基于亚纳秒微片激光器的能量放大器的研究

高脉冲能量和窄脉冲宽度的激光放大器可以应用在诸多领域,例如激光加工、激光医疗美容和激光雷达。种子源激光器与行波放大结构相结合的主振荡功率放大（MOPA）技术,既能保证输出的脉冲激光相关特性（如脉宽和重复频率等）与种子源特性一致,又能实现激光输出能量的放大。因此MOPA技术成为激光放大器工程应用中的主要技术。本课题针对医疗美容对亚纳秒级大能量激光放大器的需求,研制了一台基于亚纳秒微片固体激光器的激光放大器。首先,采用亚纳秒被动调Q微片固体激光器作为种子源。种子源激光器在重复频率为10 Hz,脉冲宽度为487.3 ps时输出能量为190 μJ的1064 nm种子光。然后,利用自制的两个氙灯泵浦Nd: YAG模块作为主放大器对亚纳秒激光脉冲能量进行放大,对放大过程自激振荡产生的能量实现了抑制,有效地提高了放大过程中的能量转换效率。最终,得到了波长1064 nm和532 nm可切换输出,在重复频率为10 Hz时,获得了脉冲宽度496.4 ps,脉冲能量561 mJ@1064 nm,330 mJ@532 nm,能量稳定性2%且光斑均匀的亚纳秒激光输出。     

高峰值功率大能量Nd∶YAG激光器

将二极管泵浦单纵模Nd∶YAG激光器作为主振荡器,三级灯泵Nd∶YAG放大器及SBS相位共轭镜组成双通放大MOPA 系统,经两个放大单元的行波放大,实现能量达6.58J ,脉宽3. 6ns ,束散角1. 7mrad ,重复频率10Hz 激光输出,峰值功率达1. 82GW。     

LD 脉冲泵浦被动调Q 窄脉冲大能量全固态激光器

利用Nd:YAG/Cr4+:YAG 键合微片激光晶体研制了被动调Q 大能量窄脉冲的全固态激光器,激光器采用脉冲激光二极管泵浦方式,设计了本振级和两级放大结构,分析了激光器系统的自激振荡和其抑制方法,在激光器本振级获得稳定脉冲激光输出的基础上,当两级放大器泵浦电流分别为83A 和85 A 时,获得了最大单脉冲输出能量为120 mJ,脉冲宽度为1.28 ns 的1 064 nm 激光输出,激光通过倍频后可得到65 mJ 的532 nm 绿光输出,其窄脉宽和高光束质量特性可为飞秒激光器啁啾放大提供良好的泵浦源。     

大口径管状Nd∶YAG放大器

将二极管泵浦单纵模Nd∶YAG 激光器作为主振荡器,三级灯泵Nd∶YAG 放大器及 SBS 相位共轭镜组成双通放大MOPA 系统,经两个放大单元的行波放大,再经过管状放大器放大,实献能量输出10. 59J ,脉宽为4. 76ns ,发散角为6mrad、重复频率10Hz 激光输出。     

高能量1 ns Nd:YAG激光器系统

为了实现高能量、窄脉宽的输出,设计了一种半导体端面泵浦Nd:YVO4的主振荡器与功率放大器(MOPA)结构的Nd:YAG激光器。半导体端面泵浦布儒斯特切角Nd:YVO4晶体调Q主振荡器,获得了单脉冲能量0.16mJ,重复频率5Hz,脉冲宽度0.964ns的种子激光输出。通过使用光隔离器和端面切角的Nd:YAG晶体,避免了Nd:YAG双通预放大器的ASE效应,获得了单脉冲能量88mJ,脉宽0.972ns的激光输出。通过空间滤波器后,两级主放大器单通放大后,最终获得了单脉冲能量大于3.25J,脉宽1.051ns,M2为1.9,不稳定度小于±3%ns激光放大输出。     

大口径管状Nd:YAG放大器

将二极管泵浦单纵模Nd：YAG激光器作为主振荡器，三级灯泵Nd：YAG放大器及SBS相位共轭镜组成双通放大MOPA系统，经两个放大单元的行波放大，再经过管状放大器放大，实现能量输出10．59J，脉宽为4．76ns，发散角为6mrad、重复频率10Hz激光输出。     

