CN102570271B - 精确控制输出功率/能量的周期调制平顶脉冲装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现周期调制平顶脉冲的装置，包括：偏振光光源，适于提供待调制的偏振光；电光开关，所述电光开关包括电光晶体和电光驱动电源，所述电光晶体适于在被施加电压时将输入的偏振光的相位旋转π；1/2波片，适于将电光开关输出的偏振光的相位旋转π；偏振器件，适于对所接收的偏振光根据其偏振态进行选择性输出；其特征在于：所述电光驱动电源向电光晶体周期性施加半波电压，使得经电光晶体输出的偏振光的偏振态发生周期性的改变，以及所述1/2波片适于通过驱动装置被移出和移入光路。该装置实现输出功率/能量的光学调节，无需改变泵源电流，从而避免激光器内部热焦距变化影响系统稳定性；同时，精度更高和可调谐性更强。
Description
技术领域
本发明涉及激光领域，尤其涉及一种实现精确控制输出功率/能量的周期调制平顶脉冲装置。
背景技术
随着激光技术的迅速发展，从军用到民用、科研到教学、工业到农副业等众多领域，激光技术所起的作用越来越大。
现有的实现周期调制平顶脉冲的方法采用机械斩波的方法，即利用快门直接周期性阻挡光通过与不通过。
机械斩波方法产生的周期调制平顶脉冲的波形的上升沿下降沿缓慢，约为10ms。而且，强激光长时间打在快门上，导致灰尘污染激光器，容易损坏器件。另外，不能精确的控制输出功率/能量的精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种产生周期调制平顶脉冲的装置，应用在激光器中，可以精确控制输出功率/能量的精度。
根据本发明的一个方面，提供一种实现周期调制平顶脉冲的装置，包括依次设置于光路上的下列元件：偏振光光源，适于提供待调制的偏振光；电光开关，所述电光开关包括电光晶体和电光驱动电源，所述电光晶体适于在被施加电压时将输入的偏振光的相位旋转π；1/2波片，适于将电光开关输出的偏振光的相位旋转π；偏振器件，适于对所接收的偏振光根据其偏振态进行选择性输出；其特征在于：所述电光驱动电源向电光晶体周期性施加半波电压，使得经电光晶体输出的偏振光的偏振态发生周期性的改变，以及所述1/2波片适于通过驱动装置被移出和移入光路。
可选的，所述的实现周期调制平顶脉冲的装置还包括：废光收集装置，适于接收来自偏振器件的废光。
可选的，所述驱动装置包括：波片支架，适于固定所述1/2波片；和电动平移台，适于固定所述波片支架，并驱动所述波片支架移动，从而将所述1/2波片移出和移入光路。
可选的，所述波片支架包括：波片固定片和波片镜架；所述1/2波片嵌在波片固定片里，并采用点胶的方式固定；所述波片镜架固定在所述电动平移台上。
可选的，所述波片固定片具有花瓣孔；当所述1/2波片移出光路时，偏振光通过所述花瓣孔，从而避免波片支架在移进移出光路过程中被高功率激光损坏及污染激光器。
可选的，所述的实现周期调制平顶脉冲的装置还包括控制单元；所述控制单元适于发出控制指令到电光驱动电源，以控制加载在电光晶体上电压的时间长度，以调节所输出周期调制平顶脉冲的脉宽，从而调节输出的偏振光的功率。
可选的，所述的实现周期调制平顶脉冲的装置还包括：360度旋转台；所述360度旋转台适于带动所述1/2波片在平面内360度旋转；所述控制单元适于发出控制指令以控制360度旋转台旋转，360度旋转台继而带动所述1/2波片在其平面内旋转一定角度，从而调节调节输出的偏振光的功率。
可选的，所述电光晶体可以是RTP、LiNbO3、LiTaO3、KD*P或BBO等电光晶体。
可选的，所述偏振器件为偏振片或偏振分光棱镜等偏振分光器件。
