CN101276983A - 一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，它包括泵浦源，泵浦耦合装置，泵浦光经泵浦耦合装置后，进入由后腔镜和输出镜构成的谐振腔，在所述谐振腔内设置有激光增益介质和一个主动调Q元件，其特征在于：所述后腔镜和输出镜之间的谐振腔长度小于60mm，所述输出镜的透过率大于80％。本发明打破了传统的观念中输出镜透过率不能大于80％的一般规律，经过大量研究和实验后，不仅实现了0.1ns～3ns的窄脉宽，而且使用本发明的激光器具有简单有效，工作稳定可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器。
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，在激光探测应用中，窄脉宽激光有利于提高测量精度，在相同的激光输出功率下，窄脉宽意味着高峰值功率。因此，窄脉宽在应用中具有重要的价值。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，典型固体调Q激光器的输出脉宽为10～100ns；而目前普遍采用减小腔长的方法缩短脉宽。
1992年，美国的J.J.Zayhowski等人提出了微型复合腔电光调Q激光器，在通光端面严格平行的电光晶体LiTaO3两端镀高反膜形成F-P标准具，将其作为微片激光器的输出镜，通过改变加在电光晶体上的电压改变标准具对激光的输出透过率，从而达到调Q的目的，其等效输出透过率一般为10％左右。这种激光器的腔长一般为1～3mm，所需驱动电压较低，约为500V左右。采用Nd:YAG作为增益介质，得到270ps脉宽，输出平均功率为34mW(美国专利5,132,977，1992)。采用Nd:YVO4作为增益介质，可获得115ps脉宽，平均功率12mW。上述复合腔电光调Q激光器的主要缺点是输出性能对环境温度变化很敏感。
2006年，Emilie Herault等人采用短腔的Nd:YVO4声光调Q激光器，腔长为26mm，输出透过率为75％，声光Q开关长度为9mm，得到3ns脉冲输出，脉冲重复频率为10kHz，峰值功率为29.5kW，输出平均功率为0.9W。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以进一步缩短激光输出脉冲宽度的激光器。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，它包括泵浦源，泵浦耦合装置，泵浦光经泵浦耦合装置后，进入由后腔镜和输出镜构成的谐振腔，在所述谐振腔内设置有激光增益介质和主动调Q元件，其特征在于：所述后腔镜和输出镜之间的谐振腔长度小于60mm，所述输出镜的透过率大于80％。
所述谐振腔为直腔，所述泵浦耦合装置为依次设置的耦合光纤和端面泵浦耦合装置，所述泵浦光经所述泵浦耦合装置后，经所述后腔镜，入射至所述激光增益介质进入所述谐振腔。
所述谐振腔为折腔，所述泵浦光经泵浦耦合装置后，入射至所述激光增益介质进入所述谐振腔。
所述谐振腔为由两个后腔镜和一个输出镜构成的环形腔，所述腔镜之间设置有使激光束只能以行波方式单向传播的法拉第隔离器和λ/2波片，所述泵浦光经泵浦耦合装置后，入射至所述激光增益介质进入所述谐振腔。
所述激光增益介质为固体、气体和液体中的一种。
所述主动调Q元件是声光Q开关、电光Q开关和机械Q开关的一种。
所述后腔镜或输出镜至少一个以光学薄膜的形式镀在所述激光增益介质或主动调Q元件上。
所述激光器谐振腔内设置有实现调Q或调Q锁模脉冲输出的可饱和吸收体。
所述激光器谐振腔内设置有实现主振波长以外的激光输出的非线性光学元件。
