CN102208742A - 传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器 - Google Patents
传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器 Download PDFInfo
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Abstract
一种传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，利用改进的谐振探测方法获得了种子注入单频脉冲激光。激光谐振腔采用U形腔，两个高峰值功率的LD从端面泵浦激光晶体，利用高精度的TEC来给激光晶体控温。随着压电陶瓷上所加电压的变化，两次从布儒斯特角起偏片反射出来的种子光发生干涉，时序控制系统处理光电二极管接收到的干涉信号，并在极大值时打开调Q开关，输出近衍射极限的单频脉冲激光。根据出光时间的变化，系统给出负反馈，使腔长保持稳定。本发明有着高重复频率、高能量、传导冷却、窄线宽、高频率稳定性、结构紧凑和工作稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光器，特别是一种传导冷却的高重频频率Nd:YAG单频激光器。
背景技术
机载和星载雷达是测量地球表面形貌、风速场、CO2和O3分布的一种非常有效的手段。激光雷达中最基本最重要的就是激光光源，因此发明性能可靠的传导冷却高重复频率单频激光器对于地球科学研究有着很重要的意义。
目前已报道的单频脉冲激光器的重复频率都不高，一般为100Hz或者200Hz，如何在实现单频输出的同时提高激光器的脉冲重复频率也一直是当前激光雷达用激光器的研究热点。对于种子注入的单频脉冲激光器，实现的具体腔长控制方法主要有建立时间最小化方案，谐振探测方案，以及在此基础上改进的谐振探测方案。建立时间最小化方案在每次出光之后对腔长进行调节，使调Q的建立时间最短。这种方案能保证输出能量的稳定度，对器件的要求也低，但抗干扰性比较差。谐振探测方案在每次的泵浦周期内扫描腔长，在合适的时间打开调Q开关。这种方法能输出近100％的单频脉冲激光，但出光的时间抖动，相应地脉冲能量抖动比较大。改进的谐振探测方案，如扫描-保持-触发，就是在扫描腔长找到合适的出光点之后，让腔长保持一段时间，在泵浦结束的时候打开调Q开关。这种方案的出光时间很稳定，但是在腔长保持的这段时间内，也容易受外界干扰，频率的稳定性不好。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种传导冷却的高重复频率单频激光器，该激光器应具有高重复频率、高能量、传导冷却、窄线宽、高频率稳定性、结构紧凑和工作稳定的特点。
本发明的工作原理：
一种传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，利用改进的谐振探测方法获得了种子注入单频脉冲激光；激光谐振腔采用U形腔，两个高峰值功率的LD从端面泵浦激光晶体，利用高精度的TEC来给激光晶体控温；随着压电陶瓷上所加电压的变化，两次从布儒斯特角起偏片反射出来的种子光发生干涉，时序控制系统处理光电二极管接收到的干涉信号，并在极大值时打开调Q开关，输出近衍射极限的单频脉冲激光；根据出光时间的变化，系统给出负反馈，使腔长保持稳定。
本发明的技术解决方案如下：
一种传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，特点在于其结构包括腔外种子光路部分，U形从动谐振腔及电学控制处理部分三部分：
所述的腔外种子光路部分由沿光路方向依次的种子激光器、隔离器、半波片、第一四分之一波片、耦合透镜组和与光路成45°放置的第一反射镜和第二反射镜组成，所述的第一反射镜和第二反射镜使种子光进入谐振腔内，并且光路与谐振腔的振荡光路一致；
所述的U形从动谐振腔包括后腔镜和输出镜，由后腔镜至输出镜之间依次是调Q晶体KD*P、第二四分之一波片、布儒斯特角起偏片、第三四分之一波片、第一分光镜、键合Nd:YAG晶体、第二分光镜、第四四分之一波片和负透镜，所述的第一分光镜和第二分光镜与光路成45°放置，对808nm高透，且对1064nm高反，形成“U”型谐振腔；该谐振腔采用双端泵浦，一端由第一泵浦源、第一泵浦耦合系统构成，另一端由第二泵浦源和第二泵浦耦合系统构成；
