CN117096709A - 一种超短脉冲激光放大装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超短脉冲激光放大装置及方法，利用第一光栅、第二光栅和柱面镜构成整形光路对信号光进行整形，得到沿第一方向展宽并沿第二方向压缩的条形光斑，入射至板条增益介质中进行放大，第一方向和第二方向垂直；由于沿第一方向展宽的条形光斑中不同波长光谱在空间上是分开的，有效减少相同位置处光谱放大时的模式竞争，从而有效抑制增益窄化，利于实现更窄脉冲宽度输出，提高脉冲峰值功率；且第一光栅和第二光栅还构成压缩光路，经放大的条形光斑通过压缩光路进行时域脉冲压缩后，形成超短脉冲放大激光输出，即通过信号光整形光路和信号光放大后的压缩光路的共用，使装置体积小，结构简单紧凑，便于集成实现小型化，有利于工业化应用。

Description

一种超短脉冲激光放大装置及方法

技术领域

本申请涉及激光技术领域，尤其涉及一种超短脉冲激光放大装置及方法。

背景技术

随着激光技术的不断发展，超短脉冲激光凭借其峰值功率高、脉冲宽度窄等特性，在工业微加工、航空航天、增材制造、科研及医疗等领域广泛应用。通常高功率超短脉冲激光输出是通过主振荡功率放大器（MOPA：master oscillator and power amplifier）技术实现的，即对低功率种子光进行功率放大以实现功率的提升；常见的功率放大器有光纤放大器、块状晶体放大器、板条放大器及碟片放大器，它们各自有着自己的技术特点，其中，板条放大器由于其板条增益介质导热能力强，横向尺寸扩展性好，可实现高功率激光注入等优势，成为了高功率超短脉冲激光放大装置的研究热点之一。

但是，常规板条放大器由于强泵浦导致的增益窄化严重，难以实现更窄脉宽激光输出；并且，为了实现信号光与泵浦光的模式匹配，需要利用复杂的整形***对信号光的空间分布进行整形，再利用板条放大器对整形后的信号光进行放大，与此同时，还需要单独设置压缩装置，以对经板条放大器放大的光进行压缩，形成超短脉冲激光输出，由此可见，现有包括板条放大器的超短脉冲激光放大装置结构复杂，不利于工业化应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种超短脉冲激光放大装置及方法，以将信号光整形光路和信号光放大后的压缩光路共用，既能够有效抑制放大过程中的增益窄化，便于实现更窄脉冲宽度、更高峰值功率的激光输出，又使得结构简单紧凑，便于小型化，有利于工业化应用。

为实现上述目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种超短脉冲激光放大装置，包括依次设置的第一光栅、第二光栅、柱面镜和板条放大器，所述第一光栅和所述第二光栅平行设置；

所述板条放大器包括板条增益介质和至少一个泵浦单元，所述泵浦单元用于产生泵浦条形光斑，入射至所述板条增益介质中；

经时域展宽后的信号光依次经过所述第一光栅和所述第二光栅的衍射后，形成沿第一方向展宽的第一激光条形光斑，所述第一激光条形光斑经过所述柱面镜沿第二方向的压缩后，形成第二激光条形光斑，入射至所述板条增益介质中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大至少一次后，形成第三激光条形光斑，所述第三激光条形光斑依次经过所述第二光栅和所述第一光栅的时域脉冲压缩后，形成超短脉冲放大激光输出；

其中，所述第二激光条形光斑和所述泵浦条形光斑模式匹配，以使得所述第二激光条形光斑在所述板条增益介质中被放大。

可选的，所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大一次后，形成所述第三激光条形光斑，且所述第三激光条形光斑经所述第二光栅和所述第一光栅压缩的路径与所述信号光经所述第一光栅和所述第二光栅衍射的路径不交叠。

可选的，所述至少一个泵浦单元包括第一泵浦单元，所述板条放大器还包括第一双色镜和第二双色镜，且所述第一双色镜和所述第二双色镜分别位于所述板条增益介质相对的两侧，所述第一泵浦单元产生的所述泵浦条形光斑经所述第一双色镜透射后入射至所述板条增益介质中；

所述第二激光条形光斑经所述第一双色镜反射后入射至所述板条增益介质中，在所述板条增益介质中放大一次后形成所述第三激光条形光斑，所述第三激光条形光斑经所述第二双色镜反射后，再依次经过所述第二光栅和所述第一光栅的时域脉冲压缩，形成所述超短脉冲放大激光输出。

可选的，所述超短脉冲激光放大装置还包括偏振片和反射单元；

所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大一次后，入射至所述反射单元，被所述反射单元反射且进行偏振态的改变后，再次经所述板条增益介质放大一次，形成所述第三激光条形光斑，所述第三激光条形光斑的偏振态与所述信号光的偏振态相垂直，且所述第三激光条形光斑经所述第二光栅和所述第一光栅压缩的路径与所述信号光经所述第一光栅和所述第二光栅衍射的路径至少部分交叠；

