CN103986061A - 利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性调控被动调Q激光输出特性的激光器装置及方法 - Google Patents

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马欲飞
李旭东
闫仁鹏
樊荣伟
彭江波
陈德应
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白云昌
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Abstract

一种利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性调控被动调Q激光输出特性的激光器装置及方法，所述装置包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光泵浦源(1)、第一非球面透镜(2)、第二非球面透镜(3)、激光前腔镜(4)、激光晶体(5)、具有旋转调节功能的调整架(7)、Cr4+:YAG晶体(8)、激光输出镜(9)，所述方法由以下步骤实现：步骤一、构建Cr4+:YAG晶体被动调Q激光输出；步骤二、通过旋转调节调整架，进而实现激光谐振腔内Cr4+:YAG晶体能量透过率的各向异性改变，最终实现被动调Q激光输出性能的调控。本发明通过利用Cr4+:YAG晶体各向异性的能量透过率来实现被动调Q激光输出性能的控制，是一种简单易行的办法。

Description

利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性调控被动调Q激光输出特性的激光器装置及方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种基于Cr4+:YAG晶体各向异性特性调控被动调Q激光输出特性的激光器装置及方法。
背景技术
调Q技术是获得高重频、高峰值功率、窄脉宽激光的最佳办法，在激光技术发展的过程中，多种调Q技术已经被发明且成功运用于激光系统中，然而许多技术都有其自身的优缺点及适用条件。由于被动调Q技术不需要电光调Q或声光调Q过程中所需的高压电脉冲或射频调制，因此结构简单，对外界的电磁干扰不敏感，且谐振腔腔长可以压缩到很短，有利于高重频、高峰值功率、窄脉宽激光的产生，非常适用于对电磁干扰免疫及体积要求高的场合应用，比如激光点火。由于Cr4+:YAG晶体具有良好的热-机械特性，在0.8-1.2μm范围内具有较大的吸收截面，且价格低廉，因此被广泛应用于产生被动调Q纳秒脉冲及皮秒脉冲的激光器当中，Cr4+:YAG晶体是目前应用最为广泛的被动调Q元件。通常为了改变Cr4+:YAG晶体被动调Q激光输出特性，比如改变输出脉冲能量、脉冲重复频率、脉冲宽度等特性，一般都会采取更换Cr4+:YAG晶体即调整Cr4+:YAG晶体初始透过率的方法，但更换Cr4+:YAG晶体即腔内重新插入光学元件，这将会使得谐振腔容易产生失调，需要重新调节谐振腔使其达到最佳状态，过程繁琐，且同时还需要购买不同初始透过率的Cr4+:YAG晶体，成本增加。
发明内容
为了解决常规更换Cr4+:YAG晶体来达到改变初始透过率进而实现调控被动调Q激光输出特性的方法所存在的过程繁琐、成本增加等缺陷及其他不足，本发明提供了一种基于Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光多种输出特性的激光器装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，该装置包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光泵浦源、第一非球面透镜、第二非球面透镜、激光前腔镜、激光晶体、具有旋转调节功能的调整架、Cr4+:YAG晶体、激光输出镜，激光前腔镜和激光输出镜构成激光振荡器的谐振腔，半导体激光泵浦源发射出的激光经第一非球面透镜和第二非球面透镜准直聚焦后入射到激光晶体中，激光晶体吸收泵浦能量，在激光前腔镜和激光输出镜之间产生振荡激光，该激光经由Cr4+:YAG晶体后将被调制成脉冲形式，经激光输出镜后输出到谐振腔外。
本发明利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光多种输出特性，在激光谐振腔内插入放置在具有旋转调节功能调整架内的Cr4+:YAG晶体以及偏振片(对线性偏振的振荡激光可以不用加入此元件，对于非线性偏振的振荡激光则需要加入偏振片)。
利用上述方法实现调控被动调Q激光多种输出性能(输出脉冲能量、脉冲重复频率、脉冲宽度等)，由以下步骤实现：
步骤一、构建Cr4+:YAG晶体被动调Q激光输出；
步骤二、通过旋转调节调整架，改变Cr4+:YAG晶体晶向与振荡激光偏振方向之间的夹角，进而实现激光谐振腔内Cr4+:YAG晶体能量透过率的各向异性改变，最终实现被动调Q激光输出性能的调控。
本发明利用Cr4+:YAG晶体对线性偏振的振荡激光呈现出各向异性的透过率，即呈现出各向异性的调制深度，利用此特点便可非常容易地对被动调Q激光输出脉冲能量、脉冲重复频率、脉冲宽度等特性进行调节。需要说明的是，不同晶向的切割会导致Cr4+:YAG晶体能量透过率各向异性特性的不同，最终会引起被动调Q激光输出特性调控效果存在差异，当使用[100]方向切割的Cr4+:YAG晶体时，脉冲能量最大改变量可达50％、脉冲重复频率最大改变量可达30％、脉冲宽度最大该变量可达150％。本发明通过利用Cr4+:YAG晶体各向异性的能量透过率来实现被动调Q激光输出性能的控制，是一种简单易行的办法。
附图说明
图1为本发明的输出性能可调控的Cr4+:YAG晶体被动调Q激光器结构示意图；
图2为图1的局部放大图；
图3为利用本方法调控Cr4+:YAG晶体被动调Q Nd:GdVO4激光器输出脉冲宽度的测试结果；
图4为利用本方法调控Cr4+:YAG晶体被动调Q Nd:GdVO4激光器输出脉冲重复频率的测试结果；
图5为利用本方法调控Cr4+:YAG晶体被动调Q Nd:GdVO4激光器输出脉冲能量的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1和图2所示，本实施方式提供了一种利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，该装置包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光泵浦源1、第一非球面透镜2、第二非球面透镜3、激光前腔镜4、激光晶体5、偏振片6(如果激光晶体产生线偏振激光的话，此元件可不添加)、具有旋转调节功能的调整架7、Cr4+:YAG晶体8、激光输出镜9，激光前腔镜4和激光输出镜9构成激光振荡器的谐振腔。
本实施方式中，半导体激光泵浦源1发射出的激光经第一非球面透镜2和第二非球面透镜3准直聚焦后入射到激光晶体5中，激光晶体5吸收泵浦能量，在激光前腔镜4和激光输出镜9之间产生振荡激光，如果产生的振荡激光是非线性偏振的话，那么经过偏振片6后将被改变成线性偏振激光，该线性偏振激光经由Cr4+:YAG晶体8后将被调制成脉冲形式，经激光输出镜9后输出到腔外。
本实施方式中，第一非球面透镜2、第二非球面透镜3、激光前腔镜4、激光晶体5、偏振片6、具有旋转调节功能的调整架7、Cr4+:YAG晶体8、激光输出镜9均为共轴形式存在。
本实施方式中，具有旋转调节功能的调整架7的旋转维度为360度，且应该标有刻度，刻度分辨率优于1度。
本实施方式中，Cr4+:YAG晶体8可以是沿任何晶向切割的，不同晶向的切割会导致Cr4+:YAG晶体各向异性特性的不同，最终会引起被动调Q激光输出特性调控效果的差异，不论沿何种晶向切割，其初始透过率均不能过小，须大于15％。
本实施方式中，第一非球面透镜2和第二非球面透镜3的焦距之比为1.0～1.5，且第二非球面透镜3的焦点必须在激光晶体5内。
本实施方式中，激光前腔镜4和激光输出镜9构成激光振荡器的谐振腔，其长度小于20cm，且必须满足激光振荡产生条件。
本实施方式中，偏振片6的放置角度与光轴方向成56.5度，且偏振片的消光比须大于200。
具体实施方式二：本实施方式利用具体实施方式一所述装置实现Cr4+:YAG晶体被动调Q激光器输出性能的调控，由以下步骤实现：
步骤一、构建Cr4+:YAG晶体被动调Q激光输出；
步骤二、旋转调整架7，改变Cr4+:YAG晶体晶向[xxx]与振荡激光偏振方向10之间的夹角β值11，即可灵活的调控被动调Q激光输出特性，如改变输出脉冲能量、脉冲重复频率、脉冲宽度等。
在图3-图5中的实施过程中，Cr4+:YAG晶体8初始透过率为90％，切割晶向沿[100]方向，图2中的[xxx]、[yyy]、[zzz]晶向分别为[001]、[010]、[100]。激光前腔镜4和激光输出镜9构成的谐振腔长度为16cm，第一非球面透镜2和第二非球面透镜3的焦距之比为1.25，调整架7的旋转维度为360度，刻度分辨率为0.5度。通过旋转调整架，实现Cr4+:YAG晶体能量透过率的各向异性改变，脉冲宽度最大该变量可达150％、脉冲重复频率最大改变量可达30％、脉冲能量最大改变量可达50％。

