CN103779776A - 基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器。利用电光晶体的电光效应，通过调整从动腔中电光晶体的方向，使得外加电场不改变种子光的偏振状态，仅仅改变其相位。在每个泵浦周期，电光晶体驱动电源给电光晶体施加一线性斜坡电压，电光晶体的折射率随之线性变化，进而改变光学腔长。光电二极管检测到种子光经过从动腔形成的干涉信号的峰值后，打开调Q开关，随即输出单频脉冲激光。该激光器具有工作重频高，频率稳定性高，抗干扰能力强，寿命长，结构紧凑的特点，不仅能适应一般的工作环境要求，还能适应机载和星载要求。

Description

基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器

技术领域

本发明涉及单频激光器，特别是一种基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器。

背景技术

单频脉冲激光器在激光雷达、高分辨率激光光谱、相干通信、精密检测、引力波探测等领域有着广泛的应用。目前脉冲激光器中实现单频普遍采用的技术路线就是种子注入方法。获得高可靠的种子注入效果的关键在于种子光频率与从动腔的某个纵模频率匹配。所以在种子注入激光器中需要一个腔长控制系统对从动腔的腔长进行控制。

常用的腔长控制技术有建立时间最小化技术和谐振探测技术。上述两种腔长控制技术都是将压电陶瓷固定在激光器的腔镜上，压电陶瓷驱动电源给压电陶瓷施加电压来改变腔长。一方面，由于压电陶瓷存在机械振荡和非线性效应，使得系统对从动腔的腔长的控制和反馈的精度受到了限制，进而影响输出激光的频率稳定性。另一方面，想要进一步提高激光器的工作重频，对压电陶瓷的驱动要求会增加，压电陶瓷的响应会逐渐变差，使用寿命会减少，进而导致系统稳定性变差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器。该激光器具有工作重频高、频率稳定性高、抗干扰能力强、寿命长和结构紧凑的特点，不仅能适应一般的工作环境要求，还能适应机载和星载要求。

本发明的基本思想是：

在种子注入单频脉冲激光器从动腔中插入电光晶体，利用电光晶体的电光效应，通过调整从动腔中电光晶体的方向，使得外加电场不改变种子光的偏振状态，仅仅改变其相位。在每个泵浦周期，电光晶体驱动电源给电光晶体施加一线性斜坡电压，电光晶体的折射率随之线性变化，进而改变光学腔长。光电二极管检测到种子光经过从动腔形成的干涉信号的峰值后，打开调Q开关，随即输出单频脉冲激光。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频激光器，特点在于其结构包括腔外种子注入光路、折叠从动谐振腔、电学控制处理三部分：

所述的腔外种子注入光路部分包括种子激光器，沿该种子激光器的激光输出方向依次是隔离器、第一半波片、第一四分之一波片、与光路成45°放置的第一反射镜和第二反射镜、第一耦合透镜、第二耦合透镜组成，所述的45°反射镜组使种子光进入所述的折叠从动谐振腔内，并且种子光与所述的折叠从动腔的振荡光路一致；

所述的折叠从动谐振腔依次由后腔镜、调Q晶体、第二四分之一波片、布儒斯特角起偏器、第三四分之一波片、第一分光镜、增益介质、第二分光镜、第四四分之一波片、第二半波片、电光晶体、输出镜组成。该折叠从动谐振腔采用双端泵浦，一端为第一泵浦源，另一端为第二泵浦源。

所述的电学控制处理部分由光电二极管、时序控制系统、泵浦驱动电源、电光晶体驱动电源、调Q电路组成。所述的光电二极管设置在所述的布儒斯特角起偏器的反射光方向。所述的时序控制系统的输入端与所述的光电二极管的输出端相连，所述的时序控制系统的输出端分别与所述的泵浦驱动电源的输入端、所述的电光晶体驱动电源的输入端，所述的调Q电路的输入端相连。所述的泵浦驱动电源的输出端与所述的第一泵浦源和第二泵浦源的输入端相连，所述的电光晶体驱动电源的输出端与所述的电光晶体的输入端相连，所述的调Q电路的输出端与所述的调Q晶体的输入端相连。

所述的种子激光器输出单频连续激光，线宽在kHz量级。

所述的隔离器防止从动腔产生的激光损伤种子激光器。

所述的第一半波片和第一四分之一波片可以产生满足谐振探测要求的椭圆偏振光。

所述的第一耦合透镜和第二耦合透镜对种子光束进行变换耦合。

所述的调Q晶体、第二四分之一波片、布儒斯特角起偏器构成电光调Q开关。

所述的第三四分之一波片和第四四分之一波片用来消除驻波腔的空间烧孔效应。

所述的第二半波片是为了调整种子光的偏振态，使其与电光晶体的感应折射率主轴的方向一致。

所述的时序控制系统的控制过程包括下列步骤：

1.所述的时序控制系统在每一个周期给所述的泵浦驱动电源发出触发信号，泵浦驱动电源检测到触发信号后给所述的第一泵浦源和第二泵浦源进行泵浦；

2.所述的时序控制系统给所述的电光晶体驱动电源发出触发信号。该电光晶体驱动电源向所述的电光晶体施加线性斜坡扫描电压对腔长进行扫描；

3.所述的时序控制系统接收所述的光电二极管的信号，当检测到干涉信号峰值时，向所述调Q电路发出触发信号。该调Q电路接收到触发信号后向所述的调Q晶体输出电压，激光器随即输出单频脉冲激光。