所述信号光和所述超短脉冲放大激光中的一种光被所述偏振片透射，另一种光被所述偏振片反射。

可选的，所述反射单元包括0°全反镜和1/2波片；

所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大一次后，入射至所述反射单元，在所述反射单元中，先经过所述1/2波片，再被所述0°全反镜反射，然后再次经过所述1/2波片而出射，且从所述反射单元出射的条形光斑的偏振态与入射至所述反射单元的条形光斑的偏振态相垂直，从所述反射单元出射的条形光斑再经所述板条增益介质放大一次后，形成所述第三激光条形光斑，且所述第三激光条形光斑的偏振态与所述信号光的偏振态相垂直。

可选的，所述至少一个泵浦单元包括第一泵浦单元，所述板条放大器还包括第一双色镜和第二双色镜，且所述第一双色镜和所述第二双色镜分别位于所述板条增益介质相对的两侧，所述第一泵浦单元产生的所述泵浦条形光斑经所述第一双色镜透射后入射至所述板条增益介质中；

所述第二激光条形光斑经所述第一双色镜反射后入射至所述板条增益介质中，在所述板条增益介质中放大一次后，再经所述第二双色镜反射，入射至所述反射单元，被所述反射单元反射且进行偏振态的改变后，再次被所述第二双色镜反射至所述板条增益介质中，在所述板条增益介质中二次放大后，形成所述第三激光条形光斑，再依次经过所述第二光栅和所述第一光栅的时域脉冲压缩，形成所述超短脉冲放大激光输出。

可选的，所述至少一个泵浦单元还包括第二泵浦单元，所述第二泵浦单元产生的所述泵浦条形光斑经所述第二双色镜透射后入射至所述板条增益介质中。

可选的，所述泵浦单元包括泵浦源和耦合***；

所述泵浦源用于产生泵浦光，所述耦合***用于对所述泵浦光进行空间整形，形成所述泵浦条形光斑。

可选的，所述泵浦源为高功率水平线阵泵浦源、高功率垂直叠阵泵浦源或高功率光纤耦合泵浦源。

一种超短脉冲激光放大方法，应用于上述任一项所述的超短脉冲激光放大装置，该超短脉冲激光放大方法包括：

利用所述板条放大器中的所述泵浦单元产生泵浦条形光斑，入射至所述板条增益介质中；

经时域展宽后的信号光依次入射至所述第一光栅和所述第二光栅，利用所述第一光栅和所述第二光栅对所述信号光进行衍射，形成沿第一方向展宽的第一激光条形光斑；所述第一激光条形光斑入射至所述柱面镜，利用所述柱面镜对所述第一激光条形光斑进行第二方向的压缩，形成第二激光条形光斑；

所述第二激光条形光斑入射至所述板条增益介质中，利用所述板条增益介质对所述第二激光条形光斑进行至少一次放大后，形成第三激光条形光斑；

所述第三激光条形光斑依次入射至所述第二光栅和所述第一光栅，利用所述第二光栅和所述第一光栅对所述第三激光条形光斑进行时域脉冲压缩，形成超短脉冲放大激光输出；

其中，所述泵浦条形光斑和所述第二激光条形光斑模式匹配，以使得所述第二激光条形光斑在所述板条增益介质中被放大。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本申请实施例所提供的超短脉冲激光放大装置，包括依次设置的第一光栅、第二光栅、柱面镜和板条放大器，第一光栅和第二光栅平行设置，板条放大器包括板条增益介质和至少一个泵浦单元，泵浦单元用于产生泵浦条形光斑，入射至板条增益介质中；经时域展宽后的信号光依次经过第一光栅和第二光栅的衍射后，形成沿第一方向展宽的第一激光条形光斑，第一激光条形光斑再经过柱面镜沿第二方向的压缩后，形成第二激光条形光斑，也入射至板条增益介质中，第一方向和第二方向相互垂直，即利用依次设置的第一光栅、第二光栅和柱面镜构成的整形光路对信号光进行整形，得到沿第一方向和第二方向均具有一定尺寸的第二激光条形光斑，从而可以使得第二激光条形光斑和泵浦条形光斑模式匹配，即第二激光条形光斑和泵浦条形光斑在板条增益介质中可以重合或近似重合，进而使得第二激光条形光斑可以在板条增益介质中被放大；由于沿第一方向展宽的第二激光条形光斑中不同波长光谱在空间上是分开的，而不同波长光谱对应相同且均匀的泵浦模式进行放大时，可以有效减少相同位置处光谱放大时的模式竞争，从而可以有效抑制增益窄化，提升放大效率，便于实现更窄脉冲宽度、更高峰值功率的激光输出；第二激光条形光斑经板条增益介质放大至少一次后，形成第三激光条形光斑，第三激光条形光斑依次经过第二光栅和第一光栅的时域脉冲压缩后，形成超短脉冲放大激光输出，可以看到，依次设置的第一光栅和第二光栅既构成整形光路，同时又构成压缩光路，即通过信号光整形光路和信号光放大后的压缩光路的共用，使装置体积小，结构简单紧凑，便于集成实现小型化，有利于工业化应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请实施例所提供的一种超短脉冲激光放大装置的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的另一种超短脉冲激光放大装置的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的又一种超短脉冲激光放大装置的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的再一种超短脉冲激光放大装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，常规板条放大器由于强泵浦导致的增益窄化严重，难以实现更窄脉宽激光输出；并且，为了实现信号光与泵浦光的模式匹配，需要利用复杂的整形***对信号光的空间分布进行整形，再利用板条放大器对整形后的信号光进行放大，与此同时，还需要单独设置压缩装置，以对经板条放大器放大的光进行压缩，形成超短脉冲激光输出，可以看到，现有包括板条放大器的超短脉冲激光放大装置结构复杂，不利于工业化应用。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种超短脉冲激光放大装置，图1-图4示出了本申请实施例所提供的几种超短脉冲激光放大装置的结构示意图，如图1-图4所示，该超短脉冲激光放大装置包括依次设置的第一光栅100、第二光栅200、柱面镜300和板条放大器400，第一光栅100和第二光栅200平行设置；

