本发明属于激光，尤其涉及一种多芯片超快激光器。
背景技术：
1、超快激光器能产生持续时间在皮秒到飞秒量级的超短激光脉冲。因为激光脉冲的持续时间非常短，因此其峰值功率很高，典型值在千瓦量级以上。高峰值功率的激光脉冲可产生的光电场强度极大，可以用来产生许多极端的物理条件，如强场、高温、超快等环境条件，在强场物理、惯性约束核聚变、化学反应中的超快动力学等科学研究领域具有不可替代的重要应用价值。同时，超快激光脉冲极高的脉冲峰值功率和极短的脉冲持续时间也使得激光脉冲在与物质发生相互作用时，没有热效应的产生和传递，不会产生熔融过程，无毛边，无飞溅物，边缘整齐划一，具有很高的加工质量，因而在激光加工，特别是激光超精细加工领域，具有广阔的应用前景。
2、在超快激光器的研制及生产中，对高功率和短脉冲的追求是最为有价值的，因为高功率和短脉冲都意味着更高的峰值功率。但在已有的超快激光器中，很多因素限制了超快激光器功率的提升。首先是增益介质上的热效应严重，制约了激光器输出功率的提高；其次是如果使用启动锁模的元件，锁模元件上的热效应比增益介质上的热效应更加严重，进一步限制了激光器的功率；此外，已有使用晶体介质的固体或光纤等超快激光器的增益带宽固定不变，受到时间带宽积规律的制约，能够获得的锁模脉冲的时间宽度也没法进一步减小，不能获得更短的脉冲。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种多芯片超快激光器，获得更高平均输出功率、更短持续时间的锁模脉冲，显著提高超快激光器输出锁模脉冲的峰值功率，同时扩大推广其在各相关领域的应用。
2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种多芯片超快激光器，包括中间系统、后端反射镜、耦合输出镜、光束控制系统和色散控制系统；
3、所述中间系统设有多组，多组所述中间系统依次设置；每组所述中间系统包括激光芯片、激光产生系统和折叠镜；所述激光产生系统用于产生激发光并发射至对应的激光芯片上；所述激光产生系统和折叠镜分别交替设置并且以激光产生系统开始折叠镜结束；所述折叠镜用于折叠光路；所述后端反射镜和耦合输出镜分别位于激光产生系统的两侧；所述后端反射镜位于靠近首位的激光产生系统的一侧，所述耦合输出镜位于靠近末位的折叠镜的一侧；
4、多组所述激光芯片的增益谱均不同，且多组所述激光芯片的总增益和总增益带宽均大于单个激光芯片的增益和增益带宽；多组所述激光芯片都具有非线性克尔效应，且都能提供负色散；
5、所述后端反射镜、多组激光芯片、多组折叠镜和耦合输出镜之间形成激光谐振腔；
6、所述光束控制系统位于后端反射镜与首位的激光芯片之间；所述光束控制系统能够让脉冲激光束顺利通过，并阻挡连续激光束的一部分；
7、所述色散控制系统位于耦合输出镜和末位的折叠镜之间；所述色散控制系统能够提供色散并对色散进行控制。
8、进一步，所述激光芯片包括依次设置的衬底、分布式高反射镜、泵浦吸收及荧光发射区、载流子阻挡层和氧化保护层；
9、所述分布式高反射镜包括多层交替设置的高折射率层和低折射率层，每一层所述高折射率层和低折射率层的光学厚度都是激光波长的四分之一；
10、所述泵浦吸收及荧光发射区包括多层交替设置的泵浦吸收层和荧光发射层，所述泵浦吸收层能够吸收激光产生系统所发出光子的能量，产生光生载流子；所述光生载流子会扩散到所述荧光发射层，在其中发生受激辐射跃迁，为激光波长提供增益；所述泵浦吸收及荧光发射区具有非线性克尔效应，能形成非线性克尔透镜；所述泵浦吸收及荧光发射区对激光波长具有负色散；
11、所述载流子阻挡层的势垒高于所述泵浦吸收层和荧光发射层的势垒，能阻挡所述泵浦吸收层和荧光发射层中的载流子继续扩散到所述激光芯片的表面产生非辐射复合；
12、所述氧化保护层用于防止所述激光芯片发生氧化。
13、进一步，多组所述激光芯片的荧光发射层的材料均不同。
14、进一步，所述激光产生系统包括激发光源和准直聚焦光学组件，所述准直聚焦光学组件用于将所述激发光源所发出的光束进行准直并聚焦到对应的激光芯片上。
15、进一步，所述光束控制系统垂直于激光谐振腔内的光束放置。
16、进一步，所述后端反射镜和折叠镜均为平面反射镜或凹面反射镜，且反射面均镀有对激光波长进行反射的高反射率膜层。
17、进一步，所述耦合输出镜为平面反射镜或凹面反射镜，其反射面上镀有能够透过激光波长的透过率膜层，其透光面上镀有能够透过激光波长进行增透膜层。
18、进一步，每组所述激光芯片均固定在散热装置上。
19、进一步，所述泵浦吸收及荧光发射区为半导体量子阱材料。
20、本技术方案的工作原理在于：从各个激发光源发出的激发光，经过各个准直聚焦光学组件后，被聚焦在各个激光芯片上。激发光能够穿过激光芯片中的载流子阻挡层和氧化保护层，然后被泵浦吸收及荧光发射区的泵浦吸收层吸收，产生光生载流子。光生载流子会扩散到泵浦吸收及荧光发射区的荧光发射层，在其中发生受激辐射，为激光波长提供增益。激光芯片上产生的热量通过散热装置带走并散发掉，确保激光芯片处于恒定的温度，激光功率形成稳定的输出。
