CN102570278B - 高稳输出周期调制平顶脉冲装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高稳输出周期调制平顶脉冲装置，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/2；反射结构，使电光晶体输出的偏振光沿原路返回；第一偏振器件，适于对所接收的来自电光开关的偏振光根据其偏振态进行选择性输出；其中，所述电光驱动电源向电光晶体周期性施加1/4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。上述装置能够实现输出功率/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。

Description

高稳输出周期调制平顶脉冲装置

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种高稳输出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输出周期调制平顶脉冲的装置，使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。

另外，此设计代替机械斩波器件，能够避免激光器污染。同时，可以精确控制输出功率/能量的精度，高稳输出周期调制平顶脉冲。

根据本发明的一个方面，提供一种高稳输出周期调制平顶脉冲装置，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/2；

反射结构，使电光晶体输出的偏振光沿原路返回；

第一偏振器件，适于对所接收的来自电光开关的偏振光根据其偏振态进行选择性输出；

其中，所述电光驱动电源向电光晶体周期性施加1/4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。

可选的，所述的实现周期调制平顶脉冲的装置还包括：

磁光隔离组件，用于隔离来自第一偏振器件的反射回光；

第二偏振器件，适于对所接收的来自磁光隔离组件的偏振光根据其偏振态进行选择性输出；和

废光收集装置，适于接收来自第二偏振器件的废光；

所述磁光隔离组件包括：法拉第旋光器和二分之一波片。

可选的，所述装置还包括：

1/4波片，适于将电光开关输出的偏振光的相位旋转π/2；

所述1/4波片适于通过驱动装置被移出和移入光路。

可选的，所述驱动装置包括：

波片支架，适于固定所述1/4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1/4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1/4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；

所述波片固定片具有花瓣孔；当所述1/4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1/4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1/4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。

可选的，所述电光晶体可以是RTP、LiNbO₃、LiTaO₃、KD*P或BBO晶体。

可选的，所述反射结构为电光晶体后表面镀的高反射膜，或与电光晶体后表面紧密靠近的反射镜。

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；

采用电光晶体加载四分之一波电压工作模式，降低电光驱动的高压，减少驱动源功耗，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。

(4)结构小巧紧凑、安装调试容易、便于工程化推广，本发明可在各种激光器使用，实现获得周期调制平顶脉冲的功能及需要调谐激光功率/能量的激光设备中。

附图说明

图1为本发明一个实施例中提供一种输出周期调制平顶脉冲的装置的示意图；

图2为本发明另一个实施例中提供的周期调制的平顶脉冲的示意图；

图3为本发明另一个实施例中提供一种输出周期调制平顶脉冲的装置的示意图；

图4是本发明另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5为本发明另一个实施例中提供一种输出周期调制平顶脉冲的装置的示意图。

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。

为了更好的理解本发明的原理，首先介绍法拉第旋光器和二分之一波片的性质。

法拉第旋光器包括右旋和左旋两种，其中，右旋使偏振光的振动面/振动矢量顺时针转45°，左旋使偏振光的振动面/振动矢量逆时针转45°。以顺时针旋转为例，法拉第旋光器将入射光顺时针转45°。偏振光反向通过法拉第旋光器时，仍将光顺时针转45°。相似地，逆时针旋转的法拉第旋光器(左旋)对于正向和反向通过的偏振光都逆时针旋转45°。

而二分之一波片将正向入射光顺时针转2θ；而当偏振光反向通过二分之一波片时则逆时针转2θ。其中θ表示入射偏振光的振动方向与波片的光轴夹角。

法拉第旋光器和二分之一波片结合使用，可以保证在入射时，偏振光的偏振态不发生改变，在出射时，偏振光的偏振面旋转90度，即从垂直偏振光转换为水平偏振光，或从水平偏振光转换为垂直偏振光。也可以入射改变偏振态，出射不改变偏振态。