板条放大器400包括板条增益介质10和至少一个泵浦单元20，泵浦单元20用于产生泵浦条形光斑P0，入射至板条增益介质10中；

经时域展宽后的信号光Ain依次经过第一光栅100和第二光栅200的衍射后，形成沿第一方向展宽的第一激光条形光斑A1，第一激光条形光斑A1经过柱面镜300沿第二方向的压缩后，形成第二激光条形光斑A2，入射至板条增益介质10中，第一方向和第二方向相交；

第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大至少一次后，形成第三激光条形光斑A3，第三激光条形光斑A3依次经过第二光栅200和第一光栅100的时域脉冲压缩后，形成超短脉冲放大激光Aout输出；

其中，第二激光条形光斑A2和泵浦条形光斑P0模式匹配，以使得第二激光条形光斑A2在板条增益介质10中被放大。

在本申请实施例中，依次设置的第一光栅100、第二光栅200和柱面镜300构成整形光路，具体的，经时域展宽后的信号光Ain依次经过第一光栅100和第二光栅200的衍射，形成在空间上沿第一方向展宽的第一激光条形光斑A1，沿第一方向展宽的第一激光条形光斑A1中不同波长光谱在空间上是分开的；进而，第一激光条形光斑A1经过柱面镜300沿第二方向的压缩，从而形成沿第一方向和第二方向均具有一定尺寸的第二激光条形光斑A2，入射至板条增益介质10中，可以理解的是，第二激光条形光斑A2中不同波长光谱在空间上也是分开的。

需要说明的是，第一方向和第二方向均垂直于光路传输方向，可以理解的是，光路传输方向不是固定的，可能随着光路传输而变化，但在垂直于光路传输方向的截面内，光斑沿第一方向和第二方向均具有一定尺寸，也就是说，第一方向和第二方向也不是固定的，但第一方向和第二方向始终指在垂直于光路传输方向的截面内光斑尺寸上的两个方向，可选的，第一方向可以为光斑的横向，第二方向可以为光斑的纵向，当第二激光条形光斑A2入射至板条增益介质10时，第一方向可以对应板条增益介质10的宽度方向，第二方向可以对应板条增益介质10的厚度方向。

同时，泵浦单元20产生的泵浦条形光斑P0也入射至板条增益介质10中，可以理解的是，泵浦条形光斑P0也具有一定的尺寸。

在本申请实施例中，第二激光条形光斑A2和泵浦条形光斑P0模式匹配是指，第二激光条形光斑A2和泵浦条形光斑P0在板条增益介质10中重合或近似重合，也就是说，第二激光条形光斑A2和泵浦条形光斑P0在第一方向（如横向，可以为板条增益介质10的宽度方向）及第二方向（如纵向，可以为板条增益介质10的厚度方向）两个维度上重合或近似重合；其中，可以通过调节第一光栅100和第二光栅200之间的垂直距离，来调节第一激光条形光斑A1沿第一方向的展宽程度，进而调节第二激光条形光斑A2沿第一方向的展宽程度，使第二激光条形光斑A2与泵浦条形光斑P0在板条增益介质10中沿第一方向的尺寸一致或近似一致；可以通过调节柱面镜300来调节第二激光条形光斑A2沿第二方向上的压缩程度，使第二激光条形光斑A2与泵浦条形光斑P0在板条增益介质10中沿第二方向的尺寸一致或近似一致，从而实现第二激光条形光斑A2和泵浦条形光斑P0模式匹配，进而使得第二激光条形光斑A2在板条增益介质10中被放大，便于实现高功率更窄脉宽激光输出。

在本申请实施例中，第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大至少一次是指，第二激光条形光斑A2可以经板条增益介质10放大一次，也可以经板条增益介质10放大两次甚至多次，具体视情况而定。可以理解的是，第二激光条形光斑A2每经过一次板条增益介质10，就会被放大一次，因此，第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大至少一次，也即第二激光条形光斑A2至少经过一次板条增益介质10。