高峰值功率大能量Nd：YAG激光器

将二极管泵浦单纵模Nd：YAG激光器作为主振荡器，三级灯泵Nd：YAG放大器及SBS相位共轭镜组成双通放大MOPA系统，经两个放大单元的行波放大，实现能量达6．58J，脉宽3．6ns，束散角1．7mrad，重复频率10Hz激光输出，峰值功率达1．82GW。     

100MW级高峰值功率高光束质量Nd:YAG激光器

报道了一台高峰值功率、高光束质量、高稳定性的100 MW级脉冲灯泵浦Nd:YAG激光器。激光器整机采用种子注入功率放大方式,由激光脉冲放大理论出发,理论分析了影响放大级输出能量密度的因素,结合腔型结构优化设计,合理地选取了实验器件参数。实验中,本振级采用基模动态稳定腔结合电光调Q方式,实现了42mJ基模脉冲激光稳定输出,发散角为0.9mrad。当重复频率为10Hz时,经过腔外两级放大,激光器最终获得了1.146 J的1 064 nm动态激光,脉宽为9.2 ns;输出光束为平顶高斯型分布,发散角为0.3 mrad,1 h内的能量不稳定度RMS≤2.88%。     

应用于EAST TS诊断的高能高频Nd:YAG激光器设计

设计了一台可输出1064 nm和532 nm激光脉冲的高能高频激光器,分别用于EAST汤姆逊散射诊断系统对芯部区域和边界区域等离子体电子温度和密度的诊断。该激光器采用电光调Q、卡塞格林非稳腔以及氙灯泵浦脉冲放大器实现频率为100 Hz的3.5 J@1064 nm激光输出。通过两级半导体侧泵浦模块对基频光能量放大,输出激光能量5.5 J@1 064 nm。通过理论计算和分析,确定泵浦模块的放大能力,并与实验结果进行对照。采用LBO晶体对基频光进行倍频,输出能量为3 J@532 nm的脉冲激光,倍频效率为55%。输出基频光光斑直径约为14.51 mm,脉冲宽度11.90 ns,倍频光光斑直径约为17.81 mm,脉冲宽度9.92 ns,激光脉冲呈超高斯平顶分布。重复频率从1~100 Hz可调,汤姆逊散射诊断的空间分辨率达10 ms,为芯部和边界输运垒等微观物理问题的研究提供了条件。     

外腔式KTP光学参量振荡器的实验研究

利用脉冲氙灯抽运的Nd：YAG被动调Q激光器输出的1．06μm激光脉冲泵浦KTP光学参量振荡器,获得脉宽3ns、单脉冲能量30mJ、中心波长1568nm的信号光输出。信号光脉冲宽度（3ns）比抽运光脉冲宽度（12ns）4,得多。实验表明,随着OPO腔长的增加单脉冲输出能量减小,随着抽运光能晕的增加单脉冲输出．能晕增大,...     

用于355nm紫外光源的腔外倍频全固态激光器

为保证高输出功率前提下获得高光束质量的1064和532 nm激光共向输出,实验中,首先采用主振荡功率放大器系统有效地控制基频光束质量,获得平均功率为70 W、重复频率为10 kHz、脉宽为60 ns和光束质量因子M2约为3.9的1064 nm基频激光;接着利用二级放大器,获得平均功率为182.9 W,脉宽为80 ns的...     

VRM腔高光束质量高功率双波长激光器

研制的双波长短脉冲激光器采用大模体积腔+渐变反射率输出镜技术,对二极管泵浦棒状激光介质产生的热透镜及热退偏进行补偿,在500 Hz下实现了谐振腔短脉冲能量140 mJ,脉宽约17.76 ns的1 064 nm激光输出,20 min能量不稳定性RMS值小于0.3%,激光光束质量M21.6。该实验结果与采用MOPA技术路线谐振腔+预放的方式技术指标相当,但采用谐振腔的技术路线结构简单紧凑。采用水热法生长抗灰迹效应的GTR-KTP晶体作为倍频晶体,相位匹配方式选择Ⅱ类相位匹配,倍频后532 nm激光单脉冲最高能量96 mJ,最高倍频效率68.6%,激光光束质量M22.1。通过能量调节设计,实现了线偏振态1 064 nm和532 nm激光功率连续可调共光轴输出。     

