CN102763292B - 具有可变周期和稳定能量的激光器发射脉冲 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于发射具有可变周期和稳定能量的脉冲的激光器件，其包括共振腔（1），共振腔（1）包括具有稳定增益G且以波长λ发射激光脉冲的放大介质（11），共振腔（1）还包括Q开关（12）。激光器件还包括用于连续泵浦放大介质的泵浦（2）以及位于共振腔（1）之外、在泵浦过程的持续时间内将波长为λ的射束注入到放大介质（11）内的注入器（3），并且包括用于调整所述射束的功率以便将放大介质的增益减小至G/k的装置，其中k为大于1.7的实数。

Description

具有可变周期和稳定能量的激光器发射脉冲

技术领域

本发明领域在于，脉冲重复频率可变、脉冲能量稳定且由连续源泵浦的脉冲激光器。

背景技术

脉冲激光器普遍存在，其脉冲使用被称为Q开关的内腔开关，其中Q表示共振腔的品质因数。它们被称为Q开关激光器。

在Q开关激光器中具有两个相位。泵浦相位实现在激光材料中存储泵浦能量。关闭的腔开关防止共振。打开开关以产生脉冲。共振是可能的。出现在腔的模式中的光由激光材料放大。形成强脉冲。在泵浦期间，该脉冲的能量与存储在激光材料中的能量成比例。开关操作必须迅速，以确保脉冲的能量和时间曲线的有效控制。照惯例，仅仅控制Q开关的非常快速的打开。在打开之后很快受控关闭可能使每脉冲能量减小。

每一个激光材料跃迁具有寿命。这是除泵浦以外处于激光的激发态中的半数群体到消失时所需的时间。其也是在不存在可能降低泵浦效率的任何寄生效应的情形下在相当长的泵浦持续时间内获取激发态下的半数群体所需的时间。

如果与所使用的激光跃迁的激发态的寿命相比，脉冲之间的周期较长，则每脉冲能量最大。增加周期不会改变每脉冲能量。对于给定的激光器，该每脉冲能量受泵浦功率和激发态的寿命控制。

这由图1示出，图中示出了作为时间函数的增益曲线的两个实例，对于250μs的激发态寿命，以任意单位表示的该增益通过对应曲线“a”的连续泵浦A和对应曲线“b”的泵浦A/5在Q开关激光器的放大介质中积累。对于大于830μs的周期，可用增益改变小于10%，每脉冲能量以类似比例变化。

在曲线的另一端，当周期减小时，每脉冲能量不再受激发态的寿命控制。激光器以中等功率操作。对于固定周期，每脉冲能量与分隔每个脉冲的周期成比例。周期中的任何变化都会改变每脉冲能量，每脉冲能量取决于前一脉冲的能量和分隔脉冲的周期。在图1所示的实例中，这是周期小于250μs的范围。

最后，由于每脉冲能量类似于增益成比例地变化，因此对于在150和1000μs之间变化的脉冲周期将获得极其不同的每脉冲能量，因为它们在150和500任意单位之间变化。

此外，脉冲必须满足性能的最小能量需求，但不能超过给定能量阈值以避免激光器的不可逆的退化。

使用多种方法来获取具有可变重复频率的相似脉冲。

第一方案在Q开关激光器的输出处执行分类。激光具有被称为基本周期的固定重复周期。输出脉冲或者被抑制或者被传送。因此，所获得的周期限于基本周期的倍数，每个脉冲串的起始位置被利用。

不同的方案在于，根据发射每个脉冲所需的时间，对连续泵浦源功率进行调制。泵浦功率的调制对脉冲能量随着泵浦持续时间增加的影响进行补偿，但该调制只有在泵浦源的响应时间常数允许时才是可能的，尤其如果泵浦源为激光器时。并非总能足够快地调制泵浦，或者事先不可能充分地预测后续脉冲必须发射的时间。当重复频率改变时，可变的泵浦功率改变共振腔的热平衡点，从而在Q开关激光器内引起热不稳定性。

不同的方案涉及Q开关打开的时间和持续时间的控制。打开持续时间取决于前一脉冲的能量和经过时间。因此，打开持续时间根据自前一脉冲起经过的时间和其能量来进行控制。打开和关闭开关持续时间也必须被控制。需要复杂的电子控制系统来精确地打开和关闭Q开关。该双重控制并不常见且较复杂，并且其调制较困难。对于随每个脉冲而改变的周期，难于调整控制定律，且在激光的寿命期间必须进行重调。复杂性减小操作安全性和可靠性。

发明内容

本发明旨在获得以下脉冲激光器，其连续地泵浦且发射具有可变周期和稳定的每脉冲能量的脉冲，如图2所示。

本发明基于添加注入器，该注入器将波长与激光相同的被发射射束注入到激光材料中以进行放大。消耗增益的该放大的效果是模拟激光材料的时间常数的减小，注入器的功率的调整使激光材料的表观时间常数改变。表观时间常数是为了获取在较长泵浦持续时间内（通常比该时间常数大约3至4倍）和恒定注入器功率下所获取的半数群体所需的时间。