在本申请实施例中，依次设置的第二光栅200和第一光栅100同时又构成压缩光路，具体的，第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大至少一次后，形成第三激光条形光斑A3，第三激光条形光斑A3依次经过第二光栅200和第一光栅100实现时域脉冲压缩，从而输出高功率超短脉冲激光Aout。

针对常规板条放大器中增益窄化严重，从而导致光谱变窄，后续压缩后的脉宽变宽，脉冲能量和峰值功率下降的技术缺陷，本申请实施例所提供的超短脉冲激光放大装置中，首先利用第一光栅100和第二光栅200基于光栅衍射效应对信号光Ain进行沿第一方向的展宽形成第一激光条形光斑A1，进而被柱面镜300沿第二方向压缩形成第二激光条形光斑A2，即利用依次设置的第一光栅100、第二光栅200和柱面镜300构成的整形光路对信号光Ain进行整形，形成沿第一方向和第二方向均具有一定尺寸的第二激光条形光斑A2，由于沿第一方向展宽的第二激光条形光斑A2中不同波长光谱在空间上是分开的，而不同波长光谱对应相同且均匀的泵浦模式进行放大时，可以有效减少相同位置处光谱放大时的模式竞争，从而有效抑制放大过程中的增益窄化，提升放大效率，便于实现更窄脉冲宽度、更高峰值功率的激光输出。

并且，针对现有超短脉冲激光放大装置中整形结构和压缩结构均需单独设置，且结构复杂，造成装置体积较大的技术缺陷，本申请实施例所提供的超短脉冲激光放大装置中，依次设置的第一光栅100和第二光栅200既构成整形光路，同时又构成压缩光路，即通过信号光整形光路和信号光放大后的压缩光路的共用，使装置体积小，结构简单紧凑，便于集成实现小型化，有利于工业化应用。

可选的，在本申请的一个实施例中，如图1和图2所示，第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大一次后，形成第三激光条形光斑A3，且第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径不交叠。

在本实施例中，第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大一次后，形成第三激光条形光斑A3，即第二激光条形光斑A2经过一次板条增益介质10，在板条增益介质10中被放大后，形成第三激光条形光斑A3。

在本实施例中，第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径不交叠，是指，第三激光条形光斑A3经过第二光栅200的位置与信号光Ain经过第二光栅200的位置不交叠，且第三激光条形光斑A3经过第一光栅100的位置与信号光Ain经过第一光栅100的位置不交叠，由于第三激光条形光斑A3和信号光Ain都会经过第一光栅100和第二光栅200，如此设置，可以使得第三激光条形光斑A3和信号光Ain不相互干扰，从而最终输出高能量高功率超短脉冲放大激光Aout。

可选的，第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径可以与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径在空间上平行不重合，但本申请对此并不做限定，只要两条路径不交叠即可。

具体的，如图1和图2所示，板条放大器400中的至少一个泵浦单元20包括第一泵浦单元21，板条放大器400还包括第一双色镜30和第二双色镜40，且第一双色镜30和第二双色镜40分别位于板条增益介质10相对的两侧，第一泵浦单元21产生的泵浦条形光斑P0经第一双色镜30透射后入射至板条增益介质10中；

并且，第二激光条形光斑A2经第一双色镜30反射后入射至板条增益介质10中，在板条增益介质10中放大一次后形成第三激光条形光斑A3，第三激光条形光斑A3经第二双色镜40反射后，再依次经过第二光栅200和第一光栅100的时域脉冲压缩，形成超短脉冲放大激光Aout输出。

可选的，在图1所示的超短脉冲激光放大装置中，板条放大器400只有一个泵浦单元20（即第一泵浦单元21），此时该板条放大器400为单端泵浦放大器。

另一可选的，在图2所示的超短脉冲激光放大装置中，板条放大器400中的至少一个泵浦单元20除包括第一泵浦单元21外，还包括第二泵浦单元22，第二泵浦单元22产生的泵浦条形光斑P0经第二双色镜40透射后入射至板条增益介质10中，此时该板条放大器400为双端泵浦放大器，以提高泵浦注入功率，进而提高板条放大器增益能力，提高板条放大器输出功率。

可选的，板条放大器400中的泵浦单元20包括泵浦源1和耦合***2，其中，泵浦源1用于产生泵浦光，耦合***2用于对泵浦源1产生的泵浦光进行空间整形，形成泵浦条形光斑P0。

可以理解的是，泵浦源1所产生的泵浦光可以通过耦合***2改变其光斑分布，进而改变其在板条增益介质10中的增益分布，以更好的实现增益窄化的抑制效果。

可选的，泵浦源1可以为高功率水平线阵泵浦源或高功率垂直叠阵泵浦源，在这些泵浦源中，需要设置如光导等泵浦光束匀化***，体积相对较大；另一可选的，泵浦源1也可以为高功率光纤耦合泵浦源，即利用光纤进行匀化，体积较小。