所述激光增益介质和主动调Q元件集成为同一元件。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明打破了传统的观念中输出镜透过率不能大于80％的一般规律，经过大量研究和实验后，揭示了在短腔长和高损耗的情况下，激光脉冲下降时间短；同时，高损耗使得当谐振腔中存在较高的增益时，不产生子脉冲，高增益和短腔长使得激光脉冲上升时间短，从而可以得到窄脉宽输出的原理。2、本发明通过分析实验表明，在上述原理中存在一个最优增益，即当增益因子为损耗因子的3倍时，脉冲宽度最窄，且没有子脉冲产生，为此本发明将谐振腔输出镜的透过率设置在大于80％，谐振腔长度小于60mm，激光器输出脉宽为0.1ns～3ns的短脉宽。3、本发明不仅实现了窄脉宽，而且使用本发明的激光器具有简单有效，工作稳定可靠的优点。本发明方法和装置可以广泛用于各种激光器中。
附图说明
图1为本发明第一个实施例的结构示意图
图2为采用本发明的方法得到的脉冲宽度为2ns的激光脉冲波形图
图3为本发明第二个实施例的结构示意图
图4为本发明第三个实施例的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例1
如图1所示，本发明装置包括采用光纤耦合的半导体激光器1作为泵浦源，设置在光纤耦合的半导体激光器1输出端的耦合光纤2和端面泵浦耦合装置3，泵浦光4经耦合光纤2和端面泵浦耦合装置3会聚后，经后腔镜5入射至激光增益介质6，形成激光振荡，激光经主动调Q元件7和输出镜8，形成激光输出9。
本实施例中，采用光纤耦合的半导体激光器1是为方便说明，本发明公开的方法还可应用于采用其它泵浦源和采用其它泵浦方式的固体激光器中。后腔镜5对泵浦光4增透，对激光高反，后腔镜5与输出镜8之间设置至少一个激光增益介质6和一个主动调Q元件7，激光增益介质6可以是固体激光增益介质，也可以是液体或气体激光增益介质，激光增益介质6和主动调Q元件7的功能可在同一激光介质上实现。后腔镜5可以以光学介质膜的形式镀在激光增益介质6朝向泵浦源1的端面上，输出镜8可以以光学镀膜的形式镀在主动调Q元件7的朝向输出的端面上。本实施例的激光器谐振腔采用直腔结构，激光器谐振腔内可设置非线性光学元件，实现主振波长以外的激光输出，还可以设置可饱和吸收体。
本发明缩短激光输出脉冲宽度的方法基于以下原理：当主动调Q元件7处于关断状态时，谐振腔处于高损耗低Q值状态，激光不能产生振荡，当主动调Q元件7处于打开状态时，谐振腔处于低损耗高Q值状态，激光器输出一个调Q脉冲。根据激光物理理论，一般调Q激光器的输出脉宽主要与腔长、增益和损耗有关，具体来说，激光脉冲的上升沿主要由腔长和激光增益因子与损耗因子的差决定(增益因子为增益的对数，损耗因子γo≈-ln(1-To)，To为输出镜透过率)，腔长越短，增益因子与损耗因子的差越大，则脉冲上升沿越陡。激光脉冲的下降沿主要由腔长和损耗因子决定，腔长越短，损耗因子越大，则脉冲下降沿越陡。并且，进一步的分析表明，存在一个最优增益，即当增益因子为损耗因子的3倍时，脉冲宽度最窄，且没有子脉冲产生。
基于以上原理分析可知，当在短腔长和高损耗的情况下，激光脉冲下降时间短；同时，高损耗使得当谐振腔中存在较高的增益时，不产生子脉冲，高增益和短腔长使得激光脉冲上升时间短，从而可以得到窄脉宽输出。特别是本发明经反复实验，证明当后腔镜5到输出镜8之间的腔长小于60mm，输出镜8对激光的透过率大于80％时，可以保证输出脉冲宽度为0.1ns～3ns。比如，如图2所示，腔长为20mm，输出透过率为90％时，得到输出脉冲宽度为2ns的脉冲波形。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1大体相同，其区别主要在于，激光器谐振腔采用折腔结构，泵浦源为阵列半导体激光器11，其所发射的泵浦光13经过一组泵浦耦合装置12后入射激光增益介质10。激光被后腔镜5反射后，从增益介质10的通光端面斜入射，经泵浦面反射后，从另一通光端面出射，通过主动调Q元件7后，一部分激光出射，一部分激光被输出镜8反射回谐振腔。该实施例中，后腔镜5到输出镜8之间激光经过的折线长度即为腔长，其值小于60mm，输出镜8透过率大于80％时，也可以保证输出脉冲宽度为0.1ns～3ns。本实施例压缩脉宽的原理与实施例1相同。
实施例3
