CN102723660B - 重复频率大范围可变的电光调q脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，其公开了一种重复频率大范围可变的电光调Q脉冲激光器，包括依次连接的全反射镜、调Q单元、激光增益单元和输出单元，所述调Q单元中的电光调Q晶体可工作在高频状态，通过控制作用在所述增益单元上的泵浦脉冲和作用在所述调Q单元上的调Q脉冲，实现多种重复频率的激光调Q脉冲的输出。本发明所设计的电光调Q脉冲激光器与现有的只可工作于低重频状态下的电光调Q激光器相比，既可工作在低重频状态，又可短时工作在高重频状态，重频跨度范围大，且可调节。

Description

重复频率大范围可变的电光调Q脉冲激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种重复频率大范围可变的电光调Q脉冲激光器。

背景技术

激光调Q激光技术从1961年提出以后，发展极为迅速，该技术是将激光全部能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使激光器发光的峰值功率提高几个数量级的一种重要技术，电光调Q是利用某些晶体的电光效应做成电光调Q开关器件，电光调Q具有开关时间短（约10^-9s），效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄（10～20ns），峰值功率高（几十MW以上）等优点，是目前应用广泛的一种调Q技术。电光调Q使用时一般在激光谐振腔内加上偏光器和波片，偏光器的作用是得到线偏振光，可以使用偏光棱镜，一般选择格兰-泰勒棱镜或格兰-傅科棱镜，也可以使用镀膜的偏振片，波片的作用是使调Q信号脉冲到来时，激光器输出激光脉冲。电光调Q的工作原理为，当调Q信号为低电平时，电光晶体对于激光器谐振腔内传播的光相当于各向同性介质，光通过光电晶体后，偏振状态不发生任何改变，这样，偏振器件和波片就构成了光隔离器，让激光器中的辐射光只能沿一个方向传播，不能形成激光振荡，因此，激光器谐振腔的损耗很大，激光器的出光阈值很高，激光介质在泵浦源的作用下，处于储能状态；当调Q信号脉冲到来时，电光晶体两端加电压，电光晶体对于激光器谐振腔中轴向传播的光相当于一个波片，其快轴与原有波片快轴重合，形成波片，或快轴与原有波片慢轴重合，对光不起作用，无论是哪一种情况，谐振腔内波片、电光晶体和偏振器件不再组成光隔离器，光路可逆，激光辐射可以在谐振腔内振荡，谐振腔处于低损耗状态，激光脉冲迅速形成，并通过激光器的输出端输出。

电光调Q激光器中，调Q开关的时间非常短，在纳秒的量级上，因此，调Q激光脉冲信号能够快速建立，激光器输出的激光脉冲宽度也很窄，约10ns～20ns，由此可见，提高激光器的单脉冲能量，可以得到高峰值功率的激光脉冲，然而，在一定重复频率的激光脉冲下，单脉冲能量越大，激光器发热越大，热效应对激光器的影响也就越严重，所以高重频激光器的单脉冲能量不能做得很大。另外，激光器重复频率越大，激光器热效应也就越严重，所以，大能量、高峰值功率的电光调Q激光器一般重复频率都比较低，并且，单脉冲能量越大、脉冲峰值功率越高，激光器的重复频率越低。目前常见的大单脉冲能量、高峰值功率的调Q激光器的重复频率一般小于100Hz。

可见，现有的电光调Q脉冲激光器，特别是大能量、高峰值功率的脉冲调Q激光器的输出激光脉冲序列中，激光脉冲的重复频率较低。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何克服传统电光调Q激光器输出激光脉冲序列中，只含重复频率较低的激光脉冲序列的缺点，提出一种电光调Q脉冲激光器，以实现输出大单脉冲能量、高峰值功率的电光调Q脉冲激光器既可在低重复频率状态下工作，又可短时间在高重复频率状态下，输出的激光脉冲序列中既含有重复频率较低的激光脉冲，又含有重复频率较高的激光脉冲的目的。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种重复频率大范围可变的电光调Q脉冲激光器，包括依次连接的全反射镜、电光调Q单元、激光增益单元和输出单元，以及泵浦脉冲信号和调Q脉冲信号的产生控制单元，所述泵浦脉冲信号和调Q脉冲信号的产生控制单元用于产生并控制泵浦脉冲和调Q脉冲，使泵浦脉冲和调Q脉冲分别作用于所述激光增益单元和所述电光调Q单元，所述输出单元用于输出激光脉冲，所述激光脉冲中包含重复频率较低的低重频激光脉冲和重复频率较高的高重频激光脉冲；

