CN103825183B - 一种光脉冲增频器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光脉冲增频器，包括光线准直装置、光隔离器、主分束镜、多个全反镜和多个次分束镜，每个次分束镜的入射光反射方向上均设有全反镜；多个次分束镜形成第一分束镜组和第二分束镜组，每组分束镜组中的多个次分束镜呈串接设置；入射光经入射光进口分为两束光，其中一束光透过主分束镜依次进入第一分束镜组中的各个次分束镜，另一束光经主分束镜反射后进入第二分束镜组中的各次分束镜，经所有次分束镜反射后的光经全反镜全反射后依次由出射光脉冲出口输出。本发明通过光脉冲频率的增加，能够使得种子光的重复频率进一步提高，为多脉冲的激光器放大以及高频激光器的实现提供一种新的方法，有利于激光产业及高频光脉冲的发展。

Description

一种光脉冲增频器

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地讲，涉及一种光脉冲增频器。

背景技术

随着激光产业的发展，对激光器的功率以及光脉冲的作用提出了更进一步的要求。特别是在激光打孔，激光加工方面以及材料、生物等研究领域，高重频脉冲激光器越来越受到工业界的亲睐，同时也是超精细激光加工、高精度卫星激光测距等领域的理想光源，在我国先进制造业技术改造与升级、国家卫星测距网组建方面起着越来越重要的作用。

在激光器中由于谐振腔长度的限制，特别是在锁模产生的超短脉冲中，不容易获得高重复频率的光脉冲，从而限制了脉冲激光器的整体功率提升，特别是在再生放大器中，要想获得多个脉冲的输出，不得不增加再生腔腔长，从而导致整个激光器体积较大，稳定性不高。

美国专利说明书US5293389公开了一种多脉冲光束产生器。其采用光纤来扩大光脉冲之间的光程差，当一个光脉冲输入的时候，获得至少3个脉冲的输出。并将产生的多脉冲激光用来加工，获得了良好的效果。虽然该多脉冲光束产生器采用了光纤来延长光脉冲之间的光程差，获得多脉冲输出，但光纤过长，光程差过大，得不到高重复频率的光脉冲输出，同时要求入射光为偏振光。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种光脉冲增频器，使单个光脉冲在时间上进行变换，实现单个光脉冲变成多个脉冲的输出，从而达到了对光脉冲的频率进行增频的效果，能够使得种子光(即入射光)的重复频率进一步提高。

所述技术方案如下：

一种光脉冲增频器，包括箱体及位于所述箱体内的光学组件，所述箱体上设有入射光进口和出射光脉冲出口，所述光学组件包括光线准直装置、光隔离器、主分束镜、多个全反镜和多个次分束镜，每个所述次分束镜的入射光反射方向上均设有全反镜；多个次分束镜共形成两组分束镜组，分别为第一分束镜组和第二分束镜组，每组分束镜组中的多个次分束镜呈串接设置；所述入射光经所述入射光进口依次经所述光线准直装置、光隔离器进入主分束镜，所述主分束镜将入射光分为两束光，其中一束光透过所述主分束镜依次进入所述第一分束镜组中的各个次分束镜，另一束光经所述主分束镜反射后进入所述的第二分束镜组中的各次分束镜，经所有所述的次分束镜反射后的光经所述全反镜全反射后依次由所述的出射光脉冲出口输出。

所述光隔离器和所述的主分束镜之间设有两个45°全反镜，经所述光隔离器出射的光线依次经两45°全反镜反射后进入所述的主分束镜，所述主分束镜的入射光与所述光隔离器的出射光形成180°角。

所述的第一分束镜组与所述第二分束镜组平行设置，所述主分束镜的反射光经所述全反镜反射后进入所述的第二分束镜组，所述第一分束镜组的透射光与所述第二分束镜组的透射光同向设置。

各所述次分束镜的反射光经所述全反镜M3-M11全反射后，所述第一分束镜组中的各所述次分束镜的反射光经所述全反镜M4-M6全反射后进入所述的主分束镜，经所述主分束镜反射后经所述全反镜M12再次反射并由所述的出射光脉冲出口输出；所述第二分束镜组中的各所述次分束镜的反射光经所述全反镜M3和M7-M11全反射后进入所述的主分束镜，并透过所述主分束镜，经所述全反镜M12反射后由所述的出射光脉冲出口输出。

