放般放毫焦量级果需量进步放生放输出端加功率放器
图9LD端泵皮秒锁模种子源
图10 生放器光路图
实飞秒脉激光光路皮秒激光器原理类似般锁模种子源注入生放器通放器中进行放种子光实现起更复杂种子光先展宽器展宽进行放赘述
超短脉稳定连续锁模种子输出关重果种子脉串稳者调Q会严重破坏整机性甚导致法正常工作生放脉进行选单精确控制脉中放次数倒空时间确保生放脉足够信噪度
4 结束语 VRM非稳腔设计采相交圆聚光腔光线追迹技术开展量高光束质量激光器设计变日渐容易控微片激光器腔倒空技术功率脉LD技术开展纳秒亚纳秒短脉激光器实现成着Sesam半导体动锁模技术日益成熟高速普克尔盒驱动电源逐渐成熟相信实化型化超短脉顶峰值功率激光输出疑会传统声光调Q电光调Q激光装置样 成许领域中开展然科学研究选择工具
5参考文献：
1 [J]ChangBEWarner EPDragon and MWJWallace Precision micromachining with pulsed green lasers〞Laser Appl1988Vol10 pp 285291
2[C]Jianfeng Cui Zhongwei Fan Chunhua Zhao Research on LDPumped dual wavelength NdYAG Laser with high beam quality for machining〞SPIE 2005 Vol 6028 60282G
3[C]NWHoppsRBWilcoxMRHermannMDMartinez Optimization of the alignment sensitivity and energy stability of NIF regenerative amplifier cavity〞 SPIE 99Vol3492
4[M]吕百达激光光学〞第三版北京高等教育出版社2003p405
5[J]张放张雷周寿桓变反镜耦合输出卡塞格林非稳腔激光技术研究〞 光学学报1996年10月 第16 卷第10期P14001405
6[J] 刘磊陈慧敏李家泽高功率CrTmHo：YAG激光器实验研究〞光学技术2004年 30卷 4期p505507
7[J]张国许宝忠孙攀峰 相交圆聚光器计算机优选设计〞 光电子·激光2003年11月 第14卷第1l期P11571159
8[J]王 超 吕志伟 伟明利受激布里渊散射获皮秒激光脉〞强激光粒子束2003年12月第15卷第12期p11841186
9[J]崔建丰樊仲维 裴博量脉宽调谐固体激光器研究〞光电子·激光2006年第17卷增刊P373374
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崔建丰作者简介：崔建丰(1977—)男长春光学精密机械物理研究读博士北京国科世纪激光技术事半导体抽运灯抽运高均功率调Q激光器高量超快固体激光器频率变换技术研究发表文章7篇发表专利18Tel+861062981938 fax+861062981940址：北京市海淀区第四街1号北京国科激光世纪激光技术 ：100085E—
23樊仲维134 裴博34 薛岩3张晶123 尹淑媛3牛岗123 石晖123王培峰123 毕勇4
(1中国科学院长春光学精密机械物理研究长春 130022 2中国科学院研究生院北京 100049 3北京国科世纪激光技术北京1000854中国科学院光电研究院北京100085〕
摘 针顶峰值功率激光器关键技术进行介绍分析量低重复频率顶峰值功率固体激光器采非稳腔技术结合聚光腔增益分布相交圆光线追迹技术量高光束质量激光输出窄脉宽纳秒亚纳秒激光输出端泵微片者脉LD侧泵浦腔倒空技术师选择超短脉输出顶峰值功率激光器稳定种子输出生放中起着关重作
关键词： 激光技术固体激光相交圆聚光腔非稳腔亚纳秒激光
Study and development of the high peak power laser
Cui Jianfeng 123 Fan Zhongwei 134 Pei Bo 34 Xue Yan 3 Zhang Jing 123 Yin Shuyuan3Niu Gang 123 Shi Zhaohui 123Wang Peifeng123 BI Yong4
(1Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and physics Chinese Academy of Sciences Changchun 130022