所述高重频激光脉冲和所述低重频激光脉冲具有相同的单脉冲能量和峰值功率；当所述高重频激光脉冲的重频大于激光介质决定的激光脉冲重频上限时，随激光脉冲重频的增高，单脉冲能量降低，峰值功率减小；

所述电光调Q晶体上的电光调Q信号工作在激光介质荧光寿命所决定的调Q信号的最高重频状态时，所述泵浦脉冲信号为持续信号；

其中，所述电光调Q单元包括依次连接的能够工作在高频状态下的电光调Q晶体、波片和偏光器；

其中，所述波片和偏光器的两端均镀有增透膜，所述能够工作在高频状态下的电光调Q晶体为BBO晶体或RTP晶体。

优选地，所述输出单元包括依次连接的波片、偏光器和全反射镜，或者

所述输出单元为输出镜。

优选地，所述激光器还包括与所述输出单元连接的波片或退偏器。

优选地，与所述输出单元连接的波片的光轴与所述偏光器的透光方向呈45°。

优选地，与所述电光调Q单元连接的所述全反射镜为平面反射镜或角锥棱镜，且所述角锥棱镜的反射面镀有防相位突变膜。

优选地，所述偏光器为偏振片或偏光棱镜。

（三）有益效果

本发明所设计的电光调Q脉冲激光器既可工作在低重频状态，又可短时工作在高重频状态。通过合理地设置低重频和高重频激光脉冲的配比，可以实现激光器在同一激光脉冲输出序列中既含有高重频分量，也含有低重频分量，并且高重频分量中的激光脉冲的单脉冲能量和脉冲峰值功率与低重频分量的激光脉冲可以相等也可以有所差别。

附图说明

图1是依据本发明实施例一的激光器，其中，实现调Q功能的偏光器件采用镀膜偏振片；

图2是依据本发明实施例二的激光器，其中，实现调Q功能的偏光器采用偏振棱镜；

图3是依据本发明实施例三的激光器，其中，实现耦合输出的偏振片件采用镀膜的偏振片；

图4是依据本发明实施例四的激光器，其中，输出端去掉波片或退偏器，实现偏振输出；

图5是依据本发明实施例五的激光器，其中，用平面反射镜代替角锥棱镜；

图6是依据本发明实施例六的激光器，其中，用平面反射镜代替角锥棱镜，且输出端去掉波片或退偏器，实现偏振输出；

图7是依据本发明实施例七的激光器，其中，用输出镜代替由波片、偏振器件、角锥棱镜组成的输出单元，且输出端去掉波片，实现偏振输出。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所提出的重复频率大范围可调电光调Q激光器可以实现在同一激光脉冲序列中，既包含高重频激光脉冲，又包含低重频激光脉冲，并且高重频和低重频激光脉冲具有相当的单脉冲能量和峰值功率；当高重频激光脉冲的重频大于激光介质决定的激光脉冲重频上限时，从激光器中输出的高重频激光脉冲的单脉冲能量会降低，峰值功率也会相应的减小，且激光脉冲重频越高，单脉冲能量越低，峰值功率也相应越小。

电光调Q激光器中的电光调制晶体开关选择低频、高频状态下均可以工作的电光调Q晶体，如BBO（偏硼酸钡）、RTP（磷酸氧钛铷）等。低频、高频状态下均可以工作的电光调Q晶体上的电光调Q信号可以工作在激光介质荧光寿命所决定的调Q信号的最高重频状态，此时对应的泵浦脉冲信号是持续的，即一个泵浦脉冲对应多个调Q脉冲信号，激光器输出的激光脉冲序列中，高重频激光脉冲的单脉冲能量和峰值功率与低重频激光脉冲的大体一致。下面的实施例中采用BBO晶体，这样，如果激光器的散热条件允许，激光器可以持续工作在高重频状态。