本发明具有以下优点是：

采用电光晶体调谐腔长，可以实现系统的高性能的腔长反馈，保证激光器工作重频高、频率稳定性高、抗干扰能力强、使用寿命长。这使得该激光器不仅能适应一般的工作环境要求，还能适应机载和星载要求。

附图说明

图1是本发明激光器的光学系统图；

图2是本发明激光器的电学控制处理连接图；

图3是电光晶体加载扫描电压后种子光的干涉信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参照图1，图1是本发明种子注入单频脉冲激光器的结构示意图。由图可见，本发明种子注入单频脉冲激光器包括腔外种子注入光路、折叠从动谐振腔、电学控制处理三部分：

所述的腔外种子注入光路部分包括种子激光器1-1，沿该种子激光器1-1的激光输出方向依次是隔离器1-2、第一半波片1-3、第一四分之一波片1-4、与光路成45°放置的第一反射镜1-5和第二反射镜1-6、第一耦合透镜1-7、第二耦合透镜1-8组成，所述的45°反射镜组1-5和1-6使种子光进入所述的折叠从动谐振腔内，并且种子光与所述的折叠从动腔的振荡光路一致；

所述的折叠从动谐振腔依次由后腔镜2-1、调Q晶体2-2、第二四分之一波片2-3、布儒斯特角起偏器2-4、第三四分之一波片2-5、第一分光镜2-7、增益介质2-8、第二分光镜2-9、第四四分之一波片2-11、第二半波片2-12、电光晶体2-13、输出镜2-14组成。该折叠从动谐振腔采用双端泵浦，一端为第一泵浦源2-6，另一端为第二泵浦源2-10。

所述的电学控制处理部分由光电二极管3-1、时序控制系统3-2、泵浦驱动电源3-3、电光晶体驱动电源3-4、调Q电路3-5组成。所述的光电二极管3-1设置在所述的布儒斯特角起偏器2-4的反射光方向。所述的时序控制系统3-2的输入端与所述的光电二极管3-1的输出端相连，所述的时序控制系统3-2的输出端分别与所述的泵浦驱动电源3-3的输入端、所述的电光晶体驱动电源3-4的输入端，所述的调Q电路3-5的输入端相连。所述的泵浦驱动电源3-3的输出端与所述的第一泵浦源2-6和第二泵浦源2-10的输入端相连，所述的电光晶体驱动电源3-4的输出端与所述的电光晶体2-13的输入端相连，所述的调Q电路3-5的输出端与所述的调Q晶体2-2的输入端相连。

所述的种子激光器1-1输出单频连续激光，线宽在kHz量级。所述的隔离器1-2防止从动腔产生的激光损伤种子激光器。所述的第一半波片1-3和第一四分之一波片1-4可以产生满足谐振探测所需要的椭圆偏振光。种子光经后腔镜2-1进入到谐振腔内，经过布儒斯特角起偏片2-4时s光被反出腔外，透过的p光再经过一次从动谐振腔后在布儒斯特角起偏片2-4之前变成了s光，也被反出腔外。两次反出的s光相干涉，其干涉信号包含了腔长信息，图3为种子光的干涉信号。所述的第一耦合透镜1-7和第二耦合透镜1-8对种子光束进行变换耦合，使得种子激光在从动腔内与其振荡光束有着同样光斑大小。

所述的后腔镜2-1和输出镜2-14都是平镜，对1064nm激光的透射率分别为5%和60%。所述的调Q晶体2-2、第二四分之一波片2-3、布儒斯特角起偏器2-4构成电光调Q开关。所述的调Q晶体为磷酸钛氧铷（RTP）。所述的第一分光镜2-7和第二分光镜2-9都是对808nm泵浦光高透并且对1064nm振荡激光高反；所述的增益介质2-8为键合Nd:YAG。所述的第三四分之一波片2-5和第四四分之一波片2-11通过旋转合适的角度消除驻波腔的空间烧孔效应。所述的第二半波片2-12是为了调整种子光的偏振态，使其与电光晶体的感应折射率主轴的方向一致。所述的电光晶体2-13为铌酸锂晶体。

请参照图2，所述的时序控制系统3-2的控制过程包括下列步骤：

1.所述的时序控制系统3-2在每一个周期给所述的泵浦驱动电3-3发出触发信号，泵浦驱动电源3-3检测到触发信号后给所述的第一泵浦源2-6和第二泵浦源2-10进行泵浦；

