CN101030690A - 一种提高输出稳定性的脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
一种提高输出稳定性的脉冲激光器，属于激光器技术领域。其特征在于，至少含有：泵浦源、激光增益介质、腔镜和温度控制装置。通过调节温度控制装置的温度设置，提高激光的横模或纵模结构的稳定性，以提高输出脉冲稳定性，包括脉冲峰值功率、重复频率和脉冲宽度的稳定性。本发明与传统技术相比具有简单有效、适用范围广、不降低激光器输出性能等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高输出稳定性的脉冲激光器，属于激光器技术领域。
背景技术
脉冲激光在工业加工、信息传输、远程传感等领域发挥了重要的作用。目前，被动调Q技术和增益开关技术是比较常用的激光脉冲产生技术。
一般情况下，被动调Q激光器在阈值附近具有较高的输出稳定性(包括脉冲峰值功率、重复频率和脉冲宽度的稳定性)，随着泵浦功率的提高，脉冲重复频率基本呈线性增长，但同时输出稳定性降低。
导致被动调Q激光器输出不稳定的原因之一是泵浦功率不稳定，可以通过预泵浦技术在很大程度上减小该原因引起的不稳定，详见以下文献资料：①W.J.Mandeville，K.M.Dinndorf，and N.E.Champigny，Characterization of passively Q-switched microchip lasers forlaser radar，Proceedings of SPIE，Vol.2748，pp358-366；②Weiyu Wang，Mali Gong，and GuofanJin，Pulse control of passively Q-switched microchip laser with CW pumping modulation，Proceedings of SPIE，Vol.3899，pp455-460；③世界专利，专利号：WO97/31411；④中国专利，专利号：CN00103362.X。
导致被动调Q激光器输出不稳定的另一个原因是自发辐射噪声，可采用脉冲半导体激光器对可饱和吸收体进行与激光信号同步的照射的方法，减小该原因引起的不稳定(详见：Sheng-Lung Huang，Tsung-Yuan Tsui，Chien-Hung Wang and Fu-Jen Kao，Timing jitter reductionof a passively Q-switched laser，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.38，pp239-241)。
试验表明，以上两种方法对稳定被动调Q激光器的输出具有一定的效果，但也存在一些局限性。预泵浦技术可以实现较高的重频稳定性，但在高重频下被动调Q激光器表现出来的多脉冲输出现象，预泵浦技术无法消除。对可饱和吸收体进行同步照射的方法，对激光器输出稳定性有一定的改善，但不能达到理想的效果。此外，该方法还会在一定程度上展宽激光器输出脉宽，降低峰值功率。
试验表明，增益开关激光器输出重频和峰值功率的稳定性随重频的增加而降低。
详细的试验分析表明，温度对被动调Q和增益开关激光器的稳定性具有重要影响，可尝试采用温度控制的方法实现被动调Q和增益开关激光器的稳定输出。
发明内容
本发明的目的是针对脉冲激光器输出不稳定的缺点，提出一种提高输出稳定性的脉冲激光器。
本发明的特征在于：至少含有：泵浦源、激光增益介质、腔镜和温度控制装置；所述腔镜至少包括一个后腔镜和一个输出镜；后腔镜对激光高反射；泵浦源的发射谱与激光增益介质的吸收谱匹配；激光增益介质是产生激光输出的固体激光工作物质；泵浦源发出的泵浦光直接，或通过耦合装置后入射激光增益介质；输出镜对激光波长的透过率是设定的；后腔镜和输出镜之间至少设置一个激光增益介质；用于提高脉冲激光器输出稳定性的温度控制装置包括：热沉和温度控制器，热沉托住激光增益介质，并与其热接触，温度控制器与热沉热接触，以控制热沉的温度；通过调节温度控制装置的温度设置，提高激光的横模或纵模结构的稳定性，以提高输出脉冲稳定性。
所述激光增益介质与可饱和吸收体可结合成为复合介质。
在所述激光增益介质中可同时掺入激光增益元素和可饱和吸收元素，构成自饱和吸收的激光介质。
在所述激光输出端可设置一个同时观察激光腔内起振的纵模结构和输出脉冲波形的观测装置，该装置包括：分光镜、法一珀干涉仪、普通光电探测器、高速光电探测器和示波器；分光镜把输入到该分光镜的激光分成两束；法一珀干涉仪对该分光镜输出的第一束激光进行干涉后送往普通光电探测器；分光后的第二束激光输入高速光电探测器；示波器把所述普通光电探测器和高速光电探测器的输出电信号进行显示。
所述的泵浦源是半导体激光器或闪光灯，泵浦方式是下述端面泵浦、侧面泵浦、棱边泵浦和角泵浦中的任何一种。
所述的可饱和吸收体是可饱和吸收晶体、半导体可饱和吸收体、半导体可饱和吸收镜和有机染料中的任何一种。