可选的，当板条放大器400为单端泵浦时，如图1所示，泵浦源1可以选用双波长合束泵浦源以提高注入功率；当板条放大器400为双端泵浦时，如图2所示，泵浦源1亦可采用两端不同波长泵浦源泵浦以提高泵浦注入功率，进而提高板条放大器增益能力，提高板条放大器输出功率。

可选的，板条放大器400的泵浦方式可以为端面泵浦（如图1-图2所示），也可以为侧面泵浦，具体视情况而定。

在图1和图2所示的超短脉冲激光放大装置中，第二激光条形光斑A2均经板条增益介质10放大一次后，形成第三激光条形光斑A3，即对第二激光条形光斑A2均为单程放大。

另一可选的，在本申请的一个实施例中，如图3和图4所示，第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大两次后，形成第三激光条形光斑A3，且第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径至少部分交叠，此时，能进一步提高脉冲峰值功率，且两条路径至少部分交叠，还可以使得装置体积进一步缩小，结构更加紧凑，不过，为了使得第三激光条形光斑A3和信号光Ain在经过第一光栅100和第二光栅200时不相互影响，需要将第三激光条形光斑A3的偏振态和信号光Ain的偏振态设置为不同。

具体的，如图3和图4所示，超短脉冲激光放大装置还包括偏振片500和反射单元600；

第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大一次后，入射至反射单元600，被反射单元600反射且进行偏振态的改变后，再次经板条增益介质10放大一次，形成第三激光条形光斑A3，第三激光条形光斑A3的偏振态与信号光Ain的偏振态相垂直，且第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径至少部分交叠；

信号光Ain和输出的超短脉冲放大激光Aout中的一种光被偏振片500透射，另一种光被偏振片500反射。

在本实施例中，反射单元600不仅将经板条增益介质10放大一次的激光条形光斑反射回板条增益介质10中进行二次放大，还改变了从反射单元600出射的激光条形光斑的偏振态，从而使得经板条增益介质10二次放大后的第三激光条形光斑A3的偏振态也发生改变，进而使得第三激光条形光斑A3的偏振态与信号光Ain的偏振态不同；由于第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径至少部分交叠，因此，需增设偏振片500，以将信号光Ain和输出的超短脉冲放大激光Aout分开，又由于偏振片500可以透射P光，反射S光，而P光和S光的偏振态相垂直，因此，只要从反射单元600出射的激光条形光斑的偏振态与入射至反射单元600的激光条形光斑的偏振态相垂直即可，或者说，反射单元600将入射至反射单元600的激光条形光斑的偏振方向改变了90°再射出。其中，P光为平行于入射面的光，S光为垂直于入射面的光。

可选的，信号光Ain为P光，被偏振片500透射，输出的超短脉冲放大激光Aout为S光，被偏振片500反射；另一可选的，信号光Ain为S光，被偏振片500反射，输出的超短脉冲放大激光Aout为P光，被偏振片500透射，具体视情况而定。

下面以信号光Ain和输出的超短脉冲放大激光Aout中，信号光Ain透过偏振片500，输出的超短脉冲放大激光Aout被偏振片500反射为例具体说明，此时，信号光Ain为P光，信号光Ain依次经过第一光栅100和第二光栅200的衍射后，形成沿第一方向展宽的第一激光条形光斑A1，第一激光条形光斑A1被柱面镜300沿第二方向压缩后，形成第二激光条形光斑A2，可以理解的是，第二激光条形光斑A2和第一激光条形光斑A1的偏振态均和信号光Ain的偏振态相同。

第二激光条形光斑A2经板条增益介质放大一次后，偏振态仍不变，入射至反射单元600，在反射单元600中，不仅被反射单元600反射，还被反射单元600进行偏振态的改变，再次经板条增益介质10放大一次，实现两次放大，形成第三激光条形光斑A3，由于第三激光条形光斑A3的偏振态与从反射单元600出射的条形光斑的偏振态相同，因此，第三激光条形光斑A3的偏振态与信号光Ain的偏振态不同，例如，第三激光条形光斑A3的偏振态与信号光Ain的偏振态可以相垂直，从而，即使第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径存在交叠，第三激光条形光斑A3和信号光Ain在第一光栅100及第二光栅200的位置也不会相互影响，最终，第三激光条形光斑A3依次经第二光栅200和第一光栅100压缩后形成的超短脉冲放大激光Aout也与信号光Ain偏振态相垂直，即为S光，从而被偏振片500反射。

可选的，如图3和图4所示，反射单元600包括0°全反镜60和1/2波片70；

第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大一次后，入射至反射单元600，在反射单元600中，先经过1/2波片70，再被0°全反镜60反射，然后再次经过1/2波片70而出射，如此，入射至反射单元600的条形光斑在反射单元600中经过两次1/2波片70，使得从反射单元600出射的条形光斑的偏振态与入射至反射单元600的条形光斑的偏振态相垂直，从反射单元600出射的条形光斑再经板条增益介质10放大一次后，形成第三激光条形光斑A3，进而使得第三激光条形光斑A3的偏振态与信号光Ain的偏振态相垂直。

