CN102593705A - 一种基于周期极化晶体实现固体激光器高重频电光调q的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体激光器电光调Q方法，特别是一种采用周期极化晶体作为电光Q开关的高重频电光调Q方法。它至少包括构成激光器的泵浦源、耦合系统、谐振腔，谐振腔包括激光介质、输出镜，其中在激光介质和输出境之间放置两个同向偏振片，两个偏振片之间设有周期极化晶体，其特征是：通过退压式Q开关电源对周期极化晶体加载电压，使得该晶体每个电畴区域的晶轴方向恰好偏转到能够实现振荡激光索科滤波的方位角度θ，这时振荡激光经过周期极化晶体后偏振方向旋转90°，无法通过第二个同向偏振片形成振荡，导致激光介质上能级粒子数积累，当瞬时退去加载的电压，谐振腔迅速起振，形成激光脉冲输出。本发明所需要的加载电压较低，易于实现固体激光器高重频电光调Q运转。

Description

一种基于周期极化晶体实现固体激光器高重频电光调Q的方法

技术领域

本发明涉及一种固体激光器电光调Q方法，特别是一种采用周期极化晶体作为电光Q开关的高重频电光调Q方法。

背景技术

调Q技术是实现压缩输出激光脉冲宽度、提高峰值功率的有效手段，根据不同的调Q运转方式进行划分，主要有：电光调Q、声光调Q和被动调Q。高重复频率调Q固体激光器在工业生产、科学研究、军事、医疗等众多领域都有着广泛的应用，目前商业上较为成熟的高重复频率调Q固体激光器大多使用声光或被动调Q技术，其输出脉冲激光重复频率典型值为千赫兹到百千赫兹。但这两种Q开关技术都存在明显的不足，即：被动Q开关可以获得窄脉冲，但其输出稳定性差，且输出激光脉冲重频难以实现精确控制。声光Q开关尽管很好地解决了重频精确控制问题，但其开关速度较慢，所得的脉冲脉宽较大，典型值在几十纳秒到上百纳秒。利用非线性晶体的电光效应制成的电光Q开关，不仅具有很强的关通能力，而且响应速度达到纳秒甚至亚纳秒量级，很容易获得十纳秒以下的稳定脉冲输出。但传统电光调Q由于非线性晶体本身电导率值、电光系数、压电效应等因素的制约，需要对晶体加载很高的电压才能实现调Q效果，例如KD^*P晶体需要大于4000伏，LiNbO₃晶体需要大于2000伏，小尺寸的RTP晶体也需要几百伏，高电压严重限制了电光Q开关的关通速度，使得其重复频率难以得到有效提高，这也是阻碍高重频电光调Q技术进一步推广应用的主要瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种加载电压较低、结构简单、紧凑的基于周期极化晶体作为电光Q开关实现固体激光器高重频电光调Q的方法。

本发明的技术方案是：一种基于周期极化晶体实现固体激光器高重频电光调Q的方法，它至少包括构成激光器的泵浦源、耦合系统、谐振腔，谐振腔包括激光介质、输出镜，其中在激光介质和输出境之间放置两个同向偏振片，两个偏振片之间设有周期极化晶体，在周期极化晶体侧表面固定有均匀的平面电极，并与提供其脉冲驱动信号的高重频退压式Q开关电源相连接。

本发明的工作原理是：泵浦源通过光学耦合系统将泵浦光注入激光介质，产生的连续振荡激光经由第一个偏振片变为与该偏振片偏振方向相同的线偏振光，通过退压式Q开关电源对周期极化晶体加载电压，使得该晶体每个电畴区域的晶轴方向恰好偏转到能够实现振荡激光索科(以下简称Solc)滤波的方位角度θ，这时振荡激光经过周期极化晶体后偏振方向旋转90°，无法通过第二个同向偏振片形成振荡，导致激光介质上能级粒子数积累，实现能量储存；当瞬时退去加载的电压，谐振腔迅速起振，激光介质中的上能级粒子短时间内集中受激跃迁，储存的能量迅速释放，形成激光脉冲输出。