Claims (8)

1.一种利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，其特征在于所述装置包括沿光束传播方向依次设置的半导体激光泵浦源(1)、第一非球面透镜(2)、第二非球面透镜(3)、激光前腔镜(4)、激光晶体(5)、具有旋转调节功能的调整架(7)、Cr4+:YAG晶体(8)、激光输出镜(9)，激光前腔镜(4)和激光输出镜(9)构成激光振荡器的谐振腔，半导体激光泵浦源(1)发射出的激光经第一非球面透镜(2)和第二非球面透镜(3)准直聚焦后入射到激光晶体(5)中，激光晶体(5)吸收泵浦能量，在激光前腔镜(4)和激光输出镜(9)之间产生振荡激光，该激光经由Cr4+:YAG晶体(8)后将被调制成脉冲形式，经激光输出镜(9)后输出到谐振腔外。
2.根据权利要求1所述的利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，其特征在于所述具有旋转调节功能的调整架(7)的旋转维度为360度，且标有刻度，刻度分辨率不能小于1度。
3.根据权利要求1所述的利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，其特征在于所述Cr4+:YAG晶体(8)沿任何晶向切割，其初始透过率大于15％。
4.根据权利要求1所述的利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，其特征在于所述第一非球面透镜(2)和第二非球面透镜(3)的焦距之比为1.0～1.5，且第二非球面透镜(3)的焦点在激光晶体(5)内。
5.根据权利要求1所述的利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，其特征在于所述谐振腔长度小于20cm，且必须满足激光振荡产生条件。
6.根据权利要求1所述的利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，其特征在于所述激光器装置还包括偏振片(6)，偏振片(6)位于激光晶体(5)和调整架(7)之间，第一非球面透镜(2)、第二非球面透镜(3)、激光前腔镜(4)、激光晶体(5)、偏振片(6)、具有旋转调节功能的调整架(7)、Cr4+:YAG晶体(8)、激光输出镜(9)均为共轴形式存在。
7.根据权利要求1所述的利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置，其特征在于所述偏振片(6)的放置角度与光轴方向成56.5度，且偏振片(6)的消光比大于200。
8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述的利用Cr4+:YAG晶体各向异性特性来调控被动调Q激光输出特性的激光器装置调控Cr4+:YAG晶体被动调Q激光输出特性的方法，其特征在于所述方法由以下步骤实现：
步骤一、构建Cr4+:YAG晶体被动调Q激光输出；
步骤二、通过旋转调节调整架，改变Cr4+:YAG晶体晶向与振荡激光偏振方向之间的夹角，进而实现激光谐振腔内Cr4+:YAG晶体能量透过率的各向异性改变，最终实现被动调Q激光输出性能的调控。
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