可选的，所述偏振器件的法向与光路呈布儒斯特角，从而将废光反射到废光收集装置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)输出的周期调制平顶脉冲的波形上升沿下降沿达到3ns以下，时间周期可以实现ns-ms可调；
(2)避免波片支架在移进移出光路过程中被高功率激光损坏及污染激光器；
(3)实现输出功率/能量的光学调节，无需改变泵源电流，从而避免激光器内部热焦距变化影响系统稳定性；同时，精度更高和可调谐性更强。
附图说明
图1是本发明一个实施例中提供的实现周期调制平顶脉冲的装置的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中提供的周期调制的平顶脉冲的示意图；
图3是本发明一个实施例中提供的波片支架和一维电动平移台的结构示意图；
图4是本发明另一个实施例中提供的实现周期调制平顶脉冲的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一个实施例中提供一种实现周期调制平顶脉冲的装置。如图1所示，该装置沿光路走向依次包括：电光开关101，1/2波片102，偏振器件103以及废光收集装置104。其中，主要由电光开关101完成实现周期调制平顶脉冲的功能，输出的周期调制平顶脉冲的波形上升沿下降沿达到3ns以下。1/2波片102用于将水平偏振光转化为垂直偏振光，或将垂直偏振光转化为水平偏振光。偏振器件103可以是偏振片、偏振分光棱镜等可以实现偏振分束功能的元件；本实施例中，偏振器件103透射水平偏振光，反射垂直偏振光，并且将垂直偏振光反射到废光收集装置104中。
电光开关101包括电光晶体1011、电光驱动电源1012；根据电光晶体电光效应原理，如果电光驱动电源1012向电光晶体1011加半波电压，垂直输入晶体的水平偏振光将转化为垂直偏振光。如果周期性加半波电压，经电光晶体输出光的偏振态就会周期性的改变，配合偏振器件，即可输出周期调制的平顶脉冲。这里的“周期调制的平顶脉冲”(即周期调制平顶脉冲)是时间领域的平顶脉冲，而且平顶是对输出功率/能量而言的，并不是波形本身；参见图2，其中输入脉冲201和201′分别对应输出脉冲202和202′，所述输出脉冲202和202′为周期调制的平顶脉冲，在一个周期内包含多个一样的脉冲，而脉冲具体形状(即波形本身)没有限制。如果电光驱动电源1012不对电光晶体1011加压，电光晶体1011相当于平片，不改变输入光的偏振特性。
具体的光路过程如下：
当入射光为水平偏振光时，经过加半波电压的电光晶体101，偏振态改变，变为垂直偏振光，经1/2波片102变为第二水平偏振光，该第二水平偏振光经偏振器件103透射输出。当不需要周期调制的平顶脉冲时，将1/2波片102移出光路，水平偏振光经过没加压的电光晶体101，电光晶体101对光偏振态不改变；水偏振光直接经过偏振器件103透射输出，即输出没有周期调制的平顶脉冲。
当入射光为垂直偏振光时，将图1中的1/2波片102移出光路。经过加半波电压的电光晶体101，偏振态改变，变为水平偏振光经偏振器件103透射输出。当不需要周期调制的平顶脉冲时，将1/2波片102移入光路，垂直偏振光经过没加压的电光晶体101，电光晶体101对光偏振态不改变；垂直偏振光经1/2波片102旋转变为水平偏振光，直接经过偏振器件103透射输出，即输出没有周期调制的平顶脉冲。
水平和垂直偏振光作为输入光经过上述装置后的光路过程描述如表1和表2所示。
表1
注：水平：水平偏振光；垂直：垂直偏振光；加压：一直加压；不加压：一直不加压；透水平反垂直：透射输出水平反射输出垂直；透垂直反水平：透射输出垂直反射输出水平。
表2