所述的Solc滤波是一种基于偏振光原理的光谱滤波，传统的折叠型Solc滤波器是由两块正交偏振片中间夹有一系列方位角为θ并按±θ交错排列的半波片构成，如图1所示。当某一特定波长的光波通过该滤波器时，它将入射光波的偏振方向绕晶体主轴旋转一定的角度，这个角度为入射前光波与主轴夹角的二倍。由于半波片的巧妙放置，光波经过N个半波片后其偏振方向被旋转了2Nθ的角度，当N与θ满足下式时：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4N},$

光波偏振方向则转过了π/2角度，可以从滤波器输出端偏振片透过，而其它波长的光波由于不满足以上关系，将不能通过滤波器。就波的传播规律来看，Solc滤波器可看成一种周期性介质，因此使得在单畴周期极化晶体中实现Solc滤波成为可能。由周期极化晶体的横向电光效应可知，晶轴偏转角的大小与所施加电场近似成线性关系，而方向则由电场的正负决定。这样，当对周期极化晶体施加均匀的Y向电场时，正负畴的光轴偏转角便形成了±θ的交错排列，进一步通过对周期极化晶体结构参数的优化设计，可达到振荡激光经过周期极化晶体后偏振方向旋转90°的效果。

所述的周期性极化晶体为单畴铌酸锂、单畴钽酸锂或单畴铁电晶体其中之一。

所述的周期性极化晶体结构参数及其制作方法具体如下：

①根据振荡激光波长λ₀，晶体周期Λ及单电畴宽度d由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=2d=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{n_o-n_e},$

式中：n_o为振荡激光在周期极化晶体中的寻常光折射率，n_e为振荡激光在周期极化晶体中的非寻常光折射率。

②根据振荡激光主峰半极大值全带宽Δλ_1/2，单电畴宽度d，所需布设的总电畴数N及周期极化晶体(6)的总长度L由下两式决定：

$N=1.60\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{(2v+1)\·{\mathrm{\Δ\λ}}_{1/2}},$

L＝N·d，

式中：v为非负整数，视所用周期极化晶体可加工长度而定。

③根据计算得到的周期性极化晶体结构参数，用光刻技术在总长度为L的晶体+Z面制作金属格栅正电极，-Z面制作平面负电极，每个格栅的宽度为单电畴宽度d，高压矩形电脉冲施加于上下电极间，在有正负电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽电场使该电畴的自发极化方向反向，因此周期交错分布的正畴与负畴晶轴方向相反，从而实现所需周期极化晶体的制作。

所述的振荡激光Solc滤波的方位角度θ由下式决定：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4N},$

所述的高重频退压式Q开关电源对周期极化晶体加载的电压值U由下两式决定：

U＝E·D，

$E\≈\mathrm{\θ}\frac{(1/n_e^2)-(1/n_o^2)}{{\mathrm{\γ}}_{51}},$

式中：E为电场强度，D为晶体+Y面与-Y面电极间的距离，γ₅₁为晶体电光系数。

本发明的技术特点是：和传统电光调Q需要对调Q晶体加载很高的电压才能实现调Q效果不同，本发明根据Solc滤波器的工作原理，利用周期极化晶体能够实现Solc滤波这一特征，通过对位于两个同向偏振片之间的周期极化晶体进行加退电压，使得谐振腔在振荡与非振荡状态间交替工作，从而获得脉冲激光输出。本发明所需要的加载电压较低，是实现高重复频率电光调Q的有效技术途径。

附图说明

图1为传统的折叠型Solc滤波器结构示意图。

图2为本发明基于周期极化铌酸锂晶体的高重频电光调Q固体激光器示意图。

图3为周期极化铌酸锂结构参数示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图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。

在本实施例中，以基于周期极化铌酸锂晶体的高重频电光调Q固体激光器为例来阐述本发明的设计思想，如图2所示，该装置包括泵浦源激光二极管1、光束聚焦耦合系统2、谐振腔，谐振腔包括激光介质3和输出镜8，激光介质采用Nd:YAG晶体，靠近光束聚焦耦合系统2的端面镀有808nm增透膜和1064nm全反膜，反射率大于99.9％，构成谐振腔的全反镜，另一端面镀1064nm增透膜，输出镜8镀有1064nm增透膜，透过率为20％，在激光介质3和输出境8之间放置两个同向偏振片4、7，两个偏振片4、7之间设有周期极化铌酸锂晶体6，晶体Y向厚度在1～5mm、Z向厚度在1～5mm、长度L在10～40mm范围内确定，在周期极化铌酸锂晶体6侧表面固定有均匀的平面电极，与提供其脉冲驱动信号的高重频退压式Q开关电源5相连接，该驱动电源能够同时对晶体6所加载的电压幅值、重频次数进行调节。