2.所述的时序控制系统3-3给所述的电光晶体驱动电源3-4发出触发信号。该电光晶体驱动电源3-4向所述的电光晶体2-13施加线性斜坡扫描电压对腔长进行扫描；

3.所述的时序控制系统3-2接收所述的光电二极管3-1的信号，当检测到干涉峰值时，向所述调Q电路3-5发出触发信号。该调Q电路3-5接收到触发信号后向所述的调Q晶体2-2输出电压，激光器随即输出单频脉冲激光。

下面是本发明一个具体实施例的参数：

泵浦采用峰值功率为150W、中心波长为808nm的脉冲运转激光二极管，泵浦周期为2.5ms，占空比为10%。增益介质2－8采用

的键合晶体棒YAG/Nd:YAG/YAG，中间为20mm的掺杂区，掺杂浓度为0.3at.%。谐振腔后腔镜和输出镜都是平镜，对1064nm激光的透射率分别为5%和60%。第一分光镜2－7和第二分光镜2－9都是对808nm泵浦光高透并且对1064nm振荡激光高反。采用磷酸钛氧铷（RTP）做调Q晶体2－2，采用铌酸锂晶体做电光相位调制晶体2－13。利用谐振探测方法获得了种子注入单频脉冲激光。在400Hz的脉冲重复频率下输出4mJ脉冲能量的1064nm单频脉冲激光，输出激光脉宽12ns。

实验表明，本发明具有高重复频率、高频率稳定性、结构紧凑、工作稳定、使用寿命长的特点。

Claims (3)

1.一种基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器，特征在于其结构包括腔外种子注入光路、折叠从动谐振腔、电学控制处理三部分：

所述的腔外种子注入光路部分包括种子激光器(1-1)，沿该种子激光器(1-1)的激光输出方向依次由隔离器(1-2)、第一半波片(1-3)、第一四分之一波片(1-4)、与光路成45°放置的第一反射镜(1-5)和第二反射镜（1-6)、第一耦合透镜(1-7)、第二耦合透镜(1-8)组成，所述的45°第一反射镜(1-5)和第二反射镜（1-6)使种子光进入所述的折叠从动谐振腔内，并且种子光与所述的折叠从动腔的振荡光路一致；

所述的折叠从动谐振腔依次由后腔镜(2-1)、调Q晶体(2-2)、第二四分之一波片(2-3)、布儒斯特角起偏器(2-4)、第三四分之一波片(2-5)、第一分光镜(2-7)、增益介质(2-8)、第二分光镜(2-9)、第四四分之一波片(2-11)、第二半波片(2-12)、电光晶体(2-13)、输出镜(2-14)组成，该折叠从动谐振腔采用双端泵浦，一端为第一泵浦源(2-6)，另一端为第二泵浦源(2-10)；

所述的电学控制处理部分由光电二极管(3-1)、时序控制系统(3-2)、泵浦驱动电源(3-3)、电光晶体驱动电源(3-4)、调Q电路(3-5)组成，所述的光电二极管(3-1)设置在所述的布儒斯特角起偏器（2-4）的反射光方向，所述的时序控制系统（3-2）的输入端与所述的光电二极管(3-1)的输出端相连，所述的时序控制系统(3-2)的输出端分别与所述的泵浦驱动电源(3-3)的输入端、所述的电光晶体驱动电源(3-4)的输入端和所述的调Q电路（3-5）的输入端相连，所述的泵浦驱动电源（3-3）的输出端与所述的第一泵浦源（2-6）和第二泵浦源（2-10）的输入端相连，所述的电光晶体驱动电源（3-4）的输出端与所述的电光晶体（2-13）的输入端相连，所述的调Q电路（3-5）的输出端与所述的调Q晶体（2-2）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器，其特征在于所述的种子激光器（1-1）输出单频连续激光，线宽在kHz量级。

3.根据权利要求1所述的基于电光晶体调谐腔长的种子注入单频脉冲激光器，其特征在于所述的时序控制系统（3-2）的控制过程包括下列步骤：所述的时序控制系统（3-2）给所述的泵浦驱动电源（3-3）发出触发信号，泵浦驱动电源（3-3）检测到触发信号后给所述的第一泵浦源（2-6）和第二泵浦源（2-10）进行泵浦；所述的时序控制系统（3-3）给所述的电光晶体驱动电源（3-4）发出触发信号，该电光晶体驱动电源（3-4）向所述的电光晶体（2-13）施加线性斜坡扫描电压对腔长进行扫描；所述的时序控制系统（3-2）接收所述的光电二极管（3-1）的信号，当检测到干涉峰值时，向所述调Q电路（3-5）发出触发信号，该调Q电路（3-5）接收到触发信号后向所述的调Q晶体（2-2）输出电压，激光器随即输出单频脉冲激光。

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