图1给出了重复频率大范围可调电光调Q激光器工作的一个实例，其中，100为电光调Q单元、200为激光增益单元，300为输出单元，M为泵浦脉冲信号和调Q脉冲信号的产生控制单元，M用于产生并控制泵浦脉冲Mp和调Q脉冲Mq，使泵浦脉冲Mp和调Q脉冲Mq分别作用于所述激光增益单元和所述电光调Q单元，由于该实施例中采用了角锥棱镜，所以激光器的抗震性能很高，可以工作在振动环境状态。图中用角锥棱镜1充当激光器谐振腔的全反射镜，为防止光在角锥棱镜1的反射面上全反射时p光、s光产生附加位相差，在角锥棱镜1的全反射面上应镀上消除附加位相差的位相膜。电光调Q晶体2采用BBO晶体，由于BBO晶体抗光损伤阈值高，并且可以工作在高频状态，因此，利用BBO晶体做成的调Q开关（将在下面详细描述）为实现激光器输出重频大范围可调的大单脉冲能量、高峰值功率的调Q激光脉冲提供了保障。

波片3、偏振片4和电光调Q晶体2共同构成了调Q开关，起到调Q的作用。水平方向向左传播的光经偏振片4后变成振动方向平行于纸面的线偏振光，波片3的光轴方向和偏振片4的透光方向的夹角为45°，线偏振光经过波片3后变为圆偏振光，当电光调Q晶体2上不加电压，即调Q信号处于低电平时，电光调Q晶体2对于水平方向的光相当于各向同性介质，对光的偏振状态不产生影响，因此，圆偏振光通过电光调Q晶体2后，偏振状态不发生任何改变，仍然是圆偏振光，角锥棱镜1对入射光产生反射，使入射光沿原路返回，由于角锥棱镜1具有使在一定的入射角范围内，入射角锥棱镜1的光都能够按原路返回的特点，所以当谐振腔出现失调时，角锥棱镜1的通光面不再与入射光线垂直时，仍能保证角锥棱镜1的反射光按原入射光的路径原路返回，所以这种结构的激光器抗震动特性好；考虑到角锥棱镜1的反射面镀有防止位相突变的位相膜，因此，经角锥棱镜1的反射光仍是圆偏振光，只不过光矢量的旋转方向与入射圆偏振光相反，如果入射圆偏振光为左旋圆偏振光，那么，经角锥棱镜1反射后，反射光为右旋圆偏振光，如果入射光为右旋圆偏振光，则经角锥棱镜1反射后，反射光为左旋圆偏振光。经角锥棱镜1反射的圆偏振光经未加电压的电光调Q晶体2后，偏振状态不产生任何改变，依旧是圆偏振光，再经波片3后，圆偏振光转变为线偏振光，但线偏振光的偏振方向与纸面垂直，即在波片3和偏振片4之间，相对于向左传播的线偏振光，向右传播的线偏振光的偏振面旋转了90°，这是因为角锥棱镜1反射时，使得圆偏振光的光矢量旋转方向发生了反转。由于偏振片4的透光方向和向左传播的线偏振光的偏振反向一致，因此，向右传播的光不能通过偏振片4，而是被它反射出激光谐振腔外，因此激光器谐振腔的损耗很大，Q值很低，振荡阈值很高，激光器不能起振，在泵浦脉冲的作用下，激光介质5处于储能状态。当调Q脉冲到来时，电光调Q晶体2加上电压，晶体在垂直于光轴的面上出现感应双折射，晶体2由单轴晶体变为双轴晶体，对于水平方向入射的光，晶体2不再是各向同性，折射率椭球的截面也不再是圆形，而是变成了椭圆，表现为各向异性，加电压后的晶体2对于水平入射的光，相当于一个波片，当其快轴与波片3的快轴重合时，二者共同作用的结果相当于一个波片，由于这个波片的光轴和偏振片4的透光方向呈45°夹角，因此，经偏振片4向左传播的线偏振光经过波片3和晶体2后，仍为线偏振光，但偏振面旋转了90°，即垂直于纸面，经角锥棱镜1反射后，仍为线偏振光，偏振方向垂直于纸面，再经过晶体2和波片3后，仍为线偏振光，且偏振面向回转90°，振动方向和偏振片4的通光方向一致，因此，光能够顺利的通过偏振片4，激光器谐振腔的损耗突然降低，Q值突然升高，激光器的出光阈值也相应的急速下降，激光振荡在激光器谐振腔内迅速生成，并通过格兰-泰勒棱镜8和波片10输出。若晶体2加电压，感应形成的波片的快轴正好和波片3的慢轴重合，则加电压的晶体2和波片3对水平方向传输的偏振光的作用相互抵消，相当于各向同性介质，对光的偏振态不产生任何影响，经偏振片4向左传播的线偏振光，其偏振方向在纸面内，经波片3和晶体2后，仍然为线偏振光，且偏振面仍然位于纸面内，经角锥棱镜1反射后，向右传播的反射光依然是偏振方向平行于纸面的线偏振光，经晶体2和波片3后，偏振方面不受影响，和偏振片4的透光方向一致，光可以顺利通过，激光器谐振腔的损耗突然降低，Q值升高，激光器出光阈值降低，激光脉冲迅速形成并通过格兰-泰勒棱镜8和波片10输出。可见，当晶体2加电压后，无论感应形成的波片的快轴和波片3的慢轴重合还是垂直，均能起到电光调Q的作用。

