CN104092090A - 一种双腔结构激光器系统及其能量可控调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双腔结构激光器系统及其能量调谐方法，所述系统包括主振荡腔、功率放大腔和线宽压窄模块和光能调节元件，光能调节元件设置于主振荡腔与功率放大腔之间，以使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔，并且，该光能调节元件可以是位于转台上的窗片或偏振片，能够改变入射到其上的种子光的能量。本发明可实现较大范围的能量可控调谐，且调节过程中对激光器系统的输出能量的稳定性影响较小。

Description

一种双腔结构激光器系统及其能量可控调谐方法

技术领域

本发明涉及激光器系统的能量可控调谐方法，适用于所有具有双腔结构的激光器系统，特别是对能量及能量稳定性具有较高要求的气体激光器系统。

背景技术

气体激光器以气体或蒸气作为工作物质产生激光，以电激励方式最为常见。双腔结构(MOPA、MOPO、MORRA、MOPRA)的引入主要是为了实现激光器窄线宽大能量同时输出的特性，其基本思想是利用主振荡腔产生窄线宽小能量种子光，注入到功率放大腔进行放大，从而输出窄线宽大能量的优质激光。在满足大能量输出特性的同时，能量的可控调谐具有更重要的应用价值。

具有双腔结构的激光器系统输出能量与放电电压、工作气体配比以及双腔之间放电时间延迟等因素有关，理论上可以通过调节放电电压和间歇性补充工作气体以及改变双腔之间的放电时间延迟等方式来控制双腔结构的激光系统的输出能量。然而对于放电泵浦系统，放电电压的可调节范围有限，因而能量的可调节范围受到限制，而且激光器输出能量稳定性是随着放电电压降低逐渐变差；间歇性补充工作气体，操作复杂，且补充策略很难精确确定。

图1是双腔结构的激光器系统的输出能量及能量稳定性随双腔放电延时变化的关系示意图。如附图1所示，Sigma定义为固定时间窗口条件下，脉冲能量大小与脉冲能量平均值的偏离程度。在t₀延时条件下，输出能量最大且能量稳定性最佳；当向t₀两侧调节延时实现输出能量调谐时，能量稳定性随之恶化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在提出一种用于双腔结构激光器系统的新的能量可控调谐方法，克服现有的能量调谐范围有限、操作复杂，调节精度不高的缺点。

(二)技术方案

本发明提出一种双腔结构激光器系统，包括主振荡腔、功率放大腔和线宽压窄模块和光能调节元件，光能调节元件设置于主振荡腔与功率放大腔之间，以使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔，并且，该光能调节元件能够改变入射到其上的激光的能量。

根据本发明的具体实施方式，所述光能调节元件是窗片，所述种子光入射到该窗片的入射角的范围为56.3°～90°。

根据本发明的具体实施方式，所述窗片固定于带控制器的电机转台上，控制器控制该电机转台的转动以调节种子光入射到窗片角度。

根据本发明的具体实施方式，所述光能调节元件是偏振片，所述偏振片的偏振化方向与所述种子光的光轴垂直。

根据本发明的具体实施方式，所述偏振片固定于带控制器的电机旋转盘上，控制器控制该电机旋转盘的转动以调节种子光的偏振方向与所述偏振片的偏振化方向的夹角。

本发明还提出一种上述双腔结构激光器系统的能量调谐方法，所述方法包括：在所述主振荡腔与功率放大腔之间设置光能调节元件，该光能调节元件能够改变入射到其上的激光的能量，使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔。