在本实施例中，激光条形光斑垂直入射至0°全反镜60，再垂直反射。

由于第三激光条形光斑A3的偏振态与信号光Ain的偏振态相垂直，从而，即使第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径存在交叠，第三激光条形光斑A3和信号光Ain在第一光栅100及第二光栅200的位置也不会相互影响，因此，第三激光条形光斑A3经第二光栅200和第一光栅100压缩的路径与信号光Ain经第一光栅100和第二光栅200衍射的路径可以完全交叠，也可以部分交叠，具体视情况而定。

需要说明的是，反射单元600包括0°全反镜60和1/2波片70只是一种实现方式，但本申请对此并不做限定，只要反射单元600能够将激光条形光斑反射回板条增益介质10中进行再次放大，并使从反射单元600出射的激光条形光斑的偏振态与入射至反射单元600的激光条形光斑的偏振态相垂直即可。

具体的，如图3和图4所示，板条放大器400中的至少一个泵浦单元20包括第一泵浦单元21，板条放大器400还包括第一双色镜30和第二双色镜40，且第一双色镜30和第二双色镜40分别位于板条增益介质10相对的两侧，第一泵浦单元21产生的泵浦条形光斑P0经第一双色镜30透射后入射至板条增益介质10中；

并且，第二激光条形光斑A2经第一双色镜30反射后入射至板条增益介质10中，在板条增益介质10中放大一次后，再经第二双色镜40反射，入射至反射单元600，被反射单元600反射且进行偏振态的改变后，再次被第二双色镜40反射至板条增益介质10中，在板条增益介质10中二次放大后，形成第三激光条形光斑A3，再依次经过第二光栅200和第一光栅100的时域脉冲压缩，形成超短脉冲放大激光Aout输出。

可选的，在图3所示的超短脉冲激光放大装置中，板条放大器400只有一个泵浦单元20（即第一泵浦单元21），此时该板条放大器400为单端泵浦放大器。

另一可选的，在图4所示的超短脉冲激光放大装置中，板条放大器400中的至少一个泵浦单元20除包括第一泵浦单元21外，还包括第二泵浦单元22，第二泵浦单元22产生的泵浦条形光斑P0经第二双色镜40透射后入射至板条增益介质10中，此时该板条放大器400为双端泵浦放大器，以提高泵浦注入功率，进而提高板条放大器增益能力，提高板条放大器输出功率。

可选的，板条放大器400中的泵浦单元20包括泵浦源1和耦合***2，其中，泵浦源1用于产生泵浦光，耦合***2用于对泵浦源1产生的泵浦光进行空间整形，形成泵浦条形光斑P0。

可以理解的是，泵浦源1所产生的泵浦光可以通过耦合***2改变其光斑分布，进而改变其在板条增益介质10中的增益分布，以更好的实现增益窄化的抑制效果。

可选的，泵浦源1可以为高功率水平线阵泵浦源或高功率垂直叠阵泵浦源，在这些泵浦源中，需要设置如光导等泵浦光束匀化***，体积相对较大；另一可选的，泵浦源1也可以为高功率光纤耦合泵浦源，即利用光纤进行匀化，体积较小。

可选的，当板条放大器400为单端泵浦时，如图3所示，泵浦源1可以选用双波长合束泵浦源以提高注入功率；当板条放大器400为双端泵浦时，如图4所示，泵浦源1亦可采用两端不同波长泵浦源泵浦，以提高泵浦注入功率，进而提高板条放大器增益能力，提高板条放大器输出功率。

并且，在图3和图4所示的超短脉冲激光放大装置中，第二激光条形光斑A2均经板条增益介质10放大两次后，形成第三激光条形光斑A3，即对第二激光条形光斑A2均进行双程放大，相比于图1和图2所示的超短秒冲激光放大装置对第二激光条形光斑A2进行单程放大，图3和图4所示的超短脉冲激光放大装置可以进一步提高泵浦注入功率，进而提高板条放大器增益能力，提高板条放大器输出功率。

具体的，以图2所示的超短脉冲激光放大装置为例，将中心波长为1030nm、脉冲能量在百nJ到数百uJ量级、脉冲宽度在300ps-900ps量级的啁啾脉冲信号光Ain依次通过第一光栅100和第二光栅200，得到在空间上沿第一方向（如横向）均匀展开的第一激光条形光斑A1，第一激光条形光斑A1沿第一方向的尺寸可以为10mm-30mm，其中，第一光栅100和第二光栅200的刻线密度可以为1740线/mm，入射角可以为63.65°，第一光栅100和第二光栅200平行放置，且两者之间的垂直距离可以为50mm-300mm；第一激光条形光斑A1经过柱面镜300沿第二方向（如纵向）的压缩后，得到第二激光条形光斑A2，使第二激光条形光斑A2沿第二方向的尺寸可以聚焦至0.2mm-0.4mm，第二激光条形光斑A2入射至板条增益介质10中；与此同时，泵浦单元20产生的泵浦条形光斑P0也入射至板条增益介质10中，泵浦单元20中的泵浦源1可选用高功率940nm或969nm叠阵泵浦源，或者选用高功率光纤耦合泵浦源，输出功率可以在300W-1000W，泵浦源1产生的泵浦光经过耦合***2匀化整形后，得到与板条增益介质尺寸相匹配的长条形均匀光斑（即泵浦条形光斑P0），且第二激光条形光斑A2和泵浦单元20产生的泵浦条形光斑P0在板条增益介质10中模式匹配。

