CN103259182B

CN103259182B - 奇次通过旋光性晶体的宽波段通用电光调q开关及调q激光器

Info

Publication number: CN103259182B
Application number: CN201310150215.7A
Authority: CN
Inventors: 王继扬; 张怀金; 于浩海; 秘国江
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: CN103259182A

Abstract

本发明涉及单次或奇次通过旋光性晶体的宽波段通用电光调Q开关及调Q激光器。该电光调Q开关包括沿激光光路依次设置的偏振片、旋光性晶体硅酸镓镧电光器件和四分之一波片，其中四分之一波片的光轴与通过硅酸镓镧晶体器件后激光的偏振方向成45度角。发明电光调Q开关用于调Q激光器，可实现从可见光到3微米中红外波段激光的调制，获得电光调制脉冲激光输出。制备的器件可以实现单次或奇次通过旋光性电光晶体实现电光调Q运转，具有通用性好、适用波段宽的特点，且结构紧凑、成本低、稳定性好，适于工业化生产。

Description

奇次通过旋光性晶体的宽波段通用电光调Q开关及调Q激光器

技术领域

本发明涉及一种单次或奇次通过旋光性晶体的宽波段通用电光调Q开关器件及调Q激光器，属于激光器件领域。

背景技术

大脉冲、高重频、高低温适用激光器在医疗、科技和测量方面有广泛应用，特别是近年来在国防和国家安全领域如测距、激光拒止和红外对抗等方面都有十分迫切的需求。电光调Q是直接产生大能量脉冲激光唯一实用技术。电光调Q开关中应用最为广泛的事电光晶体。自激光发明以来可用电光晶体种类有限，最常用的有磷酸二氘钾（KH₂PO₄，简称：KDP）、铌酸锂（LiNbO₃，简称：LN）、偏硼酸钡（β-BaB₂O₄，简称：β-BBO）3种，它们满足了电光调Q的基本需求，但具有一定局限性，其中DKDP晶体在重水溶液中生长，易潮解，不适于野外应用；LN光损伤阈值低，不适于在高功率激光下应用；β-BBO采用助熔剂方法生长，生长周期长且难获得大尺寸优质晶体，成品低，价格高。近年来，新发展的磷酸钛氧铷（RbTiPO₄简称：RTP）晶体，结构对称性低，需成对使用对晶体的双折射进行补偿，器件结构复杂，成本高温度适用范围小。硅酸镓镧（La₃Ga₅SiO₁₄，简称：LGS）晶体有良好的电光性质，不潮解、光损伤阈值较高（10倍LN）、可提拉法生长大尺寸晶体、对称性高（三方结构），透过波段宽（400nm到3微米透过），是综合性能优越的电光晶体，但该晶体存在的旋光性影响其在电光Q开关中应用，长期无人问津。为克服旋光影响，激光器在设计时使腔内振荡激光偶次通过LGS电光晶体器件，利用旋光可逆效应消除旋光效果，参见：王继扬，尹鑫，张少军，张怀金，蒋民华，硅酸镓镧单晶的生长、性质及电光应用的研究，物理学进展，27,344（2007）。因此，在利用LGS晶体制作电光器件应用时，偶次通过晶体所设计的激光器常采用侧面泵浦，激光器结构复杂、体积较大，不利于小型化和简化激光器结构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种单次或奇次通过旋光性晶体的宽波段通用电光调Q开关，适用于可见到中红外的宽波段激光调Q器件。

本发明还提供利用所述调Q开关的调Q激光器。

术语说明：

旋光性晶体与电光调Q。旋光效应是一种对于左旋偏振光和右旋偏振光的双折射，当光线（此处指激光）通过旋光性的电光晶体时，其偏振方向随光线的传播而发生变化，偏振角度变化θ为：θ＝ρz，其中，ρ为旋光度，z为沿着晶体光学Z坐标轴方向的长度。基于旋光理论[参考文献：Light propagation in an optically active plate with topological charge，Appl.Phys.Lett,101,171114(2012)]旋光在引起偏振方向发生变化的同时，还会引起偏振光相位的变化。电光调制是通过外加电场调制晶体双折射中光之间的相对相位的过程。由于双折射两束光的偏振方向是垂直的，任何偏振方式的光均可分解为这两类光的叠加形式；也就是说光线在具旋光性的晶体中传播时，虽然其偏振方向发生了变化，但仍可分解为两束双折射偏振光，且分解后偏振光的相对相位与旋光性无关，即旋光过程仅仅是引起了偏振方向的变化，而并不影响电光效应，故可以旋转偏振片方向，保证激光入射面的偏振方向与出射面的偏振方向满足电光调Q要求，最终实现电光调Q过程。