所述腔镜中至少一个可以以光学薄膜的形式镀在激光增益介质或可饱和吸收体的通光面上。
所述后腔镜可以以光学薄膜的形式镀在激光增益介质朝向泵浦源的端面上，对泵浦光增透；输出镜可以以光学薄膜的形式镀在激光增益介质或可饱和吸收体朝向输出的端面上，对泵浦光高反射；泵浦源所发射的泵浦光可通过光纤耦合，透镜聚焦后入射激光增益介质。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提出的通过温度控制提高脉冲激光器输出稳定性的方法，与传统技术相比具有简单有效、适用范围广、不降低激光器输出性能等优势。
附图说明
图1为本发明提供的提高输出稳定性的脉冲激光器的第一个实施例的结构示意图。
图2为本发明提供的示波器采集到的双脉冲输出图形，脉冲信号为负电平，图中所示为对脉冲信号重复采集和波形重叠后的结果。
图3为本发明提供的用于实现被动调Q激光器高稳定输出的调试装置图。
图4为本发明提供的稳定的100kHz单纵模激光脉冲输出图形，脉冲信号为负电平，插入图形为时间分辨率为1ns/div时采集到的脉冲波形，图中所示为对脉冲信号重复采集和波形重叠后的结果
图5(a)为本发明提供的被动调Q激光器双纵模起振情况下，增益谱线、纵模结构谱线及阈值增益线之间的关系。
图5(b)为本发明提供的被动调Q激光器单纵模起振情况下，增益谱线、纵模结构谱线及阈值增益线之间的关系。
图6为本发明提供的提高输出稳定性的脉冲激光器的第二个实施例的结构示意图。
图1～图6中，1-半导体激光器，2-耦合光纤，3-泵浦光，4-耦合透镜，5-激光增益介质，6-以光学薄膜形式镀在激光增益介质端面上的后腔镜，7-键合面，8-可饱和吸收体，9-以光学薄膜形式镀在激光增益介质端面上的输出镜，10-激光输出，11-激光输出高脉冲，12-激光输出低脉冲，13-紫铜热沉，14-半导体制冷器，15-分光镜，16-法-珀干涉仪，17-普通光电探测器，18-高速光电探测器，19-示波器，20-增益谱线，21-阈值增益线，22-双纵模起振情况下的纵模结构谱线，23-单纵模起振情况下的纵模结构谱线。
具体实施方式
图1为本发明提供的提高输出稳定性的脉冲激光器的第一个实施例，包括：半导体激光器1、耦合光纤2、耦合透镜4、后腔镜5、激光增益介质5、可饱和吸收体8、输出镜9、紫铜热沉13和半导体制冷器14。本发明的思想可以应用于各种腔型的激光器，如直腔、折腔、环形腔等，可采用半导体激光器、闪光灯等各种泵浦源和端面泵浦、侧面泵浦、棱边泵浦和角泵浦等各种泵浦方式。这里选用半导体激光器端面泵浦的被动调Q微晶片激光器只是作为本发明的一个方便说明的实施例。
在该实施例中，激光增益介质5是产生激光输出的固体激光工作物质，可饱和吸收体8可以是可饱和吸收晶体、半导体可饱和吸收体、半导体可饱和吸收镜和有机染料中的任何一种。激光增益介质5和可饱和吸收体8键合成为复合介质，还可采用其它工艺构成复合介质，如液相外延、气相外延、金属有机气相淀积等；还可将激光增益介质5中可同时掺入激光增益元素和可饱和吸收元素，构成自饱和吸收的激光介质。后腔镜6以光学薄膜的形式镀在增益介质5朝向半导体激光器1的端面上，对泵浦光3增透，对激光高反。输出镜9以光学薄膜的形式镀在可饱和吸收体8朝向输出的端面上，对泵浦光3高反射，对激光的反射率是设定的。后腔镜6和输出镜9还可以是分立的腔镜。半导体激光器1所发射的泵浦光通过光纤2耦合及透镜4聚焦后入射激光增益介质5。
对增益介质5注入泵浦功率，随着泵浦功率的提高，激光输出重频提高，输出在阈值附近稳定性较高。随着重频的提高，通常会输出两组不等脉宽和峰值功率的脉冲，11所示为一组高脉冲，12所示为一组低脉冲，如图2所示。两组脉冲输出使得激光器输出稳定性严重恶化
图3所示为实现被动调Q激光器高稳定输出的调试装置图。微片激光器(包括5～9)与紫铜热沉13保持良好的热接触，采用半导体制冷器14进行温控。激光输出10被分光镜15分成两束，一束通过法-珀干涉仪16，入射普通光电探测器17，将光信号转化为电信号并接入示波器19；另一束入射高速光电探测器18，将光信号转化为电信号后接入示波器19。因此在示波器19上可同时观测激光腔内起振的纵模结构和输出脉冲波形。
在双脉冲输出的情况下，可观察到双纵模起振，纵模结构可由示波器19读出，各纵模强度不等。此时，改变半导体制冷器14的供电电流，调节被动调Q微片激光器的温度。使得激光器谐振腔光程长度变化，各纵模22增益发生变化。在示波器19上可以观察到，在温度调节的过程中，某一纵模强度逐渐加强，而其它纵模逐渐减弱，消失，直到获得单纵模23振荡。同时，可在示波器19上观察到两组脉冲输出转化为单组脉冲输出，输出脉冲宽度和峰值功率达到较高的稳定性。图4所示为通过温度控制得到的稳定的100kHz单纵模激光脉冲输出图形。
