本发明涉及皮秒激光技术领域，尤其涉及一种低重复频率被动调Q再生放大灯泵皮秒激光器。
背景技术：
自从皮秒激光诞生以来，锁模技术一直是产生皮秒激光脉冲的主流技术。但是锁模激光器系统存在光路校准困难，锁模过程易受外界干扰，机械稳定性不够高等缺点。相对于锁模激光器的上述缺点，被动调Q激光器则有着结构简单、稳定性能好等优势。同时，被动调Q技术不需要高压电源、电控设备、电光开关等装置，因此有着较高的安全性、简易性和实用性，在中小功率激光器中被广泛使用。可饱和吸收体被动调Q是根据某些物质对入射光有强烈的非线性吸收效应，将其作为损耗片来调节激光谐振腔Q值得开关技术。利用调Q技术可以得到稳定可靠地短脉冲激光，这种短脉冲激光在测距、通信系统、远程传感、高速全息照相、军事、医疗等方面得到广泛应用。
通常情况下，由皮秒振动器直接产生的皮秒激光脉冲的单脉冲能量低，一般仅有纳焦耳级，从而限制了它的应用。提高单脉冲能量主要采用主震荡功率放大技术，采用该结构获得的高能量脉冲激光与种子光源的激光波长和重复频率相同，而且时域脉冲的形状和宽度也几乎不变。选择一定重复频率和脉冲宽度的种子光源作为主振荡器，通过功率放大后就能获得所需的高能量脉冲激光输出。因而采用主震荡功率放大技术来实现高脉冲能量、高平均输出功率成为一种理想选择，能够以获得良好的输出光束质量和稳定性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种低重复频率被动调Q再生放大灯泵皮秒激光器，能获得单脉冲能量高、脉宽短、重复频率低的皮秒激光，其不仅成本低、结构紧凑，而且无需高压电源，机械稳定性高。
为实现上述目的，本发明提供一种低重复频率被动调Q再生放大灯泵皮秒激光器，包括设有谐振腔、并产生以皮秒脉冲种子光为激光的种子源，所述种子源包括作为被动调Q的可饱和吸收镜，种子源的输出端一侧设有能使进入其内的激光反复震荡的再生放大系统，所述再生放大系统和种子源的输出端之间设有防止皮秒脉冲种子光返回种子源的光学隔离系统，所述光学隔离系统上设有能将经过再生放大系统反复震荡并传输回来的激光传送至外界的结构。
作为本发明的进一步改进，所述种子源包括依次布置的第一全反镜、第一灯泵模块和输出镜，所述输出镜上朝向所述第一灯泵模块的一侧表面的法线与其激光发射方向的夹角为锐角，所述可饱和吸收镜与输出镜的该侧相对平行布置，可饱和吸收镜与所述第一全反镜构成所述谐振腔，输出镜的另一侧为种子源的输出端。
作为本发明的更进一步改进，所述第一灯泵模块和所述输出镜之间设有光阑。
作为本发明的更进一步改进，所述光学隔离系统包括依次布置的第一偏振片和第一偏振光旋转装置，所述第一偏振片位于所述种子源的输出端的外侧，第一偏振片的法线与从种子源输出端射出的激光方向的夹角呈锐角，所述第一偏振片为能将经再生放大系统反复震荡并传输回来的激光反射至外界的结构。
作为本发明的更进一步改进，所述第一偏振光旋转装置包括相邻布置的第一波片和法拉第旋转器，所述第一波片与所述第一偏振片相邻布置，所述法拉第旋转器与所述再生放大系统相邻布置。
作为本发明的更进一步改进，所述第一波片和法拉第旋转器均为能使激光偏转面沿同向旋转45度的结构，其中，第一波片为1/2波片。
作为本发明的更进一步改进，所述再生放大系统包括依次布置的第二全反镜、第二偏振光旋转装置、第二偏振片、第二灯泵模块和第三全反镜，所述第二全反镜和第三全反镜之间构成再生腔，所述第二偏振片沿激光方向位于所述光学隔离系统的一侧，第二偏振片的法线与射向它的激光的夹角呈锐角。
作为本发明的更进一步改进，所述第二偏振光旋转装置包括相邻布置的第二波片和电光Q开关，所述第二波片与所述第二偏振片相邻布置，所述电光Q开关与所述第二全反镜相邻布置。
作为本发明的更进一步改进，所述第二波片和电光Q开关为共同使激光偏转面旋转45度的结构，其中，第二波片为1/4波片。
有益效果
与现有技术相比，本发明的低重复频率被动调Q再生放大灯泵皮秒激光器具有以下优点：
1、其采用被动调Q方式，与锁模激光器相比，被动调Q皮秒激光器成本低，结构简单，易于校准光路，克服了锁模激光器结构复杂、机械敏感度高、光路校准困难等缺点，并且同样能够输出单脉冲能量高、重复频率合适的皮秒量级短脉冲，具有较高的实用价值；