周期极化铌酸锂晶体6的结构参数如图3所示，晶体的长、宽、高分别取值为：L＝12mm，D＝3mm，H＝1mm。根据周期极化铌酸锂的色散方程：

$n_o^2=a_1+\frac{a_2+b_{1}f}{{\mathrm{\λ}}^2-{(a_3+b_{2}f)}^2}+b_{3}f-a_4{\mathrm{\λ}}^2---\left(1\right)$

$n_e^2=c_1+d_{1}f+\frac{c_2+d_{2}f}{{\mathrm{\λ}}^2-{(c_3+d_{3}f)}^2}+\frac{c_4+d_{4}f}{{\mathrm{\λ}}^2-c_5^2}-c_6{\mathrm{\λ}}^2---\left(2\right)$

式中：a₁＝4.9048，a₂＝0.11775，a₃＝0.027153，a₄＝0.027153，b₁＝2.2314×10^-8，b₂＝-2.9671×10^-8，b₃＝2.1429×10^-8，c₁＝5.3558，c₂＝0.100473，c₃＝0.20692，c₄＝100，c₅＝11.34927，c₆＝1.5334×10^-2，d₁＝4.629×10^-7，d₂＝3.862×10^-8，d₃＝-0.89×10^-8，d₄＝2.657×10^-5，f＝(T-24.5)·(T+570.82)，T为晶体的温度，单位是℃；λ为光波波长，单位是μm。当温度T设定为25℃、λ＝1.064μm时，n_o＝2.2312，n_e＝2.1558。

根据晶体周期Λ及单电畴宽度d的计算公式：

则周期极化铌酸锂晶体的极化周期Λ＝14.06μm，单电畴宽度d＝7.03μm。拟定振荡激光的主峰半极大值全带宽Δλ_1/2＝2nm，则所需布设的总电畴数

晶体的总长度L＝N·d＝12mm，实现Solc滤波的方位角度

由于这个角度太小，在工艺上很难实现，因此我们增加周期极化的阶数，如将阶数设计为25，即用于该实施例的周期极化铌酸锂晶体的极化周期为Λ·[2×(25+1)]＝717.06μm，在保持晶体总长度仍为L＝12mm情况下，则实现Solc滤波的方位角度θ＝0.0264×[2×(25+1)]＝1.35℃。

根据计算得到的周期性极化晶体结构参数，用光刻技术在周期极化铌酸锂晶体的+Z面制作金属格栅正电极2，-Z面制作平面负电极3，每个格栅的宽度为单电畴宽度

高压矩形电脉冲施加于上下电极间，在有正负电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽电场使该电畴的自发极化方向反向，使得周期交错分布的正畴与负畴晶轴方向相反，实现所需周期极化铌酸锂晶体的制作。

根据计算得到的能够实现Solc滤波的方位角度θ，由高重频退压式Q开关电源5对周期极化晶体6加载的电压值公式：

U＝E·D    (3)

$E\≈\mathrm{\θ}\frac{(1/n_e^2)-(1/n_o^2)}{{\mathrm{\γ}}_{51}}---\left(4\right)$

联立式(1)、(2)，得到实现单畴晶轴偏转1.35℃的加载电压值U＝53.85V。当在周期极化铌酸锂晶体6+Y面与-Y加载该电压后，每个正负单电畴的晶轴将会偏转θ＝1.35℃，正负单电畴晶轴间便形成±θ的交错排列模式，产生了针对1064nm振荡激光的Solc滤波效应，此时泵浦源1激励激光介质3产生的1064nm连续振荡激光经由第一个偏振片4变为与该偏振片4偏振方向相同的线偏振光，该偏振振荡激光通过加载电压的周期极化铌酸锂晶体6后，根据Solc滤波器的工作原理，其偏振方向将旋转90°，无法通过第二个同向偏振片7形成振荡，这时激光介质3上能级粒子数处于积累状态，实现能量储存。在上能级粒子数完成积累后，瞬时退去加载在周期极化铌酸锂晶体6+Y面与-Y上的电压，振荡激光通过第二个偏振片7完成光反馈，谐振腔迅速起振，激光介质3中的上能级粒子短时间内集中受激跃迁，储存的能量迅速释放，从而获得调Q效果。

