CN101034786A - 可提高输出光束质量的偏振式的调q激光器 - Google Patents

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巩马理
黄磊
王云祥
张海涛
柳强
闫平
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Abstract

一种可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，属于激光器技术领域，其特征在于，该激光器包括泵浦源、激光增益介质、主动调Q元件、具有各向吸收异性和动态光阑特性的可饱和吸收体、腔镜，利用可饱和吸收体的各向吸收异性和动态光阑特性实现调Q激光器的偏振输出，并提高输出高光束质量。本发明具有简单有效、工作稳定可靠的优点，解决了传统技术带来系统复杂性增加和稳定性降低的问题。

Description

可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别涉及可提高输出光束质量的偏振式的调Q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，普遍采用调Q技术来得到高峰值功率和持续时间很短的激光脉冲。在很多工业及军事应用中，还要求激光输出光束具有线偏振特性和较高的光束质量。
目前，常用的调Q方法有被动调Q和主动调Q两种，其中，主动调Q包括声光调Q、电光调Q、机械调Q和腔倒空等方式。被动调Q激光器只需在腔内插入可饱和吸收体，无需外部驱动源控制，具有体积小、结构简单、输出光束质量好的优势。但被动调Q激光器在较高重频(一般指大于100kHz)下输出不稳定，重频和峰值功率均存在较大的抖动。主动调Q激光器具有调Q时刻精确控制的特点，一般输出稳定性较高。但要得到较高的光束质量输出，须采用光阑选模、特殊稳定腔或非稳腔等措施，而这些措施或者降低激光器效率，或者增加谐振腔复杂性，或者降低系统稳定性。此外，大多数主动调Q器件不具有偏振选择特性。
本发明将可饱和吸收体应用于主动调Q激光器，利用可饱和吸收体的各向吸收异性和动态光阑特性来得到调Q激光器的偏振和高光束质量输出。根据发明人的技术调研，将可饱和吸收体和主动调Q元件同时应用于激光器的国内外专利有四篇，下面按时间为序简要说明各专利的发明内容。Zheng Jun Xiong提出主被动双Q开关应用于固体激光器中，可以获得窄脉宽、高脉冲能量输出(世界专利，专利号：WO 03/007438 A1，2003)。Denis J.Gendron提出采用主被动双Q开关可以消除调Q输出中的脉冲调制现象，主要原因是，Cr4+:YAG在“漂白”过程中，折射率改变，产生频率“啁啾”现象，可消除空间烧孔效应，形成宽谱激光，得到平滑脉冲(世界专利，专利号：WO 03/019739A2，2003)。Wang Long Zhou提出采用主被动双Q开关可实现重频主动控制，使脉冲产生时刻更精确，同时避免子脉冲的产生(美国专利，专利号：US 2004/0190564 A1，2004)。许祖彦提出采用主被动双Q开关可以获得单纵模输出，主要原理是，利用第一个纵模作为种子注入，Cr4+:YAG作为纵模选择器，从而获得单纵模输出(中国专利，专利号：CN 1645691 A，2005)。以上专利均不涉及利用可饱和吸收体的各向吸收异性和动态光阑特性来得到调Q激光器的偏振和高光束质量输出的内容。
关于可饱和吸收体的各向吸收异性和动态光阑特性已有文献报导。2006年在ASSP会议上，H.Sakai等人报导了[110]方向切割的Cr4+:YAG的各向吸收异性(Hiroshi Sakai，AkihiroSone，Hirohumi Kan，Takunori Taira，Polarization Stabilizing for Diode-Pumped Passively Q-SwitchedNd:YAG Microchip Lasers，Advanced Solid-State Photonics(ASSP)2006，paper MD2)。关于可饱和吸收体的动态光阑特性在很多光学专业的著作中都有论述(如：蓝信钜，激光技术，科学出版社，第二版，2005)。
发明内容
本发明的目的是提供一种可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器装置，该激光器具有结构简单，工作稳定可靠，实用性强的优点。
本发明的特征在于：包括浦源、激光增益介质、主动调Q元件、具有各向吸收异性和动态光阑特性的可饱和吸收体、腔镜，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，且所述可饱和吸收体对该激光增益介质的发射波长具有可饱和吸收特性的固体激光工作物质；泵浦源发出的泵浦光可直接，或通过耦合装置后入射激光增益介质；输出镜的镀膜对激光波长的透过率是设定的。
所述后腔镜可对泵浦光增透；泵浦光可通过光纤耦合及耦合透镜聚焦后从端面入射激光增益介质；可在该激光增益介质朝向泵浦端的通光面上，镀对泵浦波长及激光波长增透的光学薄膜，而在激光增益介质朝向输出端的通光面上，镀对激光波长增透的光学薄膜；主动调Q元件的两个通光面上可镀对激光波长的增透膜。
所述可饱和吸收体可以是具有各向吸收异性的【110】方向切割的Cr4+:YAG。
所述后腔镜可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。