(三)有益效果

本发明利用双腔结构的激光器系统的输出能量随着注入种子光能量变化而变化的特点，通过改变注入功率放大腔的种子光能量，实现双腔结构的激光器系统的输出能量的可控调谐。

本发明可实现较大范围的能量可控调谐，且调节过程中对激光器系统的输出能量的稳定性影响较小。

附图说明

附图1是双腔结构的激光器系统的输出能量及能量稳定性随双腔放电延时变化的关系示意图

附图2是本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的示意图；

附图3为本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的实施例的结构示意图；

附图4是本发明的实施例一的种子光入射到窗片的光路图；

附图5是本发明的实施例一的p或s偏振光的透射率随入射角θ₁的变化的关系图；

附图6显示了本发明的实施例一的以入射的p偏振光的偏振度(pd)分别为100％、95％、90％的情况为例的激光能量透射率E_out/E_in随入射角变化的关系图；

附图7显示了本发明的实施例二的以入射的p偏振光偏振度(pd)分别为100％、95％、90％的情况为例的激光能量透射率随偏振角的变化的关系图。

具体实施方式

一方面，本发明利用窗片的透射光能量随着入射光入射角度变化而变化的原理，在主振荡腔和功率放大腔之间放置一块窗片，窗片置于带有控制器的电机转台上。

另一方面，本发明利用偏振片的透射光能量随着其偏振方向与入射光偏振方向之间的偏振角变化而变化的原理，在主振荡腔和功率放大腔之间放置一块偏振片，偏振片置于带有控制器的电机旋转盘上。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

附图2是本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的示意图。如图2所示，本发明的双腔结构激光器系统包括主振荡腔MO、功率放大腔PA和线宽压窄模块LNM。

其中，主振荡腔可以是准分子激光器或者其它类型激光器，功率放大腔可以是非谐振放大腔(PA)、注入锁定放大腔(PO)及环形放大腔(RRA，PRO)，线宽压窄模块可以采用标准具结构、棱镜结合光栅结构或它们的组合结构构成。

本发明的激光器系统在主振荡腔MO与功率放大腔PA之间还设置有一个光能调节元件EM，使得由主振荡腔MO输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔PA。该光能调节元件EM能够改变入射到其上的激光的能量。

根据本发明的一种实施方式，所述光能调节元件EM是一个窗片，所述窗片可以是熔融石英、CaF₂材料或者其他材料，具体根据激光光谱特性选择。窗片所在平面与主振荡腔MO输出的种子光的光轴成一夹角，如附图4所示。

根据本发明的另一种实施方式，所述光能调节元件EM是一个偏振片，该偏振片垂直于光轴放置，即偏振化方向与种子光的光轴垂直。

优选的光能调节元件EM设置于一个转台或转盘上，该转台或转盘由电机带动而进行转动，从而使得光能调节元件EM可控地旋转，以便实现其对激光能量的调节，从而实现对注入功率放大腔的种子光能量可控调谐。

实施例一、窗片方案：

附图3为本发明的能量可控调谐的双腔结构激光器系统的实施例的结构示意图。如图3所示，主振荡腔MO的两端分别设置有线宽压窄模块LNM和输出耦合镜1，种子光经由输出耦合镜输出后透射一个窗片2后入射到功率放大腔PA。

图4是本发明的实施例一的种子光入射到窗片的光路图。如图4所示，主振荡腔MO输出的种子光为p偏振光或s偏振光，其入射到窗片2的入射角为θ₁，折射角为θ₂，窗片的折射率为n₂，窗片所处的环境介质的折射率为n₁。

由菲涅尔公式可得：

窗片2对p偏振光的界面反射率数r_p为：

$r_p=\frac{n_2\cos {\mathrm{\θ}}_1-n_1\cos {\mathrm{\θ}}_2}{n_2\cos {\mathrm{\θ}}_1+n_1\cos {\mathrm{\θ}}_2};$

窗片2对s偏振光的界面反射率数r_s为：

$r_s=\frac{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_1-n_2\cos {\mathrm{\θ}}_2}{n_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+n_2\cos {\mathrm{\θ}}_2};$

窗片2对p偏振光和s偏振光的透射率T_p、T_s分别为：

$T_p={(1-r_p^2)}^2;$

$T_s={(1-r_s^2)}^2.$

附图5是p或s偏振光的透射率随入射角θ₁的变化的关系图(该图中假设n₁＝1，n₂＝1.5)。由图5可知，通过旋转窗片2(改变主振荡腔输出种子光入射到窗片角度)可以实现注入到功率放大腔种子光能量。

在该实施例的具体实施过程中，可以针对p偏振光选取图中AB段作为角度调谐范围，即种子光入射到窗片2的入射角的范围为56.3°～90°，此范围内透射种子光能量调谐范围大且接近线性变化。图6显示了以入射的p偏振光的偏振度(pd)分别为100％、95％、90％的情况为例的激光能量透射率E_out/E_in随入射角变化的关系图。其中，E_out表示从窗片2出射激光的能量，E_in表示入射到窗片2的能量。如图6所示，偏振度(pd)分别为100％、95％、90％情况下激光能量透射率都表现出随着入射角度(56.3°～90°)增加单调下降。