所述的光线准直装置包括两个小孔光阑，两所述小孔光阑与所述入射光进口位于同一直线上。

所述的光隔离器包括偏振片、法拉第旋转器及二分之一波片，分别经过两个所述小孔光阑的入射光依次经所述的偏振片、法拉第旋转器和二分之一波片进入所述的主分束镜。

所述的第一分束镜组和第二分束镜组中各设置有两个次分束镜，两所述分束镜组中的第一分束镜的反射方向位置均设有一个所述的全反镜M4、M9，两所述分束镜组中的第二分束镜的反射方向和透射方向位置均设有一个所述的全反镜M5、M6、M10、M11。

还包括至少一个光脉冲选择器，其为不透明的小板或半透半反的镜片，所述光脉冲选择器设置于所述主分束镜的入射光反射方向位置、两所述分束镜组中的第一分束镜的反射方向位置及两所述分束镜组中的第二分束镜的透射方向位置中的一处或几处。

两所述分束镜组中的第一分束镜和第二分束镜所产生的光脉冲中，相邻两光脉冲的光程差ΔL为两所述分束镜组中的所述第二分束镜的光脉冲入射表面到两所述全反镜M5、M6反射表面的几何距离差的2倍，光脉冲间隔为Δt为ΔL/c，c为光的传播速度。

所述的主分束镜、两所述分束镜组中的各次分束镜均为半透半反分束镜。

所述主分束镜、各所述次分束镜及所述全反镜M1-M12上均镀有与入射光波段相一致的分束膜和反射膜。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明提供一种将单个光脉冲在时间上进行变换，实现单个光脉冲变成多个脉冲的单向输出，从而达到了对光脉冲增频的效果；同时，为实现入射光的准直导入，本发明使用一对小孔光阑，判断入射光是否准直入射。入射光输入的时候，为了防止入射光的倾斜、偏移，在其入射时，打开箱体盖中的嵌槽盖面，观察入射光是否完全从两个小孔光阑的中心通过。

(2)为实现光脉冲的单向输出，本发明采用光隔离器，具体包括偏振片、法拉第旋转器以及二分之一波片，保证准直后的入射光只能单向传输，防止后续光的回光返照。

(3)为实现光脉冲的选择输出，本发明根据光路设计，在适当的位置插入光脉冲选择器，其为不透明的小板或半透半反的镜片，光脉冲选择器设置于所述主分束镜的入射光反射方向位置、两所述分束镜组中的第一分束镜的反射方向位置及两所述分束镜组中的第二分束镜的透射方向位置中的一处或几处，可以实现6个光脉冲或6个以下的选择输出，在光脉冲选择器设计中，采用半透半反分镜衰减较强光强的脉冲，实现6个光脉冲的等强度输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为箱体内部光路设计图；

图2为输入光脉冲后，输出脉冲图；

图3为箱体的侧板图；

图中：

1-小孔光阑；2-光隔离器，21-偏振片，22-法拉第旋转器及二分之一波片；3-第一分束镜组，31-第一分束镜，32-第二分束镜；4-第二分束镜组，41-第一分束镜，42-第二分束镜；5-主分束镜；6-箱体，61-入射光进口，62-出射光脉冲出口；M1-M12为全反镜；D1-D5光脉冲选择器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是以部分实际器件的大小示出了箱体内部光路设计图，图2为入射光脉冲经过图1的光路后输出的脉冲波形。本发明提供了一种光脉冲增频器，包括箱体及位于箱体内的光学组件，箱体上设有入射光进口61和出射光脉冲出口62，光学组件包括光线准直装置、光隔离器2、主分束镜5、多个全反镜和多个次分束镜，每个次分束镜的入射光反射方向上均设有全反镜；多个次分束镜共形成两组分束镜组，分别为第一分束镜组3和第二分束镜组4，每组分束镜组中的多个次分束镜呈串接设置；入射光经入射光进口61依次经光线准直装置、光隔离器2进入主分束镜5，主分束镜5将入射光分为两束光，其中一束光透过主分束镜5依次进入第一分束镜组3中的各个次分束镜，另一束光经主分束镜5反射后进入第二分束镜组4中的各次分束镜，经所有所述的次分束镜反射后的光经所述全反镜全反射后依次由出射光脉冲出口62输出。

