CN101527423A - 一种高平均功率高重复频率的固体激光器 - Google Patents

一种高平均功率高重复频率的固体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可以同时实现高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出的固体激光器，所述固体激光器包括采用不同增益介质的振荡级和放大级，所述振荡级产生低平均功率、高重复频率的激光脉冲，所述放大级将所述激光脉冲放大至高平均功率，从而获得高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出。本发明将不同的激光增益介质能够分别实现高功率激光输出和高重复频率激光输出的特性巧妙结合，结构简单，易于实现，可以有效解决单一增益介质固体激光器难以获得高平均功率和高重复频率激光输出的问题。

Description

一种高平均功率高重复频率的固体激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别是涉及一种可以同时实现高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出的固体激光器。
背景技术
激光自1960年发明以来，已经迅速成为社会进步发展的主要推动力量。固体激光器是应用最为广泛的一类激光器，涉及科学研究、生产加工、国防军事、医疗生物等各个领域。高功率高重复频率的激光输出尤其在激光制导武器干扰源、激光雷达等军事领域有非常重要的应用。激光制导干扰概率与激光的重复频率成正比；激光脉冲重复频率的提高，可以使激光雷达的分辨率、信噪比成数量级的增加，并增加激光雷达作用距离，还可使其具备对抗光电干扰的性能。
高功率激光输出方面，如Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)晶体，是高功率固体激光器广泛采用的一种增益介质。2006年美国的Northrop Grumman公司报道了端面泵浦Nd:YAG板条放大链相干合成输出19kW连续激光的结果(详见G.D.Goodno，et al.，Coherentcombination of high-power，zigzag slab lasers，Optics Letter 31，1247-1249(2006))。Nd:YAG的饱和光强高，耐热系数大，具有优越的热性能和机械性能，能够承受非常高的泵浦功率密度，易于实现功率的拓展，是实现千瓦级以上连续激光输出的理想增益介质。但是Nd:YAG的上能级寿命长，受激发射截面相对较小，调Q方式无法实现100kHz以上重复频率的脉冲输出.目前调Q能够实现的脉冲最高重复频率约为50kHz。
高重频激光脉冲输出方面，如Nd:YVO4(掺钕的钒酸钇)晶体，是固体激光器产生高重复频率脉冲常用的一种增益介质。Nd:YVO4具有很大的受激发射截面，对脉冲的增益高，同时能级寿命短，易于产生极高重复频率的脉冲输出。2007年本实验室报道了声光调Q掠入射Nd:YVO4振荡器实现1MHz以上重复频率的脉冲输出(详见He F，et al.，Stable acousto-optics Q-switched Nd:YVO4 laser at 500kHz，Laser Physics Letters，4(7)511-514(2007))。但是Nd:YVO4的耐热系数小，高泵浦功率密度下晶体会发生断裂，同时晶体的饱和光强相对较小，因而采用Nd:YVO4作为增益介质的激光器最高输出功率为100W左右，无法实现千瓦级功率的输出。
目前的固体激光器难以同时实现高功率和高重复频率的激光脉冲输出。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的就在于提供一种可以同时实现高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出的固体激光器。
为实现上述目的，本发明的技术方案是采用一种高平均功率高重复频率的固体激光器，包括增益介质不同的振荡级和放大级，所述振荡级用于产生低平均功率、高重复频率的激光脉冲，所述放大级用于将所述激光脉冲放大至高平均功率，从而获得高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出。
其中，所述振荡级包括：
用于提供泵浦光的泵浦源；
用于提供增益的振荡级增益介质；
对泵浦波长高透、对激光波长高反的振荡级双色镜；
全反镜；