为了输出周期调制平顶脉冲，电光晶体周期加半波电压(即一段时间加压，一段时间不加压)。如果电光晶体101的加压时间周期为100μs时(即100μs加压，100μs不加压)，最终输出的平顶脉冲为周期为100μs的偏振光，实现将输出功率降低一半的目的。电光晶体101加压的时间周期可以从ns到ms，普遍的应用范围100μs。
基于前述的光路过程，当入射光为水平偏振光时，在加压时间内，水平偏振光经偏振器件103输出；不加压时间里，水平偏振光经过1/2波片102成为垂直偏振光，偏振器件103反射该垂直偏振光到废光收集装置104；这样，在一段时间里有光输出(经过偏振器件后)，一段时间里无光输出，形成图2的波形，即最后经偏振器件103输出周期调制的平顶脉冲(水平偏振)。
基于前述的光路过程，当入射光为垂直偏振光时，在加压时间内，垂直偏振光经过电光晶体1011成为水平偏振光，不加压时间里，垂直偏振光经偏振器件103反射到废光收集装置104，最后经偏振器件103输出周期调制的平顶脉冲(水平偏振)。
根据对偏振态的使用，也可以选择使用垂直偏振态平顶脉冲。
上述过程中，1/2波片移进、移出使系统提供调节功率/能量和不调节功率/能量的双重功能。
另外，对于任意偏振特性的光，还可以先采用偏振旋转器件将其旋为水平或者垂直偏振态，再采用上述装置。
本发明另一个实施例中，为了使上述1/2波片102能够移出和移入光路，所述实现周期调制平顶脉冲的装置还包括波片支架和一维电动平移台。波片支架用于固定波片，其根据晶体形状(圆形、方形)设计并固定在一维电动平移台上；一维电动平移台带动波片支架在垂直于光传输方向上移动，从而将波片移出和移入光路。
如图3所示，本实施例中的波片支架包括波片固定片1021和波片镜架1022。1/2波片102嵌在花瓣型的波片固定片1021里，并采用点胶的方式固定，此种方式不产生应力形变。具有花瓣孔1023的波片固定片1021装在标准的波片镜架1022内。波片镜架1022固定在一维电动平移台105上，随一维电动平移台105在垂直于光传输方向上实现波片102的移进/移出光路功能。
当移出光路时，光通过花瓣孔1023，能够避免波片支架在移进移出过程中被高功率激光损坏及污染激光器。本实施例中共有4个花瓣孔1023，但是在其他实施例中，其形状和数量都可以根据需要改变。
长时间工作的激光器，由于热影响等因素必定造成输出功率/能量不稳或者缓慢下降。为了获得精确稳定的功率/能量输出，可以将上述装置加在输出光路中，同时在输出光路中增加功率/能量探测反馈系统。
在本发明一个实施例中，提供一种具有精确、稳定功率/能量输出的周期调制平顶脉冲的装置。如图4所示，该装置除了包括上述实现周期调制平顶脉冲的装置以外，还包括控制单元401、功率计/能量计402、旋转控制电源403、360度旋转台404。其中360度旋转台404带动1/2波片102在平面内360度旋转。
第一种精确控制输出功率/能量的方法由控制单元401、功率/能量计402、旋转控制电源403、360度旋转台404实现。当功率/能量计402探测的功率/能量下降或升高时，将信号反馈给控制单元401，控制单元401发出控制指令控制旋转控制电源403，旋转控制电源403驱动旋转台404旋转，旋转台404带动1/2波片102在其平面内旋转，从而调节水平分量与垂直分量比例，使输出功率精确控制在±10mW。
其中，1/2波片的旋转与偏振光水平分量和垂直分量之间的比例关系为：两束光(即o光和e光)在波片(晶片)内不同深度的各点位相差不同，当两束光射出波片后，位相差Δφ＝2π/λ(no-ne)d，对于二分之一波片，(no-ne)d＝±λ/2，即两束光位相差为Δφ＝π，水平偏振光和垂直偏振光位相差为π。引入Δφ＝±(2K+1)π的这种晶片称为半波片(二分之一波片)。对于水平偏振光，偏振入射时的振动面和晶体(半波片)主截面之间的夹角为θ，则透射出来的水平偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。如在一个周期内，当0＜2θ＜π/2时，水平偏振光即引入垂直分量，从而1/2波片的旋转可以调节偏振光水平分量和垂直分量之间的比例。经偏振器件输出的水平偏振光光强I//为入射光强I入乘以cos22θ，即I//＝I入cos22θ，经偏振器件反射的垂直偏振光光强I⊥＝I入sin22θ。