两分束镜组中的第一分束镜和第二分束镜所产生的光脉冲中，相邻两光脉冲的光程差ΔL为两所述分束镜组中的所述第二分束镜的光脉冲入射表面到两所述全反镜M5，M6反射表面几何距离之差的2倍，光脉冲间隔为Δt为ΔL/c(c为光的传播速度)主分束镜、两分束镜组中的各次分束镜均为半透半反分束镜。

所述主分束镜、各次分束镜及全反镜上均镀有与入射光波段相一致的分束膜和反射膜。

图1中，光线准直装置包括两个小孔光阑，两小孔光阑与所述入射光进口位于同一直线上。每组分束镜组均设置了两个次分束镜，即第一分束镜s2、s4和第二分束镜s3、s5；两组分束镜组3、4中的第一分束镜s2、s4的反射光方向上各设置了一个全反镜M4、M9，在第二分束镜镜s3、s5的反射光方向及透射光方向分别设置了一个全反镜M5、M6、M10、M11。入射光脉冲经过准直入射通过小孔光阑K1与K2，其中的光隔离器2包括准直偏振片21，法拉第旋转器及二分之一波片22，经45°全反镜M1反射到45°全反镜M2镜上。光脉冲通过M2镜反射通过半透半反分束镜S1，分成两束等强度的光脉冲。透过主分束镜S1的经过一定距离的传播到达下一个半透半反的第一分束镜31；经主分束镜5反射的光脉冲经过一定距离传输到45°全反镜M3上。经第一分束镜31反射的光脉冲经一定距离达到0°全反镜M4上，透过的部分经一定距离到半透半反的第二分束镜32，并由第二分束镜32反射的光脉冲经一定距离达到0°全反镜M5上，透过的部分经一定距离到0°全反镜M6。到0°全反镜M4上的光脉冲，经全反镜M4原路返回，最终经主分束镜5部分反射到45°全反镜M12，获得图2中的输出光脉冲波形①，其中有部分光从第一分束镜31，主分束镜5透过出去，透过主分束镜5直接射出光路之外，透过主分束镜5的经全反镜M2、M1，透过法拉第旋转器及二分之一波片22，从而改变光脉冲的偏振态，从偏振片21反射出去。同理，以此通过适当的距离设计，通过全反镜M5、M6以及全反镜M9，M10，M11全反射的光脉冲，分别如图2中输出脉冲的②、③、④、⑤、⑥的脉冲输出。最终获得单脉冲的输入获得6个光脉冲的输出，其脉冲之间的间距Δt为ΔL/c.其中脉冲①、④强度相等，②、③、⑤、⑥脉冲的强度相等，脉冲①的强度大于脉冲②。

箱体配套设计的光脉冲选择器，小孔中嵌套不透明的小板，可以阻挡光脉冲的通过，若嵌套不同透过率的镜片即可控制光脉冲的强度。

如图1所示，通过插入嵌套不透明的小板的光脉冲选择器，将光脉冲选择器设置于主分束镜5的入射光反射方向位置、两分束镜组中的第一分束镜的反射方向位置及两所述分束镜组中的第二分束镜的透射方向位置中的一处或几处。可以从6个脉冲中选择相应的脉冲波形，本发明中提供5个位置插入光脉冲选择器D1-D5，如果要对每一个脉冲进行选择可适当多选位置。插入光脉冲选择器获得的脉冲如表1所示。