用于对激光进行调制从而产生低平均功率高重复频率激光脉冲的脉冲调制器；
输出镜；
所述振荡级双色镜、振荡级增益介质、全反镜、脉冲调制器、输出镜组成所述振荡级的谐振腔，所产生的激光在所述谐振腔振荡，由输出镜输出。
其中，所述脉冲调制器采用Q开关方式或者腔倒空方式。
其中，所述放大级包括：
对泵浦波长高透、对激光波长高反的放大级双色镜；
对第平均功率高重复频率的激光脉冲进行放大的放大级增益介质。
其中，所述固体激光器包括1个或多个放大级。
其中，所述增益介质是固体激光增益介质，选自激光晶体、激光玻璃介质、激光塑料介质或激光陶瓷介质中的任意一种。
其中，所述增益介质为单一激光增益介质，或包含一个或多个掺杂区域。
其中，所述固体激光器的激光传输可采用直通光路或者锯齿形光路传输。
其中，所述固体激光器采用选自端面泵浦、侧面泵浦、边缘泵浦、角泵浦中任意一种的泵浦方式。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)、本发明提出的固体激光器，振荡级和放大级采用不同的增益介质，振荡级产生低平均功率、高重复频率的激光脉冲，放大级将低平均功率的激光脉冲放大至高平均功率，从而获得高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出。
(2)、采用本发明的固体激光器，可以通过分别调整振荡级和放大级的结构，独立地优化激光的功率特性和脉冲重频特性，有利于提高系统的效率、提高脉冲稳定性、改善输出激光的光束质量。本发明将不同的激光增益介质能够分别实现高功率激光输出和高重复频率激光输出的特性巧妙结合，结构简单，易于实现，可以有效解决单一增益介质固体激光器难以获得高平均功率和高重复频率激光输出的问题。本发明可以广泛用于各种固体激光器中。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是本发明另一实施例的结构示意图；
图3是本发明中间键合后掺杂区域结构示意图；
图4是图3中B-B剖面的矩形横截面示意图；
图5是图3中B-B剖面的圆形横截面示意图；
图6是本发明采用锯齿形光路进行激光传输的示意图；
图7是本发明采用另一种锯齿形光路进行激光传输的示意图。
图中：1、振荡级；2、放大级；3、泵浦源；4、泵浦耦合系统；5、泵浦光；6、振荡级双色镜；7、振荡级增益介质；8、脉冲调制器；9、全反镜；10、输出镜；11、脉冲输出；12、放大级增益介质；13、激光脉冲；14、预放大级；15、预放大级脉冲输出；16、掺杂区域；17、入射光束；18、出射光束。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。下面各实施例中相同的部件采用相同的标号。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1的固体激光器由振荡级1和放大级2组成，其中，振荡级1包括用于提供泵浦光5的泵浦源3，泵浦耦合系统4，双色镜6，振荡级增益介质7(Nd:YVO4晶体)，脉冲调制器8(声光调制器件)，全反镜9，输出镜10。振荡级1产生的低平均功率高重复频率脉冲输出11。放大级包括放大级双色镜，放大级增益介质12(Nd:YAG晶体)。放大级输出的高平均功率高重复频率激光脉冲13。振荡级1中，泵浦光5由泵浦源3发出，经耦合系统4入射到振荡级增益介质7。双色镜6镀有膜层，对泵浦波长高透，对激光波长高反。全反镜9和输出镜10组成振荡级的谐振腔，脉冲调制器8对激光进行Q调制，产生低平均功率高重复频率的激光脉冲11。放大级2的泵浦结构与振荡级1相同，放大级增益介质12对振荡级的输出11进行放大，获得高平均功率高重复频率的激光脉冲13。其中，振荡级的增益介质Nd:YVO4的增益谱的中心波长约为1064.29nm，放大级的增益介质Nd:YAG晶体的增益谱的中心波长约为1064.42nm，两者相差很小，经计算两波长的不匹配造成提取效率下降仅10％，确保采用这两种不同增益介质的结构能够实现高平均功率高重复频率的激光输出，同时保持较高的光光效率。
实施例2