本发明实现固体激光器电光调Q的方法由于所需要对调Q晶体加载的电压较低，仅为几十伏的量级，因此能够使退压式电光调Q电源在加退电压间实现高频运转，是获取高重复频率窄脉冲激光的有效技术途径。

Claims (4)

1.一种基于周期极化晶体实现固体激光器高重频电光调Q的方法，它至少包括构成激光器的泵浦源(1)、耦合系统(2)、谐振腔，谐振腔包括激光介质(3)、输出镜(8)，其中在激光介质和输出境之间放置两个同向偏振片(4)(7)，两个偏振片之间设有周期极化晶体(6)，在周期极化晶体(6)侧表面固定有均匀的平面电极，并与高重频退压式Q开关电源(5)相连接，其特征是：泵浦源(1)通过光学耦合系统(2)将泵浦光注入激光介质(3)，产生的连续振荡激光经由第一个偏振片(4)变为与该偏振片偏振方向相同的线偏振光，通过退压式Q开关电源(5)对周期极化晶体(6)加载电压，使得该晶体每个电畴区域的晶轴方向恰好偏转到能够实现振荡激光索科(以下简称Solc)滤波的方位角度θ，这时振荡激光经过周期极化晶体(6)后偏振方向旋转90°，无法通过第二个同向偏振片(7)形成振荡，导致激光介质上能级粒子数积累，实现能量储存；当瞬时退去加载的电压，谐振腔迅速起振，激光介质中的上能级粒子短时间内集中受激跃迁，储存的能量迅速释放，形成激光脉冲输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于周期极化晶体实现固体激光器高重频电光调Q的方法，其特征是：所述的周期性极化晶体(6)为单畴铌酸锂、单畴钽酸锂或单畴铁电晶体其中之一。

3.根据权利要求1所述的一种基于周期极化晶体实现固体激光器高重频电光调Q的方法，其特征是：所述的周期性极化晶体(6)结构参数及其制作方法具体如下：

①根据振荡激光波长λ₀，晶体周期Λ及单电畴宽度d由下式决定：

$\mathrm{\Λ}=2d=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{n_o-n_e},$

式中：n_o为振荡激光在周期极化晶体(6)中的寻常光折射率，n_e为振荡激光在周期极化晶体(6)中的非寻常光折射率。

②根据振荡激光主峰半极大值全带宽Δλ_1/2，单电畴宽度d，所需布设的总电畴数N及周期极化晶体(6)的总长度L由下两式决定：

$N=1.60\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{(2v+1)\·{\mathrm{\Δ\λ}}_{1/2}},$

L＝N·d，

式中：v为非负整数，视所用周期极化晶体(6)可加工长度而定。

③根据计算得到的周期性极化晶体(6)结构参数，用光刻技术在总长度为L的晶体+Z面制作金属格栅正电极，-Z面制作平面负电极，每个格栅的宽度为单电畴宽度d，高压矩形电脉冲施加于上下电极间，在有正负电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽电场使该电畴的自发极化方向反向，因此周期交错分布的正畴与负畴晶轴方向相反，从而实现所需周期极化晶体(6)的制作。

4.根据权利要求1所述的一种基于周期极化晶体实现固体激光器高重频电光调Q的方法，其特征是：所述的振荡激光Solc滤波的方位角度θ由下式决定：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{4N},$

所述的高重频退压式Q开关电源(5)对周期极化晶体(6)加载的电压值U由下两式决定：

U＝E·D，

$E\≈\mathrm{\θ}\frac{(1/n_e^2)-(1/n_o^2)}{{\mathrm{\γ}}_{51}},$

式中：E为电场强度，D为晶体+Y面与-Y面电极间的距离，γ₅₁为晶体电光系数。

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