激光介质5应根据实际需要选择，激光介质的荧光寿命越长，激光器输出大单脉冲能量、高峰值功率的激光脉冲的重复频率就越低，也就是说，激光介质的荧光寿命决定了激光器输出的大单脉冲能量、高峰值功率激光脉冲的最高重复频率。比如Nd:YAG，其荧光寿命为230us，则对应的激光脉冲的最大重频为4347Hz，而对于Nd:YVO₄，其荧光寿命为100us，则对应的最高重复频率为10KHz。当然，当调Q脉冲的频率大于这一重频限制时，激光器也可以工作，但是高重频激光脉冲的单脉冲能量会减小，相应的峰值功率也会降低，这是由于高重频激光脉冲没有受到充分的泵浦作用所导致的，并且可以预见，超过激光介质所允许的最大重复频率后，激光脉冲的重复频率越高，高重频激光器输出的单脉冲能量越低，峰值功率相应的也越低。

加在激光介质5上的泵浦辐射6受泵浦信号的控制，泵浦信号的频率和加在晶体2上的调Q信号的频率一致，泵浦脉冲宽度由激光介质的荧光寿命决定，比如对于Nd:YAG，其荧光寿命为230us，则要获得大单脉冲能量、高峰值功率的激光脉冲输出，泵浦脉冲的宽度也应至少为230us，每个泵浦脉冲作用后，延迟一段时间，调Q脉冲到来，延迟时间的大小由泵浦源的辐射特性决定，总之是要在激光上下能级粒子数翻转达到最大时，调Q脉冲到来，激光振荡在谐振腔内迅速建立并耦合输出。

激光介质5采用侧面泵浦方式，泵浦源的辐射6从侧面作用在激光介质5上，泵浦源可选用合适的闪光灯或者半导体激光器LD，选用LD作为泵浦源时，激光二极管LD阵列沿着激光棒的长度方向排列，并且泵浦方向垂直于激光辐射的传播方向，如果需要较高的功率，可以在激光棒的周围使用更多的激光二极管阵列。

波片7、偏光棱镜8和角锥棱镜9共同组成了激光器的输出单元，等效于一个输出耦合镜，通过调整波片7的光轴和偏光棱镜8的透光方向之间的夹角，可以改变等效输出耦合镜的透过率，激光脉冲通过格兰-泰勒棱镜8输出。采用波片7、偏光棱镜8和角锥棱镜9组成的等效输出耦合镜比单一镀膜的输出耦合镜抗震动、抗失调性能强得多，这是因为角锥棱镜9使反射光沿原路返回的特性导致的。角锥棱镜9的反射面镀消除p光、s光全反射产生的位相差的位相膜，波片7和偏光棱镜8的两端面镀增透膜。偏光棱镜除选择格兰-泰勒棱镜外，也可以选择其他结构的偏光分束棱镜，如格兰-傅科棱镜、格兰-汤姆逊棱镜、洛匈棱镜、李普奇棱镜等。