第二种精确控制输出功率/能量的方法由控制单元401、功率/能量计402和电光驱动电源1012实现。当功率计402探测的功率/能量下降或升高时，将信号反馈给控制单元401，控制单元401发出控制指令到电光驱动电源1012以控制加载在电光晶体1011上电压的时间长度，从而调节水平分量与垂直分量比例，与偏振器件配合使输出功率/能量精确控制在±1mW。
另外，上述具有精确、稳定功率/能量输出的周期调制平顶脉冲的装置还可以包括平移控制电源405。对于输入水平偏振光的情况，当不需要周期调制的平顶脉冲时，控制单元401向平移控制电源405发出指令控制一维电动平移台105将波片102移出光路；输入的水平偏振光经过没加压的电光晶体101(电光晶体101对光偏振态不改变)直接经过偏振器件103透射输出没有周期调制的脉冲。
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
Claims (7)
1.一种实现周期调制平顶脉冲的装置，包括依次设置于光路上的下列元件：
偏振光光源，适于提供待调制的偏振光；
电光开关，所述电光开关包括电光晶体和电光驱动电源，所述电光晶体适于在被施加电压时将输入的偏振光的相位旋转π；
1/2波片，适于将电光开关输出的偏振光的相位旋转π；
偏振器件，适于对所接收的偏振光根据其偏振态进行选择性输出；
所述电光驱动电源向电光晶体周期性施加半波电压，使得经电光晶体输出的偏振光的偏振态发生周期性的改变；
所述1/2波片适于通过驱动装置被移出和移入光路；
所述驱动装置包括波片支架和电动平移台，所述波片支架包括波片固定片和波片镜架，适于固定所述1/2波片，所述1/2波片嵌在波片固定片里，并采用点胶的方式固定，所述电动平移台适于固定所述波片支架，并驱动所述波片支架移动，从而将所述1/2波片移出和移入光路，所述波片镜架固定在所述电动平移台上；
其中，所述波片固定片具有花瓣孔，当所述1/2波片移出光路时，偏振光通过所述花瓣孔，从而避免波片支架在移进移出光路过程中被高功率激光损坏及污染激光器。
2.根据权利要求1所述的实现周期调制平顶脉冲的装置，还包括：
废光收集装置，适于接收来自偏振器件的废光。
3.根据权利要求1所述的实现周期调制平顶脉冲的装置，还包括控制单元；
所述控制单元适于发出控制指令到电光驱动电源，以控制加载在电光晶体上电压的时间长度，以调节所输出周期调制平顶脉冲的脉宽，从而调节输出的偏振光的功率。
4.根据权利要求1所述的实现周期调制平顶脉冲的装置，还包括：360度旋转台和控制单元；
所述360度旋转台适于带动所述1/2波片在平面内360度旋转；
所述控制单元适于发出控制指令以控制360度旋转台旋转，360度旋转台继而带动所述1/2波片在其平面内旋转一定角度，从而调节输出的偏振光的功率。
5.根据权利要求1所述的实现周期调制平顶脉冲的装置，其中，所述电光晶体是RTP、LiNbO3、LiTaO3、KD*P或BBO晶体。
6.根据权利要求1所述的实现周期调制平顶脉冲的装置，其中，所述偏振器件为偏振片或偏振分光棱镜。
7.根据权利要求2所述的实现周期调制平顶脉冲的装置，其中，所述偏振器件的法向与光路呈布儒斯特角，从而将废光反射到废光收集装置。
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