2Academy of graduate Chinese Academy of SciencesBeijing 100049
3Beijing GK Laser Technology CoLtd Beijing 100085
4Academy of Optoelectronics Chinese Academy of Sciences Beijing 100085)
Abstract The pivot technology about high peak power laser was introduced and analyzed For large energy with low repetition rate frequency LDpumped solid state high peak power laser it can be reached by unstable cavity and light tracing in intersecting circle pumped cavity while for the nanosecond and subnanosecond laser LD endpumped microdisk or pulse LD sidepumped cavity dumping may be a good approach but for the supershort pulse high peak power laser only with the extraordinary stable continue modelocked seed and perfect regenerative can it be achieved
Key words laser technology solid state laser intersecting circle pumped cavity unstable cavity subnanosecond laser
1引言 固体激光器激光加工领域应推广迅速目前国应绝数局限1064um红外波段峰值功率50KW水数材料短波段显示出更强烈吸收特性[1]通非线性频率变换技术准连续绿光紫外激光器激光标刻槽划片调阻外表硬化处理中显示出更佳性聚焦光斑尺寸波长成正短波长绿光紫外激光器疑更高分辨率[2]更短脉宽仅仅意味着激光加工程中产生更热影响脉宽越短般说材料损伤阈值越高非线性晶体谐波转换效率越高
顶峰值功率激光器传统激光器相具脉量〔十毫焦焦耳〕脉宽度短〔飞秒皮秒亚纳秒纳秒左右〕峰值功率更高(MWGW)实现难度更等特点类激光器激光加工流场显示海洋探测光电抗激光医疗气监测激光通信谐波变换X射线激光器电子加速器惯性约束核聚变[3] 超短脉掺钛蓝宝石调谐激光器研究等领域拥更优势目前类激光器技术国外美国相干光谱物理德国揶白俄罗斯Solar等公司掌握样认：顶峰值功率激光器频率变换技术开展水直接关系制约着国激光技术开展水影响相关激光应行业开展国民济开展中具战略意义
激光脉峰值功率脉量成正脉宽度成反想更高峰值功率实现更高量输出缩短脉宽度深入解类激光器技术特性实现进步突破具重意义
2 量高光束质量激光器
21 VRM非稳腔腔型设计 实现量高光束质量激光输出传统稳定腔设计显然远远满足求时激光晶体棒尺寸拟传统稳定腔腔型设计难实现基模半径1mm稳定输出采传统非稳腔然增加基模体积存硬边衍射场纹波[4]利带变反射率输出镜〔VRM〕[5]结合重复频率求选适放率般实现高光束质量激光输出VRM非稳腔光路图1示：
图1 VRM非稳腔光路
VRM反射率镀成高斯分布〔图2〕镀成超高斯分布〔图3〕具体取决系统设计稳区求
图2 高斯分布VRM 图3超高斯分布VRM
22 量固体激光器聚光腔设计 果级振荡级满足终量求采陶瓷漫反射聚光腔般说仅获高效率够保障激光光斑均匀[6]模式较果需级功率放实现输出陶瓷漫反射聚光腔设计常会造成输出光斑边缘亮中心局部光斑相较弱情形必须级泵浦光分布进行合理安排相互补偿实现高光束质量激光输出
采相交圆[7]仅整聚光腔设计更巧拟容易进行光线追迹合理安排泵浦光晶体棒中分布图4相交圆聚光腔示意图中相交圆半径R弧高H晶体棒半径r灯棒间距2C意光线O1M弧面反射晶体棒相交O2ML距离S1考虑晶体棒折射效应实际距离S2实际走距离PQ
(a) (b)
图4相交圆聚光腔示意图
果希设计相均匀泵浦光分布参图5果希设计相集中晶体棒中心泵浦光分布参图6
图5相均匀泵浦光分布 图6相集中泵浦光分布