2、采用灯泵作为泵浦系统、可饱和吸收镜作为被动调Q，能获得低重复频率、窄脉宽、高光束质量、高稳定性的皮秒种子源，特别适合用于激光测距、医疗、通信等行业的10Hz左右的激光应用；其既可单独使用，也可OEM到其他激光器中作为种子源使用；
3、再生放大系统采用主震荡功率放大技术，采用该结构获得的高能量脉冲激光与种子光源的激光波长和重复频率相同，而且时域脉冲的形状和宽度也几乎不变；
4、采用再生放大的方式结构相对简单，减少了光学元器件的使用，缩小了设备体积，增加了激光器的结构紧凑性，适合对空间尺寸有限制要求的应用场合；所需要的抽运功率较低，可将皮焦耳级的种子激光放大105-106倍，并具有很好的光束质量和能量稳定性；
5、采用偏振片、法拉第旋转器和半波片构成光学隔离，在种子源与放大系统之间起到隔离作用，其只允许光信号从种子源通向再生放大系统，不允许光信号逆行，从而达到使放大的光信号单向通行的目的,从而防止影响种子源的稳定工作；
6、脉冲在再生放大系统的再生腔内往返的程数可选，从而能量的大小也可选，有利于获得最大脉冲能量。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为低重复频率被动调Q再生放大灯泵皮秒激光器的结构示意图。
图中，1、第一全反镜；2、第一灯泵模块；3、光阑；4、输出镜；5、可饱和吸收镜；6、第一偏振片；7、第一波片；8、法拉第旋转器；9、第二偏振片；10、第二波片；11、电光Q开关；12、第二全反镜；13、第二灯泵模块；14、第三全反镜。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例。
实施例1
本发明的具体实施方式如图1所示，一种低重复频率被动调Q再生放大灯泵皮秒激光器，包括设有谐振腔、并产生以皮秒脉冲种子光为激光的种子源，所述种子源包括作为被动调Q的可饱和吸收镜5，种子源的输出端一侧设有能使进入其内的激光反复震荡的再生放大系统，所述再生放大系统和种子源的输出端之间设有防止皮秒脉冲种子光返回种子源的光学隔离系统，所述光学隔离系统上设有能将经过再生放大系统反复震荡并传输回来的激光传送至外界的结构。
种子源包括沿直线方向依次布置的第一全反镜1、第一灯泵模块2和输出镜4，其中，第一全反镜1的反射表面的法向与激光方向垂直。所述输出镜4上的一侧表面朝向所述第一灯泵模块2，该表面的法线与第一灯泵模块2的激光发射方向的夹角为锐角，所述可饱和吸收镜5与输出镜4的该侧相对平行布置，可饱和吸收镜5与所述第一全反镜1构成所述谐振腔。输出镜4的另一侧为种子源的输出端。
所述第一灯泵模块2和所述输出镜4之间设有光阑3。光阑3用于模式选择。
所述光学隔离系统包括依次布置的第一偏振片6和第一偏振光旋转装置。第一偏振片6和第一偏振光旋转装置均位于从种子源发射出来的激光的路径上。所述第一偏振片6位于所述种子源的输出端的外侧，第一偏振片6的法线与从种子源输出端射出的激光方向的夹角呈锐角。所述第一偏振片6为能将经再生放大系统反复震荡并传输回来的激光反射至外界的结构。
所述第一偏振光旋转装置包括相邻布置的第一波片7和法拉第旋转器8，所述第一波片7与所述第一偏振片6相邻布置，所述法拉第旋转器8与所述再生放大系统相邻布置。
所述第一波片7和法拉第旋转器8均为能使激光偏转面沿同向旋转45度的结构，其中，第一波片7为1/2波片。
所述再生放大系统包括沿直线方向依次布置的第二全反镜12、第二偏振光旋转装置、第二偏振片9、第二灯泵模块13和第三全反镜14。第二全反镜12和第三全反镜14相对平行布置并构成再生腔。所述第二偏振片9沿激光方向位于所述光学隔离系统的一侧，第二偏振片9的法线与射向它的激光的夹角呈锐角。
所述第二偏振光旋转装置包括相邻布置的第二波片10和电光Q开关11，所述第二波片10与所述第二偏振片9相邻布置，所述电光Q开关11与所述第二全反镜12相邻布置。
所述第二波片10和电光Q开关11为共同使激光偏转面旋转45度的结构，其中，第二波片10为1/4波片。