本发明一个实施例中提供一种输出周期调制平顶脉冲的装置，如图1所示；为了清楚的说明本发明的光路，其中的实线光线表示反射前的光路，虚线光线表示反射后的光路。

参考图1，该装置沿入射光方向的光路走向依次包括：偏振器件101，磁光隔离组件102，偏振器件103，电光开关104，反射镜105。

偏振器件101、103是偏振片或偏振分光棱镜等可以实现偏振分束功能的元件，对偏振器件的应用方式一般为水平偏振光透射、垂直偏振光反射。

磁光隔离组件102用于隔离后级反射回光，避免后级系统影响前级系统；例如，将此装置装在激光器后面，就不会影响前面激光器的运行，因为回光被反射掉，不会沿光路原路返回。

磁光隔离组件102进一步包括1/2波片1021、磁光隔离器1022(即法拉第旋光器)。

电光开关104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。

电光开关104进一步包括电光晶体1041、电光驱动电源1042。如果电光驱动电源1042向电光晶体1041加1/4波电压。

经1/2波片1021和磁光隔离器1022偏振旋转的水平偏振光变为垂直偏振光，垂直偏振光经偏振片反射，经加1/4波电压的电光晶体将转化为圆偏振光，圆偏振光再次经过加1/4波电压的电光晶体1041，圆偏振光将转化为水平偏振光。如果电光驱动电源1042不对电光晶体1041加压，电光晶体1041相当于平片，不改变输入光的偏振特性。

需要注意的是，为了保证反射回来的光正好在电光晶体加压周期进入电光晶体，后反射镜105零距离的贴近电光晶体1041。反射镜105也可以通过将电光晶体后表面镀高反射膜来替代。

该输出周期调制平顶脉冲的装置的具体光路过程如下：

当入射光为水平偏振光时，透射经过偏振片101再经磁光隔离组件102变为垂直偏振光，由偏振片103反射进入加1/4波电压的电光晶体1041，垂直偏振光变为圆偏振光，经反射镜105反射再次经过加1/4波电压的电光晶体1041，圆偏振光变成水平偏振光，再经偏振片103透射输出。周期内经过不加压电光晶体的垂直偏振光，偏振无旋转，经反射镜105反射经偏振器件103反射输出，再经磁光隔离组件102反射进入废光收集装置106。

当入射光为垂直偏振光时，将废光收集装置106和入射光位置调换，垂直偏振光经偏振片101反射，再经磁光隔离组件102仍为垂直偏振光(此时1/2波片旋光角度与磁光隔离器旋光角度互为相反数，相加为零)，由偏振片103反射进入加1/4波电压的电光晶体1041，垂直偏振光变为圆偏振光，经反射镜105反射再次经过加1/4波电压的电光晶体1041，圆偏振光变成水平偏振光，再经偏振片103透射输出。周期内经过不加压电光晶体的垂直偏振光，偏振无旋转，经反射镜105反射经偏振器件103反射输出，再经磁光隔离组件102反射进入废光收集装置106(此时，106在入射光位置)。

另外，对于任意偏振特性的光，还可以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。

如果电光驱动电源1042对电光晶体1041周期性加1/4波电压，经电光晶体1041输出光的偏振态就会周期性的改变，配合偏振器件，输出周期调制的平顶脉冲。

所述的“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。

电光驱动电源1042对电光晶体1041周期性加1/4波电压，使得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，即形成图2的波形，即周期调制的平顶脉冲。根据对偏振态的使用，也可以选择生成垂直偏振态平顶脉冲。

另外，电光晶体1041加压的时间周期可以从ns-ms，普遍的周期范围100μs，电压为1/4波电压。例如，电光晶体1041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。根据实际需要，可以调整加压和不加压时间周期，来达到精确控制输出功率，此功能可以应用在需要精确控制输出功率的激光系统中。

为了既可以实现周期调制平顶脉冲的输出、又能实现非周期调制平顶脉冲的输出，本发明的另一个实施例中，提供一种输出周期调制平顶脉冲的装置。如图3所示，与图1中的装置相比，区别在于：还包括1/4波片107。

当不需要调制输出平顶脉冲时，将1/4波片移入光路(以入射光为水平偏振光为例)如下：

水平偏振光透射经过偏振片101再经磁光隔离组件102变为垂直偏振光，垂直偏振光经过1/4波片107变为圆偏振，再经没加压的电光晶体1041，对光不旋转，经过反射镜105的反射，再经没加压的电光晶体1041，对光不旋转，再经1/4波片107，圆偏振光变成水平偏振光直接经过偏振片103透射输出没有周期调制的脉冲。