所述的电学控制处理部分由光电二极管、紧固于后腔镜的第一压电陶瓷、紧固于输出镜的第二压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源和时序控制系统构成，所述的压电陶瓷驱动电源的输出端分别与所述的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的输入端相连，所述的时序控制系统的输入端接所述的光电二极管的输出端，所述的时序控制系统的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动电源的输入端、所述的调Q晶体KD*P的控制端、键合Nd:YAG晶体的控制端相连；
所述的时序控制系统通过压电陶瓷驱动电源在每个脉冲泵浦期内在第二压电陶瓷上施加一斜坡电压，以调整激光谐振腔长，所述的调Q晶体KD*P、四分之一波片和布儒斯特角起偏片构成升压式电光调Q开关，当时序控制系统检测到所述的光电二极管上种子光经过从动谐振腔形成的干涉信号的峰值时，将所述的电光调Q开关打开，随即输出单频激光，所述的第一压电陶瓷在每次输出激光之后，所述的压电陶瓷驱动电源给所述的第一压电陶瓷施加一直流电压，以保持出光时间的稳定。
所述的后腔镜的透过率为5％，输出镜的透过率为60％。
所述的增益介质是键合Nd:YAG晶体，利用热电制冷片来控温以到达高的温控精度。
所述的第一泵浦源和第二泵浦源是输出峰值功率为150W输出波长808nm的两个高功率半导体激光器，都工作在脉冲方式。
所述的泵浦耦合系统把从LD的尾纤输出的泵浦光准直聚集，以进入激光增益介质。
所述的分光镜是对808nm高透，且对1064nm高反的分光镜。
所述的第三四分之一波片和第四四分之一波片用来消除空间烧孔效应，各个纵模间形成抑制性竞争。
所述的负透镜用于补偿高功率泵浦下的热透镜效应。
本发明的技术效果如下：
该激光器采用激光二极管(LD)双端泵浦激光晶体和传导冷却方式，利用另一种改进的谐振探测方法获得了种子注入单频脉冲激光。在每个泵浦期内给第二压电陶瓷上加载斜坡电压，随着压电陶瓷上所加电压的变化，两次从布儒斯特角起偏片反射出来的种子光发生干涉，时序控制系统处理光电二极管接收到的信号，并在特定时候打开调Q开关，输出近衍射极限的脉冲激光，另一压电陶瓷根据出光时间对腔长做出负反馈，保持腔长稳定。激光谐振腔采用U形腔，采用两个高峰值功率的LD从端面泵浦激光晶体，利用高精度的热电制冷片(TEC)来给激光晶体控温。
利用非平面环形激光器作为种子激光器，采用种子注入的方法来实现单频调Q激光器，具体采用改进的谐振探测方法来控制腔长。激光器谐振腔选用U型驻波腔，采取双端泵浦。
本发明具有以下优点：
1、利用种子注入，可以得到近衍射极限的窄线宽单频脉冲激光。
2、采用键合晶体，减小晶体的热效应。
3、采用U形腔，结构紧凑，体积小。此外，利用双端泵浦有助于提高泵浦功率且减小纵向温度梯度，从而提高单脉冲能量。
4、采用此种泵浦结构，可实现高重复频率的单频脉冲输出。
5、该激光器采用主动温控主动散热。高精度的TEC温控是输出激光高频率稳定性的主要保障，TEC产生的热量通过传导冷却带走。这使得该激光器不仅能适应一般的工作环境要求，还能适应机载和星载要求。
附图说明
图1是本发明激光器的光学系统图；
图2是电学控制处理连接图；
图3是第二压电陶瓷(3-3)加上扫描电压时种子光的干涉信号。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明激光器的光学系统图，由图可见，本发明传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器的结构包括腔外种子光路部分1，U形从动谐振腔2及电学控制处理部分3三部分：
所述的腔外种子光路部分1由沿光路方向依次的种子激光器1-1、隔离器1-2、半波片1-3、第一四分之一波片1-4、耦合透镜组1-5和1-6和与光路成45°放置的第一反射镜1-7和第二反射镜1-8组成，所述的45°反射镜组1-7和1-8使种子光进入谐振腔2内，并且光路与谐振腔的振荡光路一致；
所述的U形从动谐振腔2包括后腔镜2-6和输出镜2-13，由后腔镜2-6至输出镜2-13依次是调Q晶体KD*P2-7、第二四分之一波片2-8、布儒斯特角起偏片2-9、第三四分之一波片2-10、第一分光镜2-4、键合Nd:YAG晶体2-5、第二分光镜2-14、第四四分之一波片2-11和负透镜2-12，所述的第一分光镜2-4和第二分光镜2-14与光路成45°，对808nm高透，且对1064nm高反，形成“U”型谐振腔；该谐振腔采用双端泵浦，一端由第一泵浦源2-1、第一泵浦耦合系统2-2和2-3构成，另一端由第二泵浦源2-17和第二泵浦耦合系统2-15和2-16构成；