实施例2如图2所示，本发明实施例2的固体激光器由振荡级1、预放大级14和放大级2组成。振荡级1包括泵浦源3，泵浦耦合系统4，泵浦光5，双色镜6，振荡级的增益介质7(Nd:YVO4晶体)，脉冲调制器件8(声光调制器件)，全反镜9，输出镜10。振荡级产生的低平均功率高重复频率脉冲输出11，预放大级的输出15，放大级的增益介质12(Nd:YAG晶体)，放大级输出的高平均功率高重复频率激光脉冲13。振荡级激光器中，泵浦光5由泵浦源3发出，经耦合系统4入射到增益介质7。双色片6镀有膜层，对泵浦波长高透，对激光波长高反。全反镜9和输出镜10组成振荡级的谐振腔，脉冲调制器件8对激光进行Q调制，产生低平均功率高重复频率的激光脉冲11。预放大级和放大级的泵浦结构与振荡级相同，预放大级14采用和振荡级1相同的增益介质，预放大级中的增益介质对振荡级的输出11进行放大，放大级增益介质12对预放大级的输出15进行放大，获得高平均功率高重复频率的激光脉冲13。采用预放大级是为了将振荡级的输出功率提升一个水平，从而提高放大级的提取效率。本实施例中，预放大级14只有一个预放大模块，为了实现功率的拓展，预放大级14可以由多个模块组成。
上述各实施例中，放大级2只有一个放大模块，为了实现功率的拓展，放大级2可以由多个模块组成。
上述各实施例中，振荡级1的增益介质为Nd:YVO4，放大级2的增益介质为Nd:YAG，只是列出了其中一种可能，实际上振荡级1和放大级2只要采用不同增益介质，即为本发明所涵盖的范围。
上述各实施例中，增益介质7和12由固体激光材料构成，其横截面采用长方形或者正方形。增益介质7和12可以为单一的激光增益介质，也可以包括一个或多个掺杂区域，如图3所示，在增益介质7和12的中心部分包括一个掺杂区域16，四周为未掺杂材料。如图4所示，掺杂区域16的横截面可以是矩形，或者如图5所示为圆形，还可以是其它形状。
上述各实施例中，固体激光器的激光传输可采用直通光路或者锯齿形光路传输。如图6所示，锯齿形光路可以在一定程度上均化板条型增益介质7、12内部的温度梯度，降低热透镜效应和应力双折射效应。锯齿形光路可以具有各种不同的形式，比如激光传输的入射光束17和出射光束18位于相反的两端(如图6所示)；再比如：入射光束17和出射光束18位于同一端(如图7所示)；还可以有其它传输方式，不再一一列举。
上述各实施例中，各模块均采用端面泵浦方式，也可以侧面泵浦、边缘泵浦、角泵浦等其他任意一种泵浦方式。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1、一种高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，包括增益介质不同的振荡级和放大级，所述振荡级用于产生低平均功率、高重复频率的激光脉冲，所述放大级用于将所述激光脉冲放大至高平均功率，从而获得高平均功率和高重复频率的激光脉冲输出。
2、如权利要求1所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述振荡级包括：
用于提供泵浦光的泵浦源；
用于提供增益的振荡级增益介质；
对泵浦波长高透、对激光波长高反的振荡级双色镜；
全反镜；
用于对激光进行调制从而产生低平均功率高重复频率激光脉冲的脉冲调制器；
输出镜；
所述振荡级双色镜、振荡级增益介质、全反镜、脉冲调制器、输出镜组成所述振荡级的谐振腔，所产生的激光在所述谐振腔振荡，由输出镜输出。
3、如权利要求2所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述脉冲调制器采用Q开关方式或者腔倒空方式。
4、如权利要求1所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述放大级包括：
对泵浦波长高透、对激光波长高反的放大级双色镜；
对第平均功率高重复频率的激光脉冲进行放大的放大级增益介质。
5、如权利要求4所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述固体激光器包括1个或多个放大级。
6、如权利要求1所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述增益介质是固体激光增益介质，选自激光晶体、激光玻璃介质、激光塑料介质或激光陶瓷介质中的任意一种。
7、如权利要求6所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述增益介质为单一激光增益介质，或包含一个或多个掺杂区域。
8、如权利要求1～7中任意之一所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述固体激光器的激光传输可采用直通光路或者锯齿形光路传输。
9、如权利要求8所述的高平均功率高重复频率的固体激光器，其特征在于，所述固体激光器采用选自端面泵浦、侧面泵浦、边缘泵浦、角泵浦中任意一种的泵浦方式。
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