继续参照图3，通过夹持装置将窗片2固定于带控制器4的电机转台3上，通过控制器4控制电机转台的转动来调节种子光入射到窗片2角度，由上述可知，由于窗片2的透射率随着入射角的增大而减小(p偏振光选取图5的AB段)，因而注入功率放大腔PA的种子光能量随入射角增大而减小。

此外，本发明中所涉及的电机转台3可包括转动范围大、精度较低的步进电机转台或转动范围较小、精度高的压电陶瓷精密转台或两者的组合，具体实施办法根据能量调谐范围及精度需求确定，此处不再详述。

实施例二、偏振片方案：

该实施例的激光系统与图3所示的实施例一类似，所不同的是使用偏振片2’取代了实施例一的窗片2。也即，主振荡腔MO的两端也分别设置有线宽压窄模块LNM和输出耦合镜1，种子光经由输出耦合镜输出后透射一个偏振片2’后入射到功率放大腔PA。同时，输出的种子光为p偏振光或s偏振光，设p偏振光与偏振片2’的偏振方向的夹角(即偏振角)为α，入射激光能量为E_in，入射激光的偏振度为pd，出射激光能量为E_out，则有：

E_out＝E_in·pd·cos²α+E_in·(1-pd)·sin²α。

附图7显示了以入射的p偏振光偏振度(pd)分别为100％、95％、90％的情况为例的激光能量透射率随偏振角的变化的关系图。如图7所示，偏振度(pd)分别为100％、95％、90％情况下激光能量透射率都表现出随着偏振角的增加而减小。

类似的，该实施例中，通过夹持装置将偏振片2’固定于带控制器4的电机旋转盘3’上，通过控制器4控制电机旋转盘3’的转动来调节种子光的偏振方向与偏振片2’的偏振化方向的夹角，窗片透射率随着所述夹角增大而减小，因而注入功率放大腔的种子光能量随偏振角增大而减小。

由上述实施例可知，通过带控制器的电机转台转动窗片或电机旋转盘旋转偏振片，调节种子光入射到窗片的角度或调节种子光与偏振片之间的偏振角，可以改变注入功率放大器的种子光能量，从而实现双腔结构的激光系统输出能量的可控调谐。

本发明的方法所得到的激光系统的输出能量可调谐范围大，且能量稳定性保持较好。此外，本发明还可以用于双腔系统输出能量稳定控制系统。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双腔结构激光器系统，包括主振荡腔、功率放大腔和线宽压窄模块，其特征在于，还包括：

光能调节元件，设置于主振荡腔与功率放大腔之间，以使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔，并且，

该光能调节元件能够改变入射到其上的激光的能量。

2.如权利要求1所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述光能调节元件是窗片，所述种子光入射到该窗片的入射角的范围为56.3°～90°。

3.如权利要求2所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述窗片固定于带控制器的电机转台上，控制器控制该电机转台的转动以调节种子光入射到窗片角度。

4.如权利要求1所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述光能调节元件是偏振片，所述偏振片的偏振化方向与所述种子光的光轴垂直。

5.如权利要求4所述的双腔结构激光器系统，其特征在于，所述偏振片固定于带控制器的电机旋转盘上，控制器控制该电机旋转盘的转动以调节种子光的偏振方向与所述偏振片的偏振化方向的夹角。

6.一种双腔结构激光器系统的能量调谐方法，所述种双腔结构激光器系统包括主振荡腔、功率放大腔和线宽压窄模块，其特征在于，所述方法包括：

在所述主振荡腔与功率放大腔之间设置光能调节元件，该光能调节元件能够改变入射到其上的激光的能量，使得由主振荡腔输出的种子光经过该光能调节元件后入射到功率放大腔。

7.如权利要求6所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，所述光能调节元件是窗片，所述种子光入射到该窗片的入射角的范围为56.3°～90°。

8.如权利要求7所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，该方法还包括：将所述窗片固定于带控制器的电机转台上，控制器控制该电机转台的转动以调节种子光入射到窗片角度。

9.如权利要求6所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，所述光能调节元件是偏振片，所述偏振片的偏振化方向与所述种子光的光轴垂直。

10.如权利要求9所述的双腔结构激光器系统的能量调谐方法，其特征在于，该方法还包括：将所述偏振片固定于带控制器的电机旋转盘上，控制器控制该电机旋转盘的转动以调节种子光的偏振方向与所述偏振片的偏振化方向的夹角。