本发明的技术方案如下：

一种单次或奇次通过旋光性晶体的通用宽波段电光调Q开关，其包括：沿激光光路依次设置的偏振片、旋光性晶体硅酸镓镧（LGS）电光器件和四分之一波片，其中四分之一波片的光轴与通过硅酸镓镧晶体器件后激光的偏振方向成45度角。

根据本发明优选的，所述四分之一波片为对针对激光波长产生寻常光与非寻常光相位差为

根据本发明优选的，该电光调Q开关中，所述硅酸镓镧器件的通光面为边平行于硅酸镓镧晶体的X和Y轴正方形或者长方形，边长为1-20毫米，优选的为3-10毫米。

根据本发明优选的，该电光调Q开关中，所述硅酸镓镧器件的通光方向为硅酸镓镧电光晶体的光学主轴Z方向，硅酸镓镧器件通光方向的长度为5～80毫米，优选长度为15～60毫米。更优选，通光方向的长度为20～40毫米。

根据本发明优选的，该电光调Q开关中，所述硅酸镓镧器件垂直于通光方向的面是表面光学抛光，且镀以对激光透过率大于99%的膜或者不镀膜；垂直于光学主轴Z方向的XZ面或YZ面镀以金属膜层作为电极，优选的所述金属膜层是金（Au）或钛（Ti）。

本发明的LGS调Q开关中，偏振片是产生偏振和检测的器件，当偏振片可通过的偏振方向与激光的偏振方向相同时，可以使激光无损耗的通过，反之，则激光无法通过；LGS电光晶体为通过外加电场实现电光调制双折射偏振光相位差的介质；四分之一波片为对针对激光波长产生寻常光与非寻常光相位差为

外加电场通过电极（LGS晶体两端的金属膜层）在LGS晶体内部产生电场，使其晶体内部X和Y方向的相对折射率发生变化，使其激光在寻常光和非寻常光的相对相位产生

的相位差，此时，激光通过四分之一波片使其相对相位变为π，当通过输出镜之后部分反射回来的激光双次通过电光调Q晶体和四分之一波片，产生相位差为2π，可使激光无损耗的振荡；当不加外部电场时，只有四分之一波片对激光相对相位进行调制，反射回的激光无法通过偏振片，引起损耗，使激光振荡停止；因此可通过外部电场对腔内损耗进行调节，当激光谐振腔内激光单次或奇次通过电光调Q开关时即可产生脉冲激光。

本发明的电光调Q开关的应用，用于调Q激光器，可实现从可见光到3微米中红外波段激光的调制，获得电光调制脉冲激光输出。

一种调Q激光器，包括使用本发明的电光调Q开关，设置有光源、腔镜或/和聚焦系统、激光增益介质、电光调Q开关、输出镜，所述光源为半导体二极管或氙灯，激光泵浦方式为侧面泵浦激光或端面泵浦激光。

根据本发明优选的，调Q激光器中，所述激光增益介质是镨掺杂钇铝石榴石晶体、钕掺杂钇铝石榴石晶体、铒掺杂钇铝石榴石晶体或铥掺杂钇铝石榴石晶体。

根据本发明优选的，调Q激光器中，所述电光调Q开关的硅酸镓镧器件的金属膜层与高压电源的正负极连接，通过调节电源的电压对电光LGS晶体施加高压电场，当电场使通过电光晶体内部的相对相位差为