21、激光谐振腔由后端反射镜、激光芯片(具体为分布式高反射镜)、折叠镜和耦合输出镜构成。谐振腔中同时还包含了光束控制系统和色散控制系统。其中，激光芯片中的分布式高反射镜在激光谐振腔中起到平面反射镜的作用，对光路进行折叠。当激光谐振腔内由多组激光芯片提供的激光总增益大于激光谐振腔内的总损耗时，泵浦吸收及荧光发射区的荧光发射层中的受激辐射被放大，在激光谐振腔内形成振荡，输出连续激光。
22、激光器中产生连续激光之后，连续光中的噪声脉冲会触发启动锁模的机制。也就是，当有足够强度的脉冲存在时，因为激光芯片中的泵浦吸收及荧光发射区存在非线性克尔效应，会形成等效的透镜，改变脉冲光的光束形状。当脉冲激光束和连续激光束通过光束控制系统时，脉冲激光束能顺利通过，而连续激光束只能部分通过，因此连续激光束比脉冲激光束经历更大的腔内损耗，在模式竞争中失败，不能继续形成振荡。而另一方面，脉冲激光束则在谐振腔中经历更小的腔内损耗，在模式竞争中胜出，形成激光振荡输出。如此，锁模状态被启动并维持，激光器变为锁模状态，输出超短脉冲。
23、激光器最终输出的总功率大小，从本质上来讲，取决于增益介质的温度。本发明中使用多组激光芯片，相当于扩大了增益介质的散热面积，降低了单块激光芯片上的热负载，因此在相同的温度环境条件下，能数倍提高激光器的输出功率。
24、锁模激光脉冲的宽度，由增益介质的增益带宽、腔内的色散等因素共同确定。本发明中，使用的多组激光芯片的泵浦吸收及荧光发射区的荧光发射层的材料组分不同，使各个激光芯片的增益谱略不同，但总的增益带宽大于单块激光芯片的增益带宽，因此为产生更短的锁模脉冲提供了条件。其次，本发明中的激光芯片中的泵浦吸收及荧光发射区为半导体量子阱材料，在激光波长附近具有负色散。通常的激光谐振腔内的各个元件都会带来正色散，因此上述负色散能够较好地平衡掉激光谐振腔内的正色散，再结合腔内的色散控制系统，就能够产生更短的锁模激光脉冲。
25、本技术方案的有益效果在于：
26、首先，本发明采用了多组激光芯片，有效增大激光器的总增益的同时，显著降低每组激光芯片上的热负载，能够极大地提升超快激光器的总输出功率。其次，多组激光芯片能够明显扩大激光器中的增益带宽，使锁模激光器能够产生更短的锁模脉冲。第三，激光芯片中的泵浦吸收及荧光发射区具有负色散，可以较好地平衡掉谐振腔内的正色散，也有利于获得更短的锁模脉冲。最后，超快激光器的锁模是由激光芯片中的泵浦吸收及荧光发射区的非线性克尔效应产生的等效透镜，结合激光谐振腔内的光束控制系统一起共同启动的，激光器中不需要其它额外的锁模启动元件，因此整个激光器更加简单，稳定性更好，腔内损耗也更小，有利于输出功率的提高。总的来讲，本技术方案有利于获得输出功率更高、脉冲更短的超快激光，其峰值功率也更高，可以极大地扩展超快激光器的应用场景。
1.一种多芯片超快激光器，其特征在于：包括中间系统、后端反射镜(9)、耦合输出镜(11)、光束控制系统(5)和色散控制系统(6)；
2.根据权利要求1所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：所述激光芯片(1)包括依次设置的衬底(12)、分布式高反射镜(13)、泵浦吸收及荧光发射区(14)、载流子阻挡层(15)和氧化保护层(16)；
3.根据权利要求2所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：多组所述激光芯片(1)的荧光发射层(20)的材料均不同。
4.根据权利要求1所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：所述激光产生系统包括激发光源(3)和准直聚焦光学组件(4)，所述准直聚焦光学组件(4)用于将所述激发光源(3)所发出的光束进行准直并聚焦到对应的激光芯片(1)上。
5.根据权利要求1所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：所述光束控制系统(5)垂直于激光谐振腔内的光束放置。
6.根据权利要求1所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：所述后端反射镜(9)和折叠镜(10)均为平面反射镜或凹面反射镜，且反射面均镀有对激光波长进行反射的高反射率膜层。
7.根据权利要求1所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：所述耦合输出镜(11)为平面反射镜或凹面反射镜，其反射面上镀有能够透过激光波长的透过率膜层，其透光面上镀有能够透过激光波长进行增透膜层。
8.根据权利要求1所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：每组所述激光芯片(1)均固定在散热装置(2)上。
9.根据权利要求2所述的一种多芯片超快激光器，其特征在于：所述泵浦吸收及荧光发射区(14)为半导体量子阱材料。
