[发明专利]基于偏振编码技术的宽带高增益再生放大器

说明书

一种基于偏振编码技术的宽带高增益再生放大器，包括：激光源、种子光注入和放大光倒出装置，以及由第一凹面全反腔镜和第二平面全反腔镜构成的再生腔；所述的种子光注入和放大光倒出装置包括第一偏振片、法拉第旋光器和第一λ/2波片；在所述的再生腔内，沿着光传输方向依次放置有电光普克尔盒、第二偏振片、偏振编码器、增益介质；所述的偏振编码器包括沿光传输方向依次放置的第二λ/2波片和旋光晶体，所述的增益介质包括沿光传输方向依次放置的第一激光晶体和第二激光晶体，该第一激光晶体的光轴和第二激光晶体的光轴互相垂直，且均垂直于激光的传输方向。本发明基于旋光效应和激光晶体的偏振相关增益特性可以实现宽带宽、高增益脉冲放大。

技术领域

本发明属于固体激光技术领域，具体是一种应用于飞秒激光系统的抑制增益窄化的宽带再生放大器。

背景技术

啁啾脉冲放大技术(CPA)在世界范围内被广泛地应用到数拍瓦(PW)超强超短激光系统。拍瓦激光系统的聚焦功率密度可以达到10²²W/cm²以上，足以提供相对论条件下的超强电场，用于探索诸如电子加速、宇宙大爆炸以及粒子基本特性的极端物理条件。再生放大器可以提供高达10⁶以上的脉冲增益以及良好的输出能量稳定性。并且其腔结构可以选择激光模式输出完美的基模光斑。以上这些特性使得再生放大器成为超强超短激光系统前端放大器的良好选择。

再生放大器一般由法拉第旋光器、λ/2波片和偏振片构成的种子光注入和放大光倒出装置以及具有增益介质的再生腔构成。再生放大的基本原理是首先从锁模高重频脉冲序列中选单，脉宽经过脉冲展宽器在时域展宽到纳秒量级，通过电光普克尔盒控制再生腔内放大的程数，最后输出增益高达10⁶以上的放大脉冲。然而由于存在模式竞争，仅有靠近激光晶体发射谱峰值附近的光谱成分才会持续得到放大，而远离发射谱峰值波长的两侧翼光谱成分则不能放大，使得放大后光谱存在严重的增益窄化效应。由于啁啾脉冲时域宽度和频谱的宽度成正比，严重窄化的光谱使得脉冲宽度急剧下降，峰值功率提高，存在损伤光学元器件的风险。并且其对应的极限变换脉宽不能支持周期量级的飞秒脉冲，上述缺陷使得增益窄化成为超强超短激光系统必须解决的技术难题。

目前已经发展的抑制高增益再生放大器增益窄化的方法有腔内插入标准具(Regenerative pulse shaping and amplification of ultrabroadband opticalpulses.Opt.Lett. 21,219(1996).)、腔内插入双折射滤波片(Birefringent platedesign for broadband spectral shaping in a Ti:sapphire regenerativeamplifier.Chin.Opt.Lett.5,493(2007))以及腔外可编程声光调制器(Adaptive-feedback spectral-phase control for interactions with transform-limitedultrashort high-power laser pulses.Opt.Lett.39,80(2014))。上述的抑制再生腔增益窄化的技术方案主要存在的问题有：(1)腔内插入标准具、双折射滤波片均是通过增加再生腔中增益谱峰值附近光谱损耗来实现宽带放大，该损耗使得腔内能量稳定性下降，自发辐射光放大增强，从而明显降低脉冲时域对比度； (2)腔外的可编程声光调制器件由于通过率极低，对注入再生腔的种子光能量损耗极大；(3)这些方法对于外界温度变化、光学平台振动比较敏感，要求注入的指向稳定性极高，弱化整个激光系统能量、压缩脉冲宽度稳定性。

发明内容

本发明为了解决现有的抑制再生腔增益窄化技术存在的损耗大，对环境条件要求苛刻的缺陷，提出了一种基于偏振编码技术宽带高增益再生放大器，利用旋光晶体的旋光效应对宽带种子光谱成分的偏振方向进行编码，并结合激光晶体的增益偏振相关特性，通过偏振编码并调节光轴垂直的激光晶体存储光通量实现宽带的再生放大。具有宽增益带宽、高增益以及便于调节等特点。

本发明通过如下技术方案实现：