所述激光增益介质可以和可饱和吸收体键合成为复合介质。
可以在所述激光增益介质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。
所述的输出镜可以以光学薄膜的形式镀在主动调Q元件朝向输出的通光面上。
所述激光器采用包括直腔、折腔、环形腔在内的各种腔型结构。
所述泵浦源是包括半导体激光器、闪光灯在内的各种泵浦源，泵浦方式是包括端面泵浦、侧面泵浦在内的各种泵浦方式。
所述主动调Q元件是机械Q开关、或声光Q开关、或电光Q开关、或腔倒空器件，用以对谐振腔损耗进行调制，但基于偏振控制的Q开关和腔倒空器件除外。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提出的通过在主动调Q激光器中插入具有各向吸收异性的可饱和吸收体，从而提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，具有简单有效、工作稳定可靠的优势，解决了传统技术带来系统复杂性增加和稳定性降低的问题。
附图说明
图1为本发明提供的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器第一个实施例的结构示意图。
图2为本发明提供的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器第二个实施例的结构示意图。
图3为本发明提供的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器第三个实施例的结构示意图。
图4为本发明提供的[110]方向切割的Cr4+:YAG(小信号透过率为25％)对不同偏振方向的激光的透过率。
图1～图4中，1-半导体激光器，2-耦合光纤，3-耦合透镜，4-后腔镜，5-激光增益介质，6-主动调Q元件，7-可饱和吸收体，8-输出镜，9-代替后腔镜的光学薄膜，10-代替输出镜的光学薄膜，11-自饱和吸收的激光介质
具体实施方式
图1为本发明提供的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器的第一个实施例。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各种泵浦方式。这里选用直腔和半导体激光器端面泵浦方式只是作为本发明的一个方便说明的实施例。
该实施例中的可饱和吸收体7可采用[110]方向切割的Cr4+:YAG，利用Cr4+:YAG在该方向上的各向吸收异性和动态光阑特性得到线偏振和高光束质量输出。其通光面镀对激光波长的增透膜，且通光面垂直于谐振腔主轴。
半导体激光器1所发射的泵浦光通过光纤2耦合及透镜3聚焦后入射激光增益介质5。半导体激光器1的发射谱与增益介质5的吸收谱匹配。
后腔镜4对泵浦光增透，对激光高反。激光增益介质5为可以产生激光输出的、且Cr4+:YAG对其发射波长具有可饱和吸收特性的固态激光工作物质，如Nd:YAG、Yb:YAG、Nd:YVO4、Nd:glass等。激光增益介质5朝向泵浦端的通光面上的镀膜对泵浦波长及激光波长增透，而其朝向输出端的通光面上的镀膜对激光波长增透。主动调Q元件6选用声光Q开关，其两个通光面上镀对激光波长的增透膜，该实施例中的声光Q开关还可以用电光Q开关、机械Q开关和腔倒空器件代替，但基于偏振控制的Q开关和腔倒空器件除外。输出镜8的镀膜对激光波长具有一定的透过率。
在该实施例中，声光Q开关在关断情况下，腔内衍射损耗很高，同时Cr4+:YAG较强的吸收使得激光不能起振，在增益介质5内的反转粒子数不断积累。在打开Q开关的瞬间，腔内衍射损耗降到最低，此时激光腔内的损耗主要是由于Cr4+:YAG的吸收引起的。而此时在增益介质5内积累的大量反转粒子数使得腔内增益大于损耗，激光开始起振，同时Cr4+:YAG对激光的吸收随激光的增强而减弱，这样一种正反馈的机制使得强激光脉冲迅速建立，产生一个持续时间很短的高峰值功率激光脉冲。由于[110]方向切割的Cr4+:YAG具有各向吸收异性，即Cr4+:YAG对沿某一方向偏振的激光吸收最弱，透过率最高，如图4所示，使得该方向偏振的激光在起振过程中占有竞争优势，其它偏振方向的激光被抑制，因此，激光器输出激光脉冲具有线偏振特性。同时，Cr4+:YAG具有动态光阑特性，具体的说，由于振荡光束在中心轴线附近具有最高强度，从而最先漂白Cr4+:YAG在轴线中心及附近的位置，而对离轴线较远的位置来说则因其入射光功率密度低，不易漂白，从而损耗较大。因而，插入Cr4+:YAG导致高阶横模不易形成振荡，从而改善了输出光束质量。所以，插入[110]方向切割的Cr4+:YAG产生的总的结果是获得偏振和高光束质量的激光脉冲输出。
图2为本发明提供的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器的第二个实施例，其中，激光增益介质5和Cr4+:YAG通过键合成为复合介质，并在激光增益介质5朝向泵浦源的端面上镀对激光高反，对泵浦光增透的光学薄膜9代替后腔镜4，在主动调Q元件6朝向输出的端面上镀对激光部分反射的光学薄膜10代替输出镜8。
图3为本发明提供的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器的第三个实施例，其中，同时在介质YAG中掺入激光增益元素Nd和可饱和吸收元素Cr，构成自饱和吸收的激光介质11，Nd:Cr4+:YAG。