所述的电学控制处理部分3由光电二极管3-1、紧固于后腔镜2-6的第一压电陶瓷3-2、紧固于输出镜2-13的第二压电陶瓷3-3、压电陶瓷驱动电源3-4和时序控制系统3-5构成，所述的压电陶瓷驱动电源3-4的输出端分别与所述的第一压电陶瓷3-2和第二压电陶瓷3-3的输入端相连，所述的时序控制系统3-5的输入端接所述的光电二极管的输出端相连，所述的时序控制系统3-5的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动电源3-4的输入端、所述的调Q晶体KD*P2-7的控制端、第一泵浦源2-1和第二泵浦源2-17的控制端相连，如图2所示；
所述的时序控制系统3-5在每个工作周期的起始点给第一泵浦源2-1和第二泵浦源2-17触发信号，二者发出泵浦光到激光晶体上，通过压电陶瓷驱动电源3-4在每个脉冲泵浦期内在第二压电陶瓷3-3上施加一斜坡电压，以调整激光谐振腔长，所述的调Q晶体KD*P2-7、四分之一波片2-8和布儒斯特角起偏片2-9构成升压式电光调Q开关，当时序控制系统3-5检测到所述的光电二极管3-1上种子光经过从动谐振腔2形成的干涉信号的峰值时，将所述的电光调Q开关2-7打开，随即输出单频激光，所述的第一压电陶瓷3-2在每次输出激光之后，所述的压电陶瓷驱动电源3-4给所述的第一压电陶瓷3-2施加一直流电压，以保持出光时间的稳定。
所述的后腔镜2-6的透过率为5％，输出镜2-13的透过率为60％。
所述的增益介质2-5是键合Nd:YAG晶体，利用热电制冷片(TEC)来控温以到达高的温控精度。
所述的第一泵浦源2-1和第二泵浦源2-17是输出峰值功率为150W输出波长808nm的两个高功率半导体激光器，都工作在脉冲方式。
所述的泵浦耦合系统2-2、2-3把从LD的尾纤输出的泵浦光准直聚集，以进入激光增益介质。
所述的第一泵浦源分光镜2-4和第二泵浦源分光镜2-14都是对808nm高透，且对1064nm高反的分光镜。
所述的第三四分之一波片2-10和第四四分之一波片2-11用来消除空间烧孔效应，各个纵模间形成抑制性竞争。
所述的负透镜2-12用于补偿高功率泵浦下的热透镜效应。
种子激光器1-1输出单频连续激光，线宽在kHz量级，输出功率为500mW。两个串联的隔离器1-2提供大于60dB的隔离度，防止谐振腔产生的激光从后腔镜出来进入种子激光器1-1，干扰种子激光器的正常工作。半波片1-3和第一四分之一波片1-4，二者的组合可以产生椭圆偏振光。两个耦合透镜1-51-6对种子激光束进行变换耦合，使得种子激光在谐振腔内与其自身的振荡光束有着同样光斑大小。种子光经后腔镜2-6进入到谐振腔内，经过布儒斯特角起偏片2-9时s光被反出腔外，透过的p光再经过一个来回后在该起偏片2-9之前变成了s光，也被反出腔外。两次反出的s光相干涉，其干涉信号包含了腔长信息。晶体两端的四分之一波片2-10、2-11是为了消除驻波腔的空间烧孔效应，使各个纵模之间形成抑制性竞争。
在这种改进的谐振探测方法中，两个压电陶瓷3-2和3-3上都加有电压，但加载电压的大小和时间都不同，一个第二压电陶瓷3-3是在泵浦LD工作期间加的斜坡电压，第一压电陶瓷3-2是在出光之后加载负反馈电压。当与输出腔镜连在一起的第二压电陶瓷3-3上开始加斜坡电压时，时序控制系统3-5分析并处理光电二极管3-1上检测到的干涉信号，如图3所示，并向所述的电光调Q开关2-7给出调Q触发，激光器输出脉冲光。这个时候腔内形成并输出单频脉冲激光，根据出光的具体时间给第一压电陶瓷3-2加上负反馈电压，以保持腔长的稳定性，相应地减小了输出光频率的抖动和脉冲能量的抖动。
这样每个周期内调Q开关都是在同一时间打开，保持了脉冲能量的稳定性和激光频率的稳定性。
下面是本发明一个具体实施的参数：
泵浦采用峰值功率为150W中心波长808nm的脉冲运转激光二极管，泵浦周期为1ms，占空比为26％。增益介质采用φ4*40的键合晶体棒YAG/Nd:YAG/YAG，中间的30mm为掺杂区，掺杂浓度为0.3at.％，两端各5mm不掺杂。谐振腔腔长为410mm，后腔镜和输出镜都是平镜，采用磷酸二氘钾(KD*P)做电光调Q晶体。利用改进的谐振探测方法获得了种子注入单频脉冲激光，在1000Hz的脉冲重复频率下输出8mJ脉冲能量的1064nm单频脉冲激光，并且有着接近极限的频谱宽度和高的频率稳定性。输出激光脉宽(FWHM)11ns，线宽约54.2MHz，且在2分钟内激光频率的绝对漂移小于3.5MHz。
实验表明，本发明具有高重复频率、高能量、传导冷却、窄线宽、高频率稳定性、结构紧凑和工作稳定的特点。
Claims (8)
1.一种传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，特征在于其结构包括腔外种子光路部分(1)，U形从动谐振腔(2)及电学控制处理部分(3)三部分：