再生放大系统采用再生放大的方式，其结构相对简单，减少了光学元器件的使用，缩小了设备体积，增加了激光器的结构紧凑性，适合对空间尺寸有限制要求的应用场合；所需要的抽运功率较低，可将皮焦耳级的种子激光放大105-106倍，并具有很好的光束质量和能量稳定性。
第一灯泵模块2为氙灯泵浦Nd:YAG或者氪灯泵浦Nd:YLF，晶体棒为2mm×60mm，两端镀有1064nm增透膜，用于产生波长为1064nm低重复频率激光。第一全反镜1为平面镜，镀有对1064nm高反的介质膜。输出镜4为平凹镜，其凹面曲率半径为200mm，透过率为15％，其凹面与可饱和吸收镜5相对布置。可饱和吸收镜5采用GaAS作为可饱和吸收体，也可采用Cr4+:YAG作为可饱和吸收体用于被动调Q。
第一灯泵模块2泵浦过程的初期，由第一全反镜1、可饱和吸收镜5构成的谐振腔内无激光振荡，可饱和吸收镜5透光率为小信号透光率，第一灯泵模块2中的增益介质反转粒子数密度不断增加。当激光器达到在高损耗条件下的振荡条件，谐振腔内开始有激光产生。反转粒子数密度随着第一灯泵模块2中灯泵浦而增加，并因为受激跃迁产生激光而减小，但由于腔内激光不强，没有大量消耗反转粒子数，总的效果是反转粒子数密度保持稳定或略有增大。当谐振腔内光强与可饱和吸收镜5的饱和光强相比拟时，可饱和吸收镜5透过率随着谐振腔内光强的增大而迅速增大，谐振腔内损耗迅速变小，又使光强进一步增大，这种不断加剧的正反馈效应使谐振腔内光强急剧增大，当大到一定程度后，由于反转粒子数密度的被消耗，光强又迅速减小，产生一个巨脉冲从输出镜4输出，输出为脉冲宽度百皮秒的水平偏振。该激光器采用被动调Q方式，与锁模激光器相比，被动调Q皮秒激光器成本低，结构简单，易于校准光路，克服了锁模激光器结构复杂、机械敏感度高、光路校准困难等缺点，并且同样能够输出单脉冲能量高、重复频率合适的皮秒量级短脉冲，具有较高的实用价值。
本实施例中，激光在第一全反镜1、可饱和吸收镜5构成的谐振腔里来回震荡，最终从输出镜4输出重复频率10Hz、脉宽小于600ps、80mJ、光斑直径2mm、水平偏振的灯泵皮秒种子光。
当电光Q开关11没有加上电压，种子源输出的水平脉冲先通过第一偏振片6，再通过第一波片7偏振方向旋转了45度，然后通过法拉第旋转器8。其中法拉第旋转器8的法拉第旋转角为45度，其两端镀有1064nm增透膜，所以偏振方向再旋转了45度，脉冲变为垂直偏振光。
该垂直偏振光被第二偏振片9反射进入再生腔内，通过第二灯泵模块13的工作物质，激光得到功率和能量放大。第二灯泵模块13是工作介质为2mm的氙灯泵浦Nd:YAG，或者氪灯泵浦Nd:YLF，晶体棒长度为60mm，晶体两端镀有1064nm增透膜。激光被第二全反镜12发射，两次通过第二波片10后变为水平偏振光。因此可以通过第二偏振片9并且在腔内往返一次。第二全反镜12、第三全反镜14可以为平面镜，构成平-平腔；也可以为平凹镜，凹面曲率半径为220mm，构成凹-凹腔。
当脉冲再次通过第二波片10并且被第二全反镜12反射后，变为垂直偏振光，并且被第二偏振片9反射通过第一波片7和法拉第旋转器8，被第一偏振片6反射后输出，此时相当于双程放大。
当脉冲两次通过电光Q开关11进入再生腔内时，在电光Q开关11上加上1/4波长电压，偏振态并不会改变，脉冲就会一直在腔内震荡。而且从种子源输出的脉冲不会进入再生腔，而是经过第二全反镜12反射后从第一偏振片6射出。脉冲刚进入再生腔时，能量随着程数增大而增大，随着往返的程数增加，晶体内贮存的泵浦能量渐渐被提取完毕，此时脉冲再次经过晶体时，能量并不会继续增大，同时由于腔内损耗的存在，因此导致能量反而会降低。脉冲在腔内往返的程数会影响最终输出能量，因此选取一个最佳程数，使得脉冲能量最大。脉冲在再生放大系统的再生腔内往返的程数可选，从而能量的大小也可选，有利于获得最大脉冲能量。
脉冲得到充分放大后，给电光Q开关11加1/2波长电压，脉冲通过电光Q开关11和第二波片10时，从水平偏振变为垂直偏振。被第二偏振片9和第一偏振片6反射后输出，并且脉冲能量得到放大。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。