通过调节微片激光器温度实现纵模控制的原理结合图5说明如下：由于被动调Q微片激光器腔长短，纵模间隔大，受增益介质5增益线宽的限制，能在腔中起振的纵模数一般不超过两个。当采用较高的泵浦功率时，可存在两个纵模22满足起振条件，一般情况下，两个纵模22增益不完全相等，如图5(a)所示。在第一个脉冲周期内，纵模i输出激光脉冲，消耗对应该纵模在腔内空间分布上波峰位置的翻转粒子数。由于存在空间烧孔效应，纵模ii的波峰位置与纵模i不重合，使得在第二个脉冲周期内纵模ii的增益可大于纵模i，纵模ii起振，输出激光脉冲。同理，在第三个脉冲周期，纵模i起振。如此反复，两个纵模22在不同的脉冲周期交替起振，因而激光器输出两组脉冲。两组脉冲的峰值功率和脉宽不等，主要是由于两个纵模的增益不同。由于晶体折射率和厚度都是温度的函数，改变晶体的温度可改变各纵模的频率，使纵模增益谱线左移或右移，两纵模增益发生变化。当某一纵模位于(或临近于)增益谱线的中心时，其它纵模由于增益太小而被抑制，使得激光器单纵模23振荡，输出稳定激光脉冲，如图5(b)所示。
图6为本发明提供的提高输出稳定性的脉冲激光器的第二个实施例。其结构与第一个实施例类似，不同之处在于后腔镜6和输出镜9之间只包括激光增益介质5，输出镜9直接镀在增益介质5朝向输出的端面上。在该实施例中，通过脉冲泵浦得到激光脉冲输出10。其调试装置和提高脉冲输出稳定性的原理与第一个实施例基本一致。
Claims (9)
1.一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，至少含有：泵浦源(1)、激光增益介质(5)、腔镜(6、9)、温度控制装置(13、14)；所述腔镜(6、9)至少包括一个后腔镜(6)和一个输出镜(9)；后腔镜(6)对激光高反射；泵浦源(1)的发射谱与激光增益介质(5)的吸收谱匹配；激光增益介质(5)是产生激光输出的固体激光工作物质；泵浦源(1)发出的泵浦光直接，或通过耦合装置(2、4)后入射激光增益介质(5)；输出镜(9)对激光波长的透过率是设定的；后腔镜(6)和输出镜(9)之间至少设置一个激光增益介质(5)；用于提高脉冲激光器输出稳定性的温度控制装置(13、14)包括：热沉(13)和温度控制器(14)，热沉(13)托住激光增益介质(5)，并与其热接触，温度控制器(14)与热沉(13)热接触，以控制热沉(13)的温度；通过调节温度控制装置(14)的温度设置，提高激光的横模或纵模结构的稳定性，以提高输出脉冲稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，所述激光增益介质(5)与可饱和吸收体(8)结合成为复合介质。
3.根据权利要求1所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，在所述激光增益介质(5)中同时掺入激光增益元素和可饱和吸收元素，构成自饱和吸收的激光介质。
4.根据权利要求1、或2、或3中任何一项所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，在所述激光输出端设置一个同时观察激光腔内起振的纵模结构和输出脉冲波形的观测装置，该装置包括：分光镜(15)、法-珀干涉仪(16)、普通光电探测器(17)、高速光电探测器(18)和示波器(19)；分光镜(15)把输入到该分光镜(15)的激光分成两束；法-珀干涉仪(16)对该分光镜(15)输出的第一束激光进行干涉后送往普通光电探测器(17)；分光后的第二束激光输入高速光电探测器(18)；示波器(19)把所述普通光电探测器(17)和高速光电探测器(18)的输出电信号进行显示。
5.根据权利要求1、或2、或3中任何一项所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)是半导体激光器，泵浦方式是下述端面泵浦、侧面泵浦、棱边泵浦和角泵浦中的任何一种。
6.根据权利要求1、或2、或3中任何一项所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)是闪光灯。
7.根据权利要求1、或2、或3中任何一项所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，所述的可饱和吸收体(8)是可饱和吸收晶体、半导体可饱和吸收体、半导体可饱和吸收镜和有机染料中的任何一种。
8.根据权利要求1、或2、或3中任何一项所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，所述腔镜(6、9)中至少一个以光学薄膜的形式镀在激光增益介质(5)或可饱和吸收体(8)的通光面上。
9.根据权利要求1、或2、或3中任何一项所述的一种提高输出稳定性的脉冲激光器，其特征在于，所述后腔镜(6)以光学薄膜的形式镀在激光增益介质(5)朝向泵浦源(1)的端面上，对泵浦光(3)增透；输出镜(9)以光学薄膜的形式镀在激光增益介质(5)或可饱和吸收体(8)朝向输出的端面上，对泵浦光(3)高反射；泵浦源(1)所发射的泵浦光通过光纤(2)耦合，透镜(4)聚焦后入射激光增益介质(5)。
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