对应大单脉冲能量、高峰值功率的激光器，使用中一般要求光要传输很远的距离，比如在大气中要传输几十千米，如光激光输出为线偏振光，则激光传输光路上的偏振相关损耗对激光脉冲的影响就非常严重，会造成接收端的激光脉冲信号能量起伏严重，甚至影响接收器的接收判别，因此，在格兰-泰勒偏光棱镜8后加上波片10，波片10的光轴和偏光棱镜8的透光方向呈45°，则通过波片10后的激光输出脉冲11为圆偏振光，即伪退偏光，当然如果激光器的应用环境对退偏要求很高的话，可以将波片10直接更换成退偏器，这样激光器输出的激光脉冲11就是非偏振光。

图2为本发明的实施例二，图2中将图1中的偏振片4更换成了偏光棱镜12，由于偏光棱镜比偏振片拥有更高的消光比（偏光棱镜的消光比由于10⁵:1，而偏振片一般为10³:1），所以更换后更有益于调Q开关的关断，保证调Q开关的正常工作。其工作原理类似于图1的激光器的工作原理。

图3为本发明的实施例三，图中将图1中的偏光棱镜8更换成了偏振片13，由于偏振片的价格要低于偏光棱镜的价格，故这种结构与图1的结构相比较，要经济一些。其工作原理类似于图1的激光器的工作原理。

图4为本发明的实施例四，与图1相比较，图4去掉了用于伪退偏的波片10，这样，激光器将输出线偏振光。其工作原理类似于图1的激光器的工作原理。

图5为本发明的实施例五，与图1相比较，图5中将反射面镀位相膜的角锥棱镜1和角锥棱镜9分别更换成了平面反射镜14和平面反射镜15，由于平面反射镜只有在入射光垂直入射时，反射光才能沿原路返回，所以这种结构的谐振腔调节精度要求高，抗震动、抗失调特性差，但比图1结构的激光器经济，该结构的激光器只能工作在震动环境不是太恶劣的情况下。其工作原理类似于图1的激光器的工作原理。

图6为本发明的实施例六，与图5比较，去掉了提供伪退偏作用的波片10，激光器以线偏振光输出。其工作原理类似于图1的激光器的工作原理。

图7为本发明的实施例七，与图6相比较，图7中用输出耦合镜16替代图6中由波片7、偏光棱镜8和平面反射镜15组成的输出单元，采用输出耦合镜后，激光器的结构更加紧凑，缺点是输出耦合镜的透射率不能调节。其工作原理类似于图1的激光器的工作原理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种重复频率大范围可变的电光调Q脉冲激光器，其特征在于，包括依次连接的全反射镜、电光调Q单元、激光增益单元和输出单元，以及泵浦脉冲信号和调Q脉冲信号的产生控制单元，所述泵浦脉冲信号和调Q脉冲信号的产生控制单元用于产生并控制泵浦脉冲和调Q脉冲，使泵浦脉冲和调Q脉冲分别作用于所述激光增益单元和所述电光调Q单元，所述输出单元用于输出激光脉冲，所述激光脉冲中包含重复频率较低的低重频激光脉冲和重复频率较高的高重频激光脉冲；

所述高重频激光脉冲和所述低重频激光脉冲具有相同的单脉冲能量和峰值功率；当所述高重频激光脉冲的重频大于激光介质决定的激光脉冲重频上限时，随激光脉冲重频的增高，单脉冲能量降低，峰值功率减小；

其中，所述电光调Q单元包括依次连接的能够工作在高频状态下的电光调Q晶体、波片和偏光器；

其中，所述电光调Q晶体上的电光调Q信号工作在激光介质荧光寿命所决定的调Q信号的最高重频状态时，所述泵浦脉冲信号为持续信号；

其中，所述波片和偏光器的两端均镀有增透膜，所述能够工作在高频状态下的电光调Q晶体为BBO晶体或RTP晶体。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述输出单元包括依次连接的波片、偏光器和全反射镜，或者

所述输出单元为输出镜。

3.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括与所述输出单元连接的波片或退偏器。

4.如权利要求3所述的激光器，其特征在于，与所述输出单元连接的波片的光轴与所述偏光器的透光方向呈45°。

5.如权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，与所述电光调Q单元连接的全反射镜为平面反射镜或角锥棱镜，且所述角锥棱镜的反射面镀有防相位突变膜。

6.如权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述偏光器为偏振片或偏光棱镜。