板条增益介质10可选用Yb：YAG晶体，晶体长宽厚方向尺寸可以为（10~30）×10×1mm³，Yb离子的掺杂浓度可以为3at.%，经透射光栅对（即第一光栅100和第二光栅200）沿第一方向展宽和柱面镜300沿第二方向聚焦后的第二激光条形光斑A2与泵浦匀化整形后的泵浦条形光斑P0在板条增益介质10内实现良好的空间重合，从而实现输入激光的单程高效率放大，得到第三激光条形光斑A3；由于经透射光栅对进行空间展宽后的第二激光条形光斑A2的光谱在板条横向增益区域上依次排开，有效的抑制了不同光谱成分在相同增益区域上的模式竞争，从而实现了增益窄化抑制，为后续高能量窄脉冲宽度激光输出提供了条件；经过板条放大器400放大后的第三激光条形光斑A3通过第二光栅200和第一光栅100组成的光栅对的反向时域脉冲压缩，最终输出高能量高功率超短脉冲放大激光Aout。

需要说明的是，上述各实施例中，以第二激光条形光斑A2经板条增益介质10放大一次或两次为例进行说明，但本申请并不限于此，在本申请的其他实施例中，第二激光条形光斑A2还可以经板条增益介质10放大三次或更多次，光路进行适应性调整即可。

本申请实施例还提供了一种超短脉冲激光放大方法，应用于上述任一实施例所提供的超短脉冲激光放大装置，该超短脉冲激光放大方法包括：

利用板条放大器400中的泵浦单元20产生泵浦条形光斑P0，入射至板条增益介质10中；

经时域展宽后的信号光Ain依次入射至第一光栅100和第二光栅200，利用第一光栅100和第二光栅200对信号光Ain进行衍射，形成第一激光条形光斑A1；第一激光条形光斑A1入射至柱面镜300，利用柱面镜300对第一激光条形光斑A1进行压缩，形成第二激光条形光斑A2；

第二激光条形光斑A2入射至板条增益介质10中，利用板条增益介质10对第二激光条形光斑A2进行至少一次放大后，形成第三激光条形光斑A3；

第三激光条形光斑A3依次入射至第二光栅200和第一光栅100，利用第二光栅200和第一光栅100对第三激光条形光斑A3进行时域脉冲压缩，形成超短脉冲放大激光Aout输出；

其中，泵浦条形光斑P0和第二激光条形光斑A2模式匹配，以使得第二激光条形光斑A2在板条增益介质10中被放大。

由于该超短脉冲激光放大方法应用于上述任一实施例所提供的超短脉冲激光放大装置，而在前面已经详细论述了超短脉冲激光放大装置中各组成部分以及光路传输情况，此处不再赘述。

综上，本申请实施例所提供的超短脉冲激光放大装置及方法，利用第一光栅、第二光栅和柱面镜构成整形光路对信号光进行整形，得到沿第一方向展宽并沿第二方向压缩的条形光斑，入射至板条增益介质中进行放大，第一方向和第二方向垂直；由于沿第一方向展宽的条形光斑中不同波长光谱在空间上是分开的，有效减少相同位置处光谱放大时的模式竞争，从而有效抑制增益窄化，利于实现更窄脉冲宽度输出，提高脉冲峰值功率；且第一光栅和第二光栅还构成压缩光路，经放大的条形光斑通过压缩光路进行时域脉冲压缩后，形成超短秒冲放大激光输出，即通过信号光整形光路和信号光放大后的压缩光路的共用，使装置体积小，结构简单紧凑，便于集成实现小型化，有利于工业化应用。

本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种超短脉冲激光放大装置，其特征在于，包括依次设置的第一光栅、第二光栅、柱面镜和板条放大器，所述第一光栅和所述第二光栅平行设置；

所述板条放大器包括板条增益介质和至少一个泵浦单元，所述泵浦单元用于产生泵浦条形光斑，入射至所述板条增益介质中；

经时域展宽后的信号光依次经过所述第一光栅和所述第二光栅的衍射后，形成沿第一方向展宽的第一激光条形光斑，所述第一激光条形光斑经过所述柱面镜沿第二方向的压缩后，形成第二激光条形光斑，入射至所述板条增益介质中，所述第一方向和所述第二方向相互垂直；

所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大至少一次后，形成第三激光条形光斑，所述第三激光条形光斑依次经过所述第二光栅和所述第一光栅的时域脉冲压缩后，形成超短脉冲放大激光输出；