如图4所示，本实施例与实施例1大体相同，其区别主要在于，激光器谐振腔采用环形腔结构，泵浦源为阵列半导体激光器11，其所发射的泵浦光13经过一组泵浦耦合装置12后入射激光增益介质14，在谐振腔中振荡的激光一部分在两个后腔镜5和一个输出镜8之间反射，一部分从输出镜8输出。在谐振腔中设置法拉第隔离器15和λ/2波片16，使激光束只能以行波方式单向传播，从而获得单向输出。该实施例中，两个后腔镜5和输出镜8之间激光经过的环线长度即为腔长，其值小于60mm，输出镜8透过率大于80％时，也可以保证输出脉冲宽度为0.1ns～3ns。本实施例压缩脉宽的原理与实施例1相同。
上述各实施例中，泵浦源可以使用上述各种泵浦源以外的其它各种泵浦源，激光器谐振腔可以采用包括直腔、折腔、环形腔在内的各种腔型结构，激光增益介质6、10、14可以是包括固体、气体、液体在内的各种形态的激光增益介质，主动调Q元件7可以是声光Q开关、电光Q开关、或机械Q开关等。另外激光器谐振腔内也可以设置非线性光学元件，实现主振波长以外的激光输出。激光器谐振腔内还可以设置可饱和吸收体，实现调Q或调Q锁模脉冲输出。激光增益介质6、10、14和主动调Q元件7的功能可以在同一激光介质上实现。后腔镜5和输出镜8中至少一个可以以光学薄膜的形式镀在激光增益介质6、10、14或主动调Q元件7上。
Claims (10)
1. 一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，它包括泵浦源，泵浦耦合装置，泵浦光经泵浦耦合装置后，进入由后腔镜和输出镜构成的谐振腔，在所述谐振腔内设置有激光增益介质和主动调Q元件，其特征在于：所述后腔镜和输出镜之间的谐振腔长度小于60mm，所述输出镜的透过率大于80％。
2. 如权利要求1所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述谐振腔为直腔，所述泵浦耦合装置为依次设置的耦合光纤和端面泵浦耦合装置，所述泵浦光经所述泵浦耦合装置后，经所述后腔镜，入射至所述激光增益介质进入所述谐振腔。
3. 如权利要求1所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述谐振腔为折腔，所述泵浦光经泵浦耦合装置后，入射至所述激光增益介质进入所述谐振腔。
4. 如权利要求1所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述谐振腔为由两个后腔镜和一个输出镜构成的环形腔，所述腔镜之间设置有使激光束只能以行波方式单向传播的法拉第隔离器和λ/2波片，所述泵浦光经泵浦耦合装置后，入射至所述激光增益介质进入所述谐振腔。
5. 如权利要求1或2或3或4所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述激光增益介质为固体、气体和液体中的一种。
6. 如权利要求1或2或3或4所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述主动调Q元件是声光Q开关、电光Q开关和机械Q开关的一种。
7. 如权利要求1或2或3或4所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述后腔镜或输出镜至少一个以光学薄膜的形式镀在所述激光增益介质或主动调Q元件上。
8. 如权利要求1或2或3或4所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述激光器谐振腔内设置有实现调Q或调Q锁模脉冲输出的可饱和吸收体。
9. 如权利要求1或2或3或4所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述激光器谐振腔内设置有实现主振波长以外的激光输出的非线性光学元件。
10. 如权利要求1或2或3或4所述的一种缩短激光输出脉冲宽度的激光器，其特征在于：所述激光增益介质和主动调Q元件集成为同一元件。
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