更确切地说，本发明的主题是适于发射具有可变周期和稳定能量的脉冲的激光器件，该激光器件包括：

-共振腔，其包括

-具有稳定增益G且适于以波长λ发射激光脉冲的放大介质，以及

-Q开关，

-以及放大介质的连续泵浦源。

其特征主要在于，激光器件还包括位于共振腔之外、适于在泵浦的持续时间内将波长为λ的射束发射到放大介质内的注入器，并且激光器件包括用于调整该射束的功率以便将放大介质的增益减小至G/k的装置，其中k为大于1.7的实数。

由于注入器和稳定的连续泵浦，可以利用稳定的每脉冲能量来在时间上精确地控制每个脉冲。

脉冲激光器的热负载是稳定的且独立于脉冲需求量，因为泵浦在恒定水平上连续。

Q开关具有很少的限制。

优选地，注入器共享与激光器自身相同的泵浦装置。从而，从激光器泵浦开始即启动注入器，从而提供每脉冲能量的稳定，而不需要外部控制。

根据一个变型，注入器布置在泵浦源-放大介质轴线之外。

注入器可以是激光二极管或微芯片激光器或电致发光二极管。

附图说明

阅读以下由非限制性实例给出的详细描述、参考附图，则本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：

图1示意性示出了作为时间的函数且以任意单位表示的增益曲线的两个实例，其中功率的连续泵浦A对应曲线“a”而A/5对应曲线“b”，

图2示意性示出了可变周期的能量稳定脉冲，

图3示意性示出了根据本发明的脉冲激光器件的实例，

图4示意性示出了在与图1中实例1等效的条件下利用根据本发明的激光器件所获得的增益曲线。

从一个附图到另一个附图中，相同的元件由相同的附图标记标识。

具体实施方式

图1中的曲线以下列方式解释：

-泵浦功率与激光材料（放大介质）的荧光相竞争。泵浦增加了激光材料的激发态的群体。增益随激发态中群体的比例而增加。荧光与增益成比例。荧光在与激光相同的波长上为非相干发射。荧光消耗增益。在泵浦起始，没有大量的激发态，没有增益，没有荧光。增益随着泵浦而增加。当其仍然很低时，荧光消耗很少增益。随着增益的增加，荧光限制该增加。最后，由泵浦提供的增益完全被荧光消耗。增益水平为最大值。该水平是泵浦功率的函数。

-N.B.：对于高泵浦功率，荧光不是限制增益的第一特征。增加增益的处理还可能受激光材料中可能产生的激发态的总量限制。

-时间常数在没有泵浦的情形下进行限定，其是一半激发态通过荧光而消失所需的持续时间。其是激光材料的固有特征，

-在时间常数内，每脉冲能量与泵浦持续时间成比例，

-超出时间常数，每脉冲能量固定，

-每脉冲能量与泵浦功率成比例（曲线“a”与曲线“b”“相似”）。

根据本发明的方法的效果是减小激光材料的等效时间常数。这通过将波长λ与由激光材料所发射的射束相同的射束注入到激光材料内来获得。在该材料中，由注入器发射的射束与增益量成比例地放大。由于泵浦是连续的，因此在由泵浦提供的增益和因注入放大造成的该增益消耗之间存在竞争。该注入将限制腔中超过某一水平的可用的增益G。对于给定泵浦水平，其等效于激光材料的激发态的寿命减小。等效寿命通过注入的功率水平来调整。Q开关必须阻止放大注入，以避免启动脉冲建构。当Q开关处于关闭状态时，射束由注入器发射。在泵浦持续时间内注入器的作用是有效的，当Q开关处于打开位置时其可以发射或不发射。

存储在激光材料中的能量受注入器的该增益消耗的限制。该增益限制防止能量过高的任何脉冲产生，与该脉冲之前经过的时间无关。

该被注入射束由激光介质放大，由此增益和能量则被限制。从而，注入器提供静态保护对抗具有过多能量的脉冲。

注入器通常用于增加激光发射质量，即纯度和谱位置、横模质量或时间脉冲精度。为此，注入器以激光器的发射模式和方向发射。在激光器中，极低的注入器功率就足够。由注入器发射的射束必须在激光腔中共振。当开关打开以助于所需发射时，注入器发射。注入器也可以用在连续激光器中。因此，根据本发明的用法与普通用法不一样。

图3示出了根据本发明的Q开关激光器的实例。Q开关激光器包括共振腔1，该共振腔1包括第一输出反射镜11和第二反射镜12；所示的Q开关激光器以L形状弯曲，但也可以成线性或环形。