时，此时，激光通过四分之一波片后，其相对相位变为π，当通过输出镜之后部分反射回来的激光双次通过电光调Q晶体和四分之一波片，产生相位差为2π，可使激光无损耗的振荡；当不加外部电场时，只有四分之一波片对激光相对相位进行调制，反射回的激光无法通过偏振片，引起损耗，使激光振荡停止。通过对电场进行调节，使激光的相位差在

之间切换，可以获得脉冲激光输出。

根据本发明及现有技术，调Q激光器中，腔镜、激光增益介质、输出镜等部件，有时需要镀以对特定激光波长高反射或高透过的介质膜，根据激光泵浦方式的不同加以选定，均可按现有技术设计，在次不再赘述，

本发明电光调Q开关在应用于激光器时，具有以下优量效果：

1.结构紧凑。激光谐振腔内激光单次或奇次通过即可产生脉冲激光，无需两次或偶次通过，可以使激光产生系统更加紧凑，尺寸可以至少减小一倍。

2.设计简单。基于本发明LGS电光开关的激光器，仅仅是对四分之一波段和偏振片的角度进行了旋转，无需两次或偶次通过设计，使设计更为简单。

3.成本低，便于产业化。基于本发明LGS电光开关的激光器，可以减小激光器所用腔镜的数量，降低成本，便于产业化。

4.结构稳定。基于本发明LGS电光开关的激光器，所用元件较少，使其结构更为稳定，适合野外复杂环境使用。

本发明很好地弥补了现有技术的不足，满足宽波段激光电光器件的重要需求，本发明提供了一种从近红外至中红外激光通用、奇次通过旋光性电光调Q开关激光器件。该类单次或奇次通过LGS电光开关器件可以大大降低激光器的设计的难度和体积，特别是基于该技术的宽波段激光通用LGS电光开关的研制，可以满足中红外波段激光用电光调Q开关的急需，并具有易产业化等优势，为具有旋光性电光晶体实用化开辟了一条新的途径。

附图说明

图1为本发明的电光调Q开关示意图；

图2基于本发明电光调Q开关的侧面泵浦激光示意图；

图3基于本发明电光调Q开关的端面泵浦激光示意图；

其中，1为偏振片，2为LGS电光晶体器件，3为表面镀以的金属膜，4为四分之一波段，5为腔镜，6为激光增益介质，7为氙灯，8为输出镜，9为半导体二极管，10为聚焦系统。11为四分之一波片的光轴，12为激光的偏振方向。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不限于此。

实施例1、单次或奇次通过旋光性晶体的宽波段通用电光调Q开关

一种电光调Q开关，结构如图1所示，沿激光光路依次设置有偏振片1、旋光性晶体硅酸镓镧（LGS）电光器件2和四分之一波片4，该四分之一波片4的光轴与通过硅酸镓镧晶体器件后激光的偏振方向成45度角，且四分之一波片为对针对输出激光波长产生寻常光与非寻常光相位差为的波片。所述LGS器件2的通光面为边长为5毫米的正方形，通光面的两个边平行于硅酸镓镧晶体的X和Y轴，通光面抛光并镀以对激光工作波长透过率大于99%的介质膜，在XZ面的镀以金属膜3，金属膜为Au膜,通光方向LGS器件长度为25毫米。

实施例2、电光调Q开关的应用：一种调Q激光器，具体是氙灯侧面泵浦镨掺杂钇铝石榴石晶体电光调Q0.5微米激光器。设置有氙灯光源7、腔镜8、激光增益介质8、电光调Q开关、输出镜8，激光泵浦方式为侧面浦激光。如图2所示。

所述激光增益介质6为镨掺杂钇铝石榴石晶体，沿该晶体[111]方向切割成圆柱体，通光面半径为3毫米，长度为10毫米；所用调Q激光器依次设置为偏振片1、LGS晶体电光器件2和四分之一波片4，LGS晶体器件2的通光面为边长2毫米的正方形，相邻两边分别平行于LGS晶体的X和Y轴，LGS晶体通光面抛光并镀以对激光0.5微米波段透过率大于99%的介质膜，YZ面镀以Au金属膜3作为电极，通光长度为10毫米；四分之一波片4为对0.5微米激光可产生