3 短脉超短脉激光器 31纳秒亚纳秒脉激光器激光脉宽介普通声光调Q电光调Q激光器高端锁模激光器间脉宽普通调Q激光脉宽短1数量级等量级输出量前提具更高峰值功率锁模激光器相需锁定摸腔长搞长重频通适宜电光器件声光器件容易控制防止传统锁模种子动辄百兆Hz选单放法弱点容易实现稳定输出
纳秒亚纳秒脉激光器研究国研究拟少通SBS布里渊散射池实现位相轭时压短脉种方法国做短脉宽60皮秒[8]外通腔外电光器件斩波实现纳秒左右短脉斩波方式先天弊病：首先斩波牺牲量代价方果30纳秒脉斩成3纳秒激光量少降原110转换效率特低次斩波方法短脉宽受限电光器件开关速度开关速度越快实现越困难目前种方法1纳秒斩波根力斩波电光器件偏振片等起配合电光器件偏振片消光直接影响斩波效果造成信号度降低
国外纳秒亚纳秒脉激光器研究水国首先通SBS布里渊散射途径已够实现亚纳秒短脉输出SBS布里渊散射途径强激光非线性效应实现需足够强脉量注入高重频实现起拟困难外SBS必须染料池染料寿命限需定期更换限制染料身数毒环保采布里渊散射途径国外通脉啁啾放实现亚纳秒激光输出该方法整光路复杂容易失调安装调试维修相困难造价极高做科学研究勉强工程化应推广前景渺茫
通利脉LD光纤耦合端面泵浦NdYAGNdYVO4通CrYAG等动调Q进步缩短腔长等方法实现高重复频率端泵微腔亚纳秒激光输出具体光路图7中S1镀808增透1064高反S2镀1064局部输出
图7端泵微腔亚纳秒激光器光路
采端泵微腔动调Q实现亚纳秒激光输出优点结构简单整机巧脉宽较短动调Q身漂白特性低注入时容易出现脉
通脉LD侧泵结合腔倒空实现纳秒脉输出图8
图8侧泵腔倒空纳秒脉输出
腔倒空高注入量条件容易实现短脉输出腔长影响脉宽度重素[9]缩短腔长保证光斑模式腔型设计定难度
32超短脉激光器
实超短脉激光器般锁模种子源生放器组成中锁模种子源输出纳焦量级超短脉图9法拉第隔离器注入生放器进行选单功率放图10然通偏振片P3倒空输出生放般放毫焦量级果需量进步放生放输出端加功率放器
图9LD端泵皮秒锁模种子源
图10 生放器光路图
实飞秒脉激光光路皮秒激光器原理类似般锁模种子源注入生放器通放器中进行放种子光实现起更复杂种子光先展宽器展宽进行放赘述
超短脉稳定连续锁模种子输出关重果种子脉串稳者调Q会严重破坏整机性甚导致法正常工作生放脉进行选单精确控制脉中放次数倒空时间确保生放脉足够信噪度
4 结束语 VRM非稳腔设计采相交圆聚光腔光线追迹技术开展量高光束质量激光器设计变日渐容易控微片激光器腔倒空技术功率脉LD技术开展纳秒亚纳秒短脉激光器实现成着Sesam半导体动锁模技术日益成熟高速普克尔盒驱动电源逐渐成熟相信实化型化超短脉顶峰值功率激光输出疑会传统声光调Q电光调Q激光装置样 成许领域中开展然科学研究选择工具
5参考文献：
1 [J]ChangBEWarner EPDragon and MWJWallace Precision micromachining with pulsed green lasers〞Laser Appl1988Vol10 pp 285291
2[C]Jianfeng Cui Zhongwei Fan Chunhua Zhao Research on LDPumped dual wavelength NdYAG Laser with high beam quality for machining〞SPIE 2005 Vol 6028 60282G
3[C]NWHoppsRBWilcoxMRHermannMDMartinez Optimization of the alignment sensitivity and energy stability of NIF regenerative amplifier cavity〞 SPIE 99Vol3492
4[M]吕百达激光光学〞第三版北京高等教育出版社2003p405
5[J]张放张雷周寿桓变反镜耦合输出卡塞格林非稳腔激光技术研究〞 光学学报1996年10月 第16 卷第10期P14001405
6[J] 刘磊陈慧敏李家泽高功率CrTmHo：YAG激光器实验研究〞光学技术2004年 30卷 4期p505507
7[J]张国许宝忠孙攀峰 相交圆聚光器计算机优选设计〞 光电子·激光2003年11月 第14卷第1l期P11571159
8[J]王 超 吕志伟 伟明利受激布里渊散射获皮秒激光脉〞强激光粒子束2003年12月第15卷第12期p11841186
9[J]崔建丰樊仲维 裴博量脉宽调谐固体激光器研究〞光电子·激光2006年第17卷增刊P373374
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