500 kHz波长锁定878.6 nm LD双端泵浦Nd:YVO4声光调Q激光器

报道了一种由波长锁定878.6 nm LD双端抽运Nd:YVO4声光调Q激光器,重复频率在500 kHz时具有稳定的1 064 nm脉冲激光输出。在重频为100 kHz,晶体吸收功率58 W时,获得18.2 W的1 064 nm激光输出,光-光转换效率为31.3%,脉宽为15.2 ns;在重频为500 kHz、晶体吸收功率58 W时,获得26.1 W的1 064 nm激光输出,光-光转换效率为45%,脉宽为44.2 ns,重频在100~500 kHz下具有稳定的脉冲输出,光束质量较传统模式下有明显提高,并且转换效率也有提升。实验表明:利用波长锁定878.6 nm激光二极管直接泵浦的方式,有利于降低晶体热效应、提高光束质量,提高光-光转换效率,获得窄脉宽的脉冲激光输出,并且在一定的温度变化范围内具有极好的温度稳定性。     

高重频声光调Q Nd:YVO4激光器2.1μm光参量振荡器

采用LD端面抽运Nd:YVO4激光器,在声光Q开关重复频率为50 kHz、LD最大泵浦功率50 W时,获得输出功率26.37 W、脉冲宽度26.28 ns的1 064 nm激光输出。通过该系统抽运键合KTP外腔式光参量振荡器(OPO),当LD泵浦电流24 A、对应1 064 nm泵浦功率7.36 W时,实现了重频50 kHz的2.174 m脉冲激光输出,激光平均输出功率为324 mW,激光脉宽为17.8 ns。同时,通过实验分析了不同输出镜透过率和声光调Q激光重频对1.064 m和2.1 m激光输出功率、脉宽的影响。最后通过理论值与实验测量值的对比得出,两组数据基本吻合,且2.1 m输出功率未出现饱和。     

MOPA结构准分子激光同步触发设计

介绍了一种MOPA结构的准分子激光全隔离型、高精度的同步触发系统。首先,提出锁相环移相技术结合传统计脉冲的方法实现了系统的高分辨率与大范围;其次,采用全电气隔离的方式实现了系统在复杂的电磁干扰环境下长期稳定运行以及实时控制。系统主要参数达到分辨率1 ns、延时及脉宽调节范围0～325 μs、各通道间的抖动<60 ps、前后沿<1.5 ns。同步触发系统应用于一套193 nm深紫外MOPA结构准分子激光装置,在4 kHz的高重频下实现了对 MOPA 双腔放电延时的精准实时控制,相对放电延时可严格控制在最佳时间段,放电时序抖动<±4 ns,最后成功获得PA腔对MO腔种子光的脉冲能量放大,最大放大率达到19.2,最大输出脉冲能量达到7.1 mJ,满足深紫外光刻应用需求。     

用于微弱信号放大的高性能窄线宽纳秒脉冲光纤放大器

搭建了一台主振荡功率放大(MOPA)结构的单模线偏振窄线宽纳秒脉冲全光纤放大器,理论仿真和实验结果较为吻合。通过声光调制器(AOM)对连续单频1 064 nm激光进行调制,获得了重复频率50 kHz、平均功率25 W的脉冲激光,作为放大器的种子源。对预放大过程中非线性效应、放大自发辐射、自激振荡及泵浦饱和问题进行了仿真分析。随后对种子光进行功率放大,通过光纤内参数的有效优化,进一步抑制了自激振荡,提升了弱信号的放大倍率。实验实现了脉冲宽度64 ns、平均功率75 mW的脉冲激光输出。最后,对亚毫瓦弱信号放大器中决定系统性能的关键因素进行了总结。     

掺钕无机惰性液体激光技术研究

为了研究掺钕无机惰性液体的配制、光谱和激光特性,采用实验研究的方法,在实验室制备了无机惰性液体激光增益介质Nd-POCl3-SnO2,测试了其抽运吸收和荧光特性;采用氙灯抽运和行波放大的方法实验研究了该液体的增益特性,并进行了初步的自由振荡出光实验。得到了性质稳定的掺钕无机惰性液体,利用该液体作为增益介质的放大器获得了1%/cm的增益系数,激光器实验则获得了中心波长为1051nm、脉宽为83.33μs的自由振荡激光输出。结果表明,掺钕无机惰性液体的配制的必要措施是干燥条件的保证,同时Lewis酸和掺钕浓度对于液体的荧光寿命也起到限制作用,该液体增益介质的光谱特性接近激光钕玻璃,单脉冲工作条件下可以得到稳定的激光输出。