的相位差的波片。

所述腔镜5镀以对0.5微米全反射的介质膜，输出镜8镀以对0.5微米波段透过率为20%的介质膜，在LGS晶体上通过电极金属膜3施加与氙灯7驱动频率（1Hz）相同频率的外加电场，旋转四分之一波片4使其光轴与通过LGS晶体后的偏振方向成45度，获得0.5微米调Q激光输出。

实施例3：氙灯侧面泵浦钕掺杂钇铝石榴石晶体电光调Q1.06微米激光器

如实施例2所述，所不同的是，激光增益介质6（激光晶体）为钕掺杂钇铝石榴石晶体；所用LGS晶体器件2的通光面为边长3毫米的正方形，通光面抛光并镀以对激光1.06微米波段透过率大于99%的介质膜，XZ面镀以金金属膜3，通光长度为20毫米；四分之一波片4为对1.06微米激光可产生

的相位差的波片。腔镜5为镀以对1.06微米全反射的介质膜，输出镜8镀以对1.06微米透过率为50%的介质膜，在LGS晶体上通过电极加入与氙灯频率驱动频率（10Hz）相同的外加电场，旋转四分之一波片4使其光轴与通过LGS晶体后的偏振方向成45度可获得1.06微米调Q激光输出。

实施例4：氙灯侧面泵浦钕掺杂钇铝石榴石晶体电光调Q1.3微米激光器

与实施例1相似，所不同的是钕掺杂钇铝石榴石晶体6表面镀以对1.06和1.3微米同时高透过的介质膜；LGS电光晶体2表面镀以对1.06和1.3微米同时透过率大于99%的介质膜，通光面边长为5毫米，通光面抛光并镀以对激光1.06微米和1.3微米波段透过率大于99%的介质膜，垂直于Y轴的面镀以钛金属膜3，通光长度为30毫米；四分之一波片4为对1.3微米激光可产生

的相位差的波片；腔镜5镀以对1.06微米透过率大于90%且对1.3微米全反射的介质膜，

输出镜8为镀以对1.06微米透过率大于90%且对1.3微米反射率为80%的介质膜。在LGS晶体上通过电极加入与氙灯频率驱动频率（50Hz）相同的外加电场，旋转四分之一波片4使其光轴与通过LGS晶体后的偏振方向成45度可获得1.3微米调Q激光输出。

实施例5：氙灯侧面泵浦铒掺杂钇铝石榴石晶体电光调Q1.5微米激光器

与实施例1相似，所不同的是铒掺杂钇铝石榴石晶体6表面镀以对1.5微米高透过的介质膜；LGS电光晶体2表面镀以对1.5微米透过率大于99%的介质膜，通光面边长为8毫米，通光面抛光并镀以对激光1.5微米波段透过率大于99%的介质膜，垂直于Y轴的面镀以银金属膜3，通光长度为50毫米；四分之一波片4为对1.5微米激光可产生

的相位差的波片；腔镜5镀以对1.5微米反射大于90%的介质膜，输出镜8为镀以对1.5微米反射率大于90%的介质膜。在LGS晶体上通过电极加入与氙灯频率驱动频率（100Hz）相同的外加电场，旋转四分之一波片4使其光轴与通过LGS晶体后的偏振方向成45度可获得1.5微米调Q激光输出。

实施例6：半导体二极管泵浦铥掺杂钇铝石榴石晶体电光调Q2微米激光器

电光调Q2微米激光器结构如图3所示，以发射波长为793纳米的半导体二极管9作为泵浦光源，通过聚焦系统10将泵浦光聚焦于铥掺杂钇铝石榴石晶体6中。聚焦系统10的由聚焦镜或聚焦镜组组成，其目的是使激光聚焦于激光晶体中。

铥掺杂钇铝石榴石沿[111]方向切割，截面边长为5毫米，长度为10毫米，通光面镀以对2微米波段透过率大于99%的介质膜。所用LGS晶体通光面边长为10毫米的正方形，两个边长平行于其X和Y轴，通光面抛光并镀以对激光2微米波段透过率大于99%的介质膜，垂直于Y轴的面镀以金金属膜，通光长度为50毫米；四分之一波片4为对2微米激光可产生