所述的腔外种子光路部分(1)由沿光路方向依次的种子激光器(1-1)、隔离器(1-2)、半波片(1-3)、第一四分之一波片(1-4)、耦合透镜组(1-5和1-6)和与光路成45°放置的第一反射镜(1-7)和第二反射镜(1-8)组成，所述的45°反射镜组(1-7和1-8)使种子光进入谐振腔(2)内，并且光路与谐振腔的振荡光路一致；
所述的U形从动谐振腔(2)包括后腔镜(2-6)和输出镜(2-13)，由后腔镜(2-6)至输出镜(2-13)依次是调Q晶体KD*P(2-7)、第二四分之一波片(2-8)、布儒斯特角起偏片(2-9)、第三四分之一波片(2-10)、第一分光镜(2-4)、键合Nd:YAG晶体(2-5)、第二分光镜(2-14)、第四四分之一波片(2-11)和负透镜(2-12)，所述的第一分光镜(2-4)和第二分光镜(2-14)与光路成45°，对808nm高透，且对1064nm高反，形成“U”型谐振腔；该谐振腔采用双端泵浦，一端由第一泵浦源(2-1)、第一泵浦耦合系统(2-2和2-3)构成，另一端由第二泵浦源(2-17)和第二泵浦耦合系统(2-15和2-16)构成；
所述的电学控制处理部分(3)由光电二极管(3-1)、紧固于后腔镜(2-6)的第一压电陶瓷(3-2)、紧固于输出镜(2-13)的第二压电陶瓷(3-3)、压电陶瓷驱动电源(3-4)和时序控制系统(3-5)构成，所述的压电陶瓷驱动电源(3-4)的输出端分别与所述的第一压电陶瓷(3-2)和第二压电陶瓷(3-3)的输入端相连，所述的时序控制系统(3-5)的输入端接所述的光电二极管的输出端相连，所述的时序控制系统(3-5)的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动电源(3-4)的输入端、所述的调Q晶体KD*P(2-7)的控制端、第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-17)的控制端相连；
所述的时序控制系统(3-5)在每个工作周期的起始点给第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-17)触发信号，二者发出泵浦光到激光晶体上，通过压电陶瓷驱动电源(3-4)在每个脉冲泵浦期内在第二压电陶瓷(3-3)上施加一斜坡电压，以调整激光谐振腔长，所述的调Q晶体KD*P(2-7)、四分之一波片(2-8)和布儒斯特角起偏片(2-9)构成升压式电光调Q开关，当时序控制系统(3-5)检测到所述的光电二极管(3-1)上种子光经过从动谐振腔(2)形成的干涉信号的峰值时，将所述的电光调Q开关(2-7)打开，随即输出单频激光，所述的第一压电陶瓷(3-2)在每次输出激光之后，所述的压电陶瓷驱动电源(3-4)给所述的第一压电陶瓷(3-2)施加一直流电压，以保持出光时间的稳定。
2.根据权利要求1所述的传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，其特征在于所述的后腔镜(2-6)的透过率为5％，输出镜(2-13)的透过率为60％。
3.根据权利要求1所述的传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，其特征在于所述的增益介质(2-5)是键合Nd:YAG晶体，利用热电制冷片(TEC)来控温以到达高的温控精度。
4.根据权利要求1所述的传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，其特征在于所述的第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-17)是输出峰值功率为150W输出波长808nm的两个高功率半导体激光器，都工作在脉冲方式。
5.根据权利要求1所述的传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，其特征在于所述的泵浦耦合系统(2-2、2-3)把从LD的尾纤输出的泵浦光准直聚集，以进入激光增益介质。
6.根据权利要求1所述的传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，其特征在于所述的泵浦源分光镜(2-4)是对808nm高透，且对1064nm高反的分光镜。
7.根据权利要求1所述的传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，其特征在于所述的第二四分之一波片(2-10)和第三四分之一波片2-11)用来消除空间烧孔效应，各个纵模间形成抑制性竞争。
8.根据权利要求1所述的传导冷却的高重复频率Nd:YAG单频激光器，其特征在于所述的负透镜(2-12)用于补偿高功率泵浦下的热透镜效应。
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