[发明专利]基于相干合束的飞秒激光谐波产生系统

说明书

本发明涉及飞秒激光技术领域，为提出一种基于相干合束的飞秒激光谐波产生系统,降低单块晶体上的功率负荷，解决谐波激光功率提升受限的问题，本发明，基于相干合束的飞秒激光谐波产生系统,包括飞秒脉冲种子源，脉冲展宽器、脉冲分束器、光纤放大器、脉冲压缩器、激光谐波产生器、脉冲合束器以及电控环路；其中：所述飞秒脉冲种子源用于产生一定功率的飞秒脉冲序列，其输出端与脉冲展宽器相连；所述脉冲展宽器用于将种子源输出脉冲脉宽展宽，其输出端与脉冲分束器相连。本发明主要应用于飞秒激光谐波产生场合。

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术领域，特别涉及一种基于相干合束技术的飞秒激光谐波产生器的光学系统。

背景技术

飞秒激光具有脉冲持续时间短、峰值功率高的特点，在快过程探测、特殊材料加工、光与物质相互作用等方面具有独特的优势，在科学研究、工业加工、生物医疗等领域得到越来越广泛的应用。飞秒激光技术的发展与应用快速推广与深入，对单光子能量更高的绿光和紫外飞秒激光在功率方面提出了更高的要求。目前飞秒激光的产生和放大都是在近红外波段，尽管可以利用非线性频率变换技术获得绿光和紫外等近红外飞秒激光的谐波，但是由于非线性晶体破坏阈值和长时间工作造成的晶体损伤等限制，阻碍了绿光和紫外飞秒激光功率的进一步提高以及飞秒激光的进一步推广和应用。

激光相干合束技术，可以将来自相同种子源的多个放大器输出的激光相干合成为一束激光。通过反馈环路主动控制各放大通道输出激光的相位保持一致，能够实现高效率的相干合束。该技术能够在保持光束质量的同时获得超过单个激光放大器最高输出功率限制的高功率输出。相干合成技术根据合成方式主要分为填充孔径和平铺孔径两种方式，其中填充孔径更适用于通道数多的合成，但合成效率较低，而平铺孔径则需要一定的合成元件如部分反射镜，但效率较高。对于连续光激光器的相干合束，因其相干时间很长，只需多路放大通道输出激光的相位保持一致，而对多通道光程差要求比较宽泛。对于飞秒脉冲激光的相干合束，除了要保持相位的一致性，还需要控制不同通道之间的光程差、色散等一致，使得不同放大通道的飞秒脉冲在整个光谱范围内相位保持尽量一致，才能得到高效率的相干合束。光纤激光放大系统光束质量好且多通道放大结果一致性高，散热良好，因此相干合成技术常用光纤激光放大系统作为分立放大通道。

绿光和紫外等波段的飞秒激光，主要由非线性频率变换(二次谐波产生以及高次谐波产生)技术产生。高功率谐波产生主要受到谐波产生过程中非线性晶体内部热量吸收的影响，即使对晶体进行冷却，也会产生较大的温度梯度，出现输出光斑劣化、转换效率下降等现象，甚至会造成晶体的损坏，强烈的紫外激光还会导致非线性晶体的出射表面和增透膜的逐渐退化。因此，仅提高基频光的功率，将相干合束后的高功率激光用于频率变换得到谐波激光，会存在一个功率上限，限制了高功率谐波激光的产生。

基于单通道的谐波产生系统的功率提升会受到热效应的影响，而对高功率谐波激光系统又具有实际的需求，例如用于极紫外产生、医学、加工领域等。因此，亟需一种有效的方案来突破激光谐波产生系统的功率限制。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对现有基于单通道非线性晶体的高功率谐波产生中，热吸收造成输出谐波激光光斑劣化，引发相位失配造成转换效率下降，以及晶体损伤阈值带来的谐波功率提升受限问题。本发明旨在提出一种基于相干合束的飞秒激光谐波产生系统,降低单块晶体上的功率负荷，解决谐波激光功率提升受限的问题。为此，本发明采取的技术方案是，基于相干合束的飞秒激光谐波产生系统,包括飞秒脉冲种子源，脉冲展宽器、脉冲分束器、光纤放大器、脉冲压缩器、激光谐波产生器、脉冲合束器以及电控环路；其中：

所述飞秒脉冲种子源用于产生一定功率的飞秒脉冲序列，采用振荡器加功率预放大的结构，其输出端与脉冲展宽器相连；

所述脉冲展宽器用于将种子源输出脉冲脉宽展宽，用于后续的啁啾脉冲放大，其输出端与脉冲分束器相连；

所述脉冲分束器用于将展宽后脉冲空间上分为多路，并分别与相应的光纤放大器相连；