Q开关激光器包括适于发射波长为λ的射束的激光材料10，该材料的实例为Nd:YAG，其中λ＝1.064μm，或者Ho:YAG，其中λ＝2.1μm。

腔1还包括，需要时实现脉冲发射的受控Q开关15。该Q开关可以是例如声光开关，该声光开关将来自共振（或调谐）腔路径的射束转向非共振（或去谐）腔路径，如图所示，在非共振腔路径中第二反射镜12接着起局部输出反射镜作用，反之亦然。当腔为非调谐时，泵浦功率存储在激光材料中。当腔为调谐时，如果增益足够则可以形成脉冲。在需要时使偏振改变方向的电光开关也可以用在选择光偏振的结构中，于是将偏振器添加在共振腔中。

腔1通过例如耦合反射镜22与连续泵浦源2耦合，该耦合反射镜22透过泵浦源的波长且反射由激光材料10发射的射束，但仍稍微透过激光波长。

具有相同波长λ的射束31的发射器3以将所述射束注入该材料的方式与激光材料10耦合。更一般地，该发射器3可以是发射谱覆盖Q开关激光器必须发射的谱发射带的任何连续发射光源。射束31在激光器的整个泵浦持续时间内保持连续发射。该发射器也被称为注入器。其位于共振腔1的外部，以避免受共振腔1发射的脉冲干扰。

例如，该注入器3为被动的，且其位于泵浦射束21的路径上，以便受该泵浦射束的控制。从而，注入器使用一小部分泵浦射束21。于是，这涉及被动保护。组件为静态的，没有主动控制来提供保护。注入器的发射没必要处于激光腔的共振模式中。

如图所示，其可以位于共振腔1之前的泵浦射束路径21中，注入经由与泵浦射束相同的路径来实现。根据一个变型，泵浦射束分成两部分，一部分直接被引向激光材料10，另一部分被引向位于泵浦材料路径之外的注入器3。

在被动注入器的情形中，在设计中所发射射束的功率是固定的。

根据不同的操作模式，注入器3为主动的且包括其独有的控制装置。其能够位于允许激光材料的分布照明尤其在泵浦射束21之外具有均匀效果的任何位置。

由注入器发射的射束31的功率在考虑到耦合反射镜的传输的情形下以下述方式进行调整，即将激光材料的增益G减小因数k，其中k是大于1.7的实数。

该注入器可以是电致发光二级管，或者自身可以为激光器，诸如激光二极管或由与激光器自身相同的材料组成的微芯片激光器，其平行表面在一侧反射、并且在输出侧上局部反射激光波长。被发射波长在激光器的腔中共振不是必须的。

在例如电致发光二极管或激光二极管的情形中，用于控制的手段和用于调整发射射束的功率的手段是电流。

除了已经提到的优点，还应该注意，由于不再需要考虑脉冲周期和在前脉冲的能量，因此Q开关的控制较简单。

此外，因可以在没有任何风险的情形下保持连续泵浦，因此即使在脉冲没有发射时也保持热稳定性。

图4示出了在连续泵浦A的情形中所获得的增益曲线的两个实例，一个带Q开关激光器的“a”如图1所述具有稳定增益G，另一个带Q开关激光器的“a”设置有根据本发明的注入器，该注入器被调整到允许G/5（k=5）的稳定增益水平的功率水平。

由于每脉冲能量类似于增益成比例地变化，因此对于任何大于150μs的周期每脉冲能量稳定在优于10%（从90至100任意单位）。然而，在没有注入器的情形下，每脉冲能量将变化300%（从170至500）。

从而，获得具有可变周期和受控的每脉冲能量的脉冲发射。

Claims (5)

1.一种使用激光器件的方法，所述激光器件连续地泵浦且发射具有可变周期和稳定的每脉冲能量的脉冲，所述激光器件包括：

-共振腔(1)，其包括具有稳定增益G且适于以波长λ发射激光脉冲的放大介质(10)和Q开关(15)，

-放大介质的连续泵浦源(2)，

-注入器(3)，其位于所述共振腔(1)之外，适于将波长为λ的射束发射到所述放大介质(10)内，

-用于调整注入射束的功率的装置，

其特征在于，所述方法包括在泵浦期间并且当Q开关处于关闭位置时注入器发射射束的步骤，并且被注入射束的功率调整为使放大介质的增益减小至G/k，其中k是大于1.7的实数。

2.根据前述权利要求所述的使用激光器件的方法，其特征在于，所述注入器通过所述泵浦源来控制。

3.一种适于发射可变周期脉冲的激光器件，其包括：

-共振腔(1)，其包括具有稳定增益G且适于以波长λ发射激光脉冲的放大介质(10)和Q开关(15)，

-放大介质的连续泵浦源(2)，

-注入器(3)，其位于所述共振腔(1)之外，适于将波长为λ的射束发射到所述放大介质(10)内，

其特征在于，该激光器件包括用于当Q开关处于关闭位置时调整被注入射束的功率且构造成将放大介质的增益减小至G/k的装置，其中k为大于1.7的实数。

4.根据前一权利要求所述的激光器件，其特征在于，所述注入器(3)布置在泵浦源-放大介质路径之外。

5.根据权利要求3和4中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述注入器(3)为激光二极管或微芯片激光器或电致发光二极管。