本发明另一个实施例中，为了使上述1/4波片107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108。波片支架用于固定1/4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108上；一维电动平移台108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4所示，本实施例中的波片支架包括波片固定片1081和波片镜架1082。1/4波片107嵌在花瓣型的波片固定片1081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1083的波片固定片1081装在标准的波片镜架1082内。波片镜架1082固定在一维电动平移台108上，随一维电动平移台108在垂直于光传输方向上实现1/4波片107移进/移出光路功能。

当移出光路时，光通过花瓣孔1083，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1083，固定波片的四个角宽度0.5mm左右；在其他实施例中，花瓣孔1083的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5所示，该装置除了包括图3中的装置以外，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1/4波片107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1/4波片107在其平面内旋转，从而调节输出偏振光的水平分量与垂直分量比例，使输出功率精确控制在±10mW。

其中，1/4波片107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(n_o-n_e)d，对于四分之一波片，(n_o-n_e)d＝±λ/4，即两束光位相差为Δφ＝π/2。例如：一束水平偏振光垂直入射到1/4波片上，且电矢量的振动方向与波片的光轴成一定角度时，一般来说，出射光为椭圆偏振光，可表示如下：

$E=A_x\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{kz})\hat{x}+A_y\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{kz}\±\frac{\mathrm{\π}}{2})\hat{y},$

一种特殊情况，当电矢量振动与四分之一波片的光轴成45°角时，这时o光和e光的振幅相等，从四分之一波片出射的光为圆偏振光。引入Δφ＝±(2K+1/2)π的这种晶片称为四分之一波片。两次经过四分之一波片相当于一次经过一个半波片，水平偏振光和垂直偏振光位相差为π。具体计算参见半波片特性：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1042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1042以控制加载在电光晶体1041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精确控制在±1mW。

另外，上述具有精确、稳定功率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。根据需要，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108将1/4波片107移入、移出光路。

本发明装置可以实现功率/能量的光学调节，无需改变泵源电流，避免激光器内部热焦距变化影响系统稳定性。本发明实现皮秒锁模激光器连续输出和周期调制平顶脉冲输出两种功能，同时精确控制输出功率/能量。具体应用在需要获得周期平顶脉冲的激光器中、需要调协激光功率/能量的激光设备中及需要获得精确功率/能量的激光器设备中。还可以应用于其他需要获得高稳输出周期调制平顶脉冲的激光器。

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 (6)

1.一种高稳输出周期调制平顶脉冲装置，包括：

偏振光光源，适于提供待调制的偏振光，在所述偏振光光源的入射方向的光路上依次还包括第一偏振器件、1/4波片、电光开关和反射结构；

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/2；

所述反射结构使电光晶体输出的偏振光沿原路返回；

所述1/4波片适于将电光开关输出的偏振光的相位旋转π/2；

所述第一偏振器件适于对所接收的来自电光开关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1/4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1/4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，所述波片支架适于固定所述1/4波片，所述1/4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1/4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1/4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所述的高稳输出周期调制平顶脉冲装置，还包括废光收集装置以及从所述偏振光光源到所述第一偏振器件之间依次设置的第二偏振片和磁光隔离组件，

所述磁光隔离组件用于隔离来自第一偏振器件的反射回光；

所述第二偏振器件适于对所接收的来自磁光隔离组件的偏振光根据其偏振态进行选择性输出；

所述废光收集装置适于接收来自第二偏振器件的废光；

所述磁光隔离组件包括：法拉第旋光器和二分之一波片。

3.根据权利要求1所述的高稳输出周期调制平顶脉冲装置，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3所述的高稳输出周期调制平顶脉冲装置，还包括：360度旋转台；

所述360度旋转台适于带动所述1/4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1/4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所述的高稳输出周期调制平顶脉冲装置，其中，所述电光晶体可以是RTP、LiNbO₃、LiTaO₃、KD*P或BBO晶体。

6.根据权利要求1所述的高稳输出周期调制平顶脉冲装置，其中，所述反射结构为电光晶体后表面镀的高反射膜，或与电光晶体后表面紧密靠近的反射镜。