其中，所述第二激光条形光斑和所述泵浦条形光斑模式匹配，以使得所述第二激光条形光斑在所述板条增益介质中被放大。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大一次后，形成所述第三激光条形光斑，且所述第三激光条形光斑经所述第二光栅和所述第一光栅压缩的路径与所述信号光经所述第一光栅和所述第二光栅衍射的路径不交叠。

3.根据权利要求2所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述至少一个泵浦单元包括第一泵浦单元，所述板条放大器还包括第一双色镜和第二双色镜，且所述第一双色镜和所述第二双色镜分别位于所述板条增益介质相对的两侧，所述第一泵浦单元产生的所述泵浦条形光斑经所述第一双色镜透射后入射至所述板条增益介质中；

所述第二激光条形光斑经所述第一双色镜反射后入射至所述板条增益介质中，在所述板条增益介质中放大一次后形成所述第三激光条形光斑，所述第三激光条形光斑经所述第二双色镜反射后，再依次经过所述第二光栅和所述第一光栅的时域脉冲压缩，形成所述超短脉冲放大激光输出。

4.根据权利要求1所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述超短脉冲激光放大装置还包括偏振片和反射单元；

所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大一次后，入射至所述反射单元，被所述反射单元反射且进行偏振态的改变后，再次经所述板条增益介质放大一次，形成所述第三激光条形光斑，所述第三激光条形光斑的偏振态与所述信号光的偏振态相垂直，且所述第三激光条形光斑经所述第二光栅和所述第一光栅压缩的路径与所述信号光经所述第一光栅和所述第二光栅衍射的路径至少部分交叠；

所述信号光和所述超短脉冲放大激光中的一种光被所述偏振片透射，另一种光被所述偏振片反射。

5.根据权利要求4所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述反射单元包括0°全反镜和1/2波片；

所述第二激光条形光斑经所述板条增益介质放大一次后，入射至所述反射单元，在所述反射单元中，先经过所述1/2波片，再被所述0°全反镜反射，然后再次经过所述1/2波片而出射，且从所述反射单元出射的条形光斑的偏振态与入射至所述反射单元的条形光斑的偏振态相垂直，从所述反射单元出射的条形光斑再经所述板条增益介质放大一次后，形成所述第三激光条形光斑，且所述第三激光条形光斑的偏振态与所述信号光的偏振态相垂直。

6.根据权利要求4所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述至少一个泵浦单元包括第一泵浦单元，所述板条放大器还包括第一双色镜和第二双色镜，且所述第一双色镜和所述第二双色镜分别位于所述板条增益介质相对的两侧，所述第一泵浦单元产生的所述泵浦条形光斑经所述第一双色镜透射后入射至所述板条增益介质中；

所述第二激光条形光斑经所述第一双色镜反射后入射至所述板条增益介质中，在所述板条增益介质中放大一次后，再经所述第二双色镜反射，入射至所述反射单元，被所述反射单元反射且进行偏振态的改变后，再次被所述第二双色镜反射至所述板条增益介质中，在所述板条增益介质中二次放大后，形成所述第三激光条形光斑，再依次经过所述第二光栅和所述第一光栅的时域脉冲压缩，形成所述超短脉冲放大激光输出。

7.根据权利要求3或6所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述至少一个泵浦单元还包括第二泵浦单元，所述第二泵浦单元产生的所述泵浦条形光斑经所述第二双色镜透射后入射至所述板条增益介质中。

8.根据权利要求1所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述泵浦单元包括泵浦源和耦合***；

所述泵浦源用于产生泵浦光，所述耦合***用于对所述泵浦光进行空间整形，形成所述泵浦条形光斑。

9.根据权利要求8所述的超短脉冲激光放大装置，其特征在于，所述泵浦源为高功率水平线阵泵浦源、高功率垂直叠阵泵浦源或高功率光纤耦合泵浦源。

10.一种超短脉冲激光放大方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的超短脉冲激光放大装置，该超短脉冲激光放大方法包括：

利用板条放大器中的泵浦单元产生泵浦条形光斑，入射至板条增益介质中；

经时域展宽后的信号光依次入射至第一光栅和第二光栅，利用所述第一光栅和所述第二光栅对所述信号光进行衍射，形成沿第一方向展宽的第一激光条形光斑；所述第一激光条形光斑入射至柱面镜，利用所述柱面镜对所述第一激光条形光斑进行第二方向的压缩，形成第二激光条形光斑；

所述第二激光条形光斑入射至板条增益介质中，利用所述板条增益介质对所述第二激光条形光斑进行至少一次放大后，形成第三激光条形光斑；

所述第三激光条形光斑依次入射至所述第二光栅和所述第一光栅，利用所述第二光栅和所述第一光栅对所述第三激光条形光斑进行时域脉冲压缩，形成超短脉冲放大激光输出；

其中，所述泵浦条形光斑和所述第二激光条形光斑模式匹配，以使得所述第二激光条形光斑在所述板条增益介质中被放大。