Claims (11)

1.可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，至少含有：泵浦源(1)、激光增益介质(5)、主动调Q元件(6)、具有各向吸收异性和动态光阑特性的可饱和吸收体(7)、腔镜(4、8)，所述腔镜至少包括一个后腔镜(4)和一个输出镜(8)；后腔镜(4)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，且所述可饱和吸收体(7)对该激光增益介质(5)的发射波长具有可饱和吸收特性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、3)后入射激光增益介质(5)；输出镜(8)的镀膜对激光波长的透过率是设定的。
2.根据权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述后腔镜(4)对泵浦光增透，泵浦光通过光纤(2)耦合及耦合透镜(3)聚焦后从端面入射激光增益介质(5)，该激光增益介质(5)朝向泵浦端的通光面上的镀膜对泵浦波长及激光波长增透，而朝向输出端的通光面上的镀膜对激光波长增透，主动调Q元件(6)的两个通光面上镀对激光波长的增透膜。
3.根据权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体(7)是具有各向吸收异性的[110]方向切割的Cr4+:YAG。
4.根据权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述后腔镜(4)以光学薄膜(9)的形式镀在激光增益介质(5)朝向泵浦源(1)的端面上。
5.根据权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述激光增益介质(5)和可饱和吸收体(7)键合成为复合介质。
6.根据权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q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(11)。
7.根据权利要求1或4所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述的输出镜(8)以光学薄膜(10)的形式镀在主动调Q元件(6)朝向输出的通光面上。
8.根据权利要求1或5所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述的输出镜(8)以光学薄膜(10)的形式镀在主动调Q元件(6)朝向输出的通光面上。
9.根据权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述激光器采用包括直腔、折腔、环形腔在内的各种腔型结构。
10.一种如权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)是包括半导体激光器、闪光灯在内的各种泵浦源，泵浦方式是包括端面泵浦、侧面泵浦在内的各种泵浦方式。
11.一种如权利要求1所述的可提高输出光束质量的偏振式的调Q激光器，其特征在于，所述主动调Q元件(6)是机械Q开关、或声光Q开关、或电光Q开关、或腔倒空器件，用以对谐振腔损耗进行调制，但基于偏振控制的Q开关和腔倒空器件除外。
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