的相位差的波片；腔镜5镀以对2微米反射率大于90%全反射的介质膜，输出镜8为镀以对2微米反射率为90%的介质膜。LGS通光面在LGS晶体上通过电极加入驱动频率50Hz的外加电场，旋转四分之一波片4使其光轴与通过LGS晶体后的偏振方向成45度可获得2微米调Q激光输出。

实施例7：半导体二极管泵浦铒掺杂钇铝石榴石晶体电光调Q2.8微米附近激光器

如实施例4所述，所不同的是以1.6微米半导体二极管作为泵浦源9；所用钇铝石榴石晶体6表面镀以对2.8微米和1.6微米同时透过率为99%的介质膜；所用LGS晶体2通光面边长为15毫米的正方形，两个边长平行于其X和Y轴，通光面抛光并镀以对激光1.06微米波段透过率大于99%的介质膜，YZ面镀以金金属膜3作为电极，通过电极加入驱动频率1千Hz的外加电场，通光长度为60毫米；四分之一波片4为对2.8微米附近激光可产生

的相位差的波片；旋转四分之一波片4使其光轴与通过LGS晶体后的偏振方向成45度可获得2.8微米调Q激光输出。

Claims

1.一种奇次通过旋光性晶体的通用宽波段电光调Q开关，其包括：沿激光光路依次设置的偏振片、旋光性晶体硅酸镓镧（LGS）电光器件和四分之一波片，其中四分之一波片的光轴与通过硅酸镓镧晶体器件后激光的偏振方向成45度角；

所述四分之一波片为对针对激光波长产生寻常光与非寻常光相位差为

Figure 2013101502157100001DEST_PATH_IMAGE001

。

2.如权利要求1所述的电光调Q开关，其特征在于所述硅酸镓镧电光器件的通光面为边平行于硅酸镓镧晶体的X和Y轴正方形或者长方形，边长为1-20 毫米。

3.如权利要求1所述的电光调Q开关，其特征在于所述硅酸镓镧电光器件的通光方向为硅酸镓镧电光晶体的光学主轴Z方向，硅酸镓镧器件通光方向的长度为5~80毫米。

4.如权利要求3所述的电光调Q开关，其特征在于所述硅酸镓镧电光器件的通光方向的长度为20~40毫米。

5.如权利要求1所述的电光调Q开关，其特征在于所述硅酸镓镧电光器件垂直于通光方向的面是表面光学抛光，且镀以对激光透过率大于99%的膜或者不镀膜；垂直于光学主轴Z方向的XZ面或YZ面镀以金属膜层作为电极。

6.如权利要求5所述的电光调Q开关，其特征在于所述金属膜层是金或钛。

7.权利要求1~6任一项所述的电光调Q开关的应用，用于调Q激光器，可实现从可见光到3微米中红外波段激光的调制，获得电光调制脉冲激光输出。

8.一种调Q激光器，包括权利要求1~6任一项所述的电光调Q开关，设置有光源、腔镜或/和聚焦系统、激光增益介质、电光调Q开关、输出镜，所述光源为半导体二极管或氙灯，激光泵浦方式为侧面泵浦激光或端面泵浦激光。

9.如权利要求8所述的调Q激光器，其特征在于所述激光增益介质是镨掺杂钇铝石榴石晶体、钕掺杂钇铝石榴石晶体、铒掺杂钇铝石榴石晶体或铥掺杂钇铝石榴石晶体。

10.如权利要求8所述的调Q激光器，其特征在于所述电光调Q开关的硅酸镓镧器件的金属膜层与高压电源的正负极连接，通过调节电源的电压对电光LGS晶体施加高压电场，当电场使通过电光晶体内部的相对相位差为

时，此时，激光通过四分之一波片后，其相对相位变为π，当通过输出镜之后部分反射回来的激光双次通过电光调Q晶体和四分之一波片，产生相位差为2π，可使激光无损耗的振荡；当不加外部电场时，只有四分之一波片对激光相对相位进行调制，反射回的激光无法通过偏振片，引起损耗，使激光振荡停止；通过对电场进行调节，使激光的相位差在0~

之间切换，可以获得脉冲激光输出。