表1光脉冲选择器对脉冲的选择过程

◎表中×表示该脉冲不可以输出，√表示可以输出。

从表中可以得出，通过对光脉冲选择器或其组合的插入，可以从6个脉冲中选择相应的脉冲及脉冲间隔的输出。

在D2，D4中插入嵌套半透半反的镜片光脉冲选择器，可以使光脉冲①、④与脉冲②、③、⑤、⑥的强度相等，在此可以选择输出等强度的脉冲输出。

本发明所采用的箱体采用组合拼装方式，通过调节入射光脉冲，使入射光脉冲从图3左侧板入射光学进口孔径中透过，使其光路完全从图1底板上连接的准直小孔光阑K1，K2中心透过。在D1、D2、D3、D4、D5的位置插入光脉冲选择器。从图3的出射光脉冲出口的孔径输出需要的光脉冲数目。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光脉冲增频器，包括箱体及位于所述箱体内的光学组件，所述箱体上设有入射光进口和出射光脉冲出口，其特征在于，所述光学组件包括光线准直装置、光隔离器、主分束镜、多个全反镜和多个次分束镜，每个所述次分束镜的入射光反射方向上均设有全反镜；多个次分束镜共形成两组分束镜组，分别为第一分束镜组和第二分束镜组，每组分束镜组中的多个次分束镜呈串接设置；所述入射光经所述入射光进口依次经所述光线准直装置、光隔离器进入主分束镜，所述主分束镜将入射光分为两束光，其中一束光透过所述主分束镜依次进入所述第一分束镜组中的各个次分束镜，另一束光经所述主分束镜反射后进入所述的第二分束镜组中的各次分束镜，经所有所述的次分束镜反射后的光经各自入射光反射方向的全反镜全反射后依次由所述的出射光脉冲出口输出。

2.根据权利要求1所述的光脉冲增频器，其特征在于，所述光隔离器和所述的主分束镜之间设有两个45°全反镜M1、M2，经所述光隔离器出射的光线依次经两45°全反镜反射后进入所述的主分束镜，所述主分束镜的入射光与所述光隔离器的出射光形成180°角。

3.根据权利要求2所述的光脉冲增频器，其特征在于，所述的第一分束镜组与所述第二分束镜组平行设置，所述主分束镜的反射光依次经全反镜M3、全反镜M7、全反镜M8反射后进入所述的第二分束镜组，所述第一分束镜组的透射光与所述第二分束镜组的透射光同向设置。

4.根据权利要求3所述的光脉冲增频器，其特征在于，所述的第一分束镜组和第二分束镜组中各设置有两个次分束镜，第一分束镜组中的第一分束镜的反射方向位置设有一个全反镜M4，第二分束镜组中的第一分束镜的反射方向位置设有一个全反镜M9；第一分束镜组中的第二分束镜的反射方向位置设有一个全反镜M5，透射方向位置设有一个全反镜M6；第二分束镜组中的第二分束镜的反射方向位置设有一个全反镜M10，透射方向位置设有一个全反镜M11；所述第一分束镜组中的第一分束镜的反射光经全反镜M4、第二分束镜的反射光经全反镜M5、第二分束镜的透射光经全反镜M6全反射后进入所述的主分束镜，经所述主分束镜反射后经全反镜M12再次反射并由所述的出射光脉冲出口输出；所述第二分束镜组中的第一分束镜的反射光经全反镜M9、第二分束镜的反射光经全反镜M10、第二分束镜的透射光经全反镜M11全反射后经全反镜M8、全反镜M7、全反镜M3进入所述的主分束镜，并透过所述主分束镜，经所述全反镜M12反射后由所述的出射光脉冲出口输出。

5.根据权利要求1-4任一所述的光脉冲增频器，其特征在于，所述的光线准直装置包括两个小孔光阑，两所述小孔光阑与所述入射光进口位于同一直线上。

6.根据权利要求5所述的光脉冲增频器，其特征在于，所述的光隔离器包括偏振片、法拉第旋转器及二分之一波片，分别经过两个所述小孔光阑的入射光依次经所述的偏振片、法拉第旋转器和二分之一波片进入所述的主分束镜。

7.根据权利要求6所述的光脉冲增频器，其特征在于，还包括至少一个光脉冲选择器，其为不透明的小板或半透半反的镜片，所述光脉冲选择器设置于所述主分束镜的入射光反射方向位置、两所述分束镜组中的第一分束镜的反射方向位置及两所述分束镜组中的第二分束镜的透射方向位置中的一处或几处。

8.根据权利要求7所述的光脉冲增频器，其特征在于，所述的主分束镜、两所述分束镜组中的各次分束镜均为半透半反分束镜。

9.根据权利要求8所述的光脉冲增频器，其特征在于，所述主分束镜、各所述次分束镜上均镀有与入射光波段相一致的分束膜；全反镜M1-M12上均镀有与入射光波段相一致的反射膜。