CN104158082A - 一种大能量单纵模短脉冲激光输出的方法及固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种二极管泵浦的固体激光器技术领域。本发明提供一种激光输出的方法，包含有如下做法：以两端平行且有一定反射率的激光晶体棒作为FP标准具；利用前后光阑的横模选择作用选择单横模；利用被动调Q技术与预泵浦技术相结合；用主动式电光开关和预泵浦技术相结合；采用平凹稳定腔；光阑和被动调Q色心晶体在前后腔镜附近放置；采用A轴切割的YLF双折射激光晶体作为激光器的增益介质。利用本发明的方法，可提供一种大能量单纵模短脉冲激光输出。

Description

一种大能量单纵模短脉冲激光输出的方法及固体激光器

技术领域：

本发明涉及固体激光器技术领域，尤其涉及一种二极管泵浦的固体激光器技术领域。

背景技术：

单纵模激光具有频率单一、相干性高、时间稳定性的优点，脉冲式激光具有峰值功率高的优点。脉冲式工作的单纵模激光兼具两者的优点，是优良的单色光源，广泛应用于测距、光谱分析、雷达、精细加工、光化学反应、相干实验等等领域。激光器实现单纵模输出的基本思路都是一样的，即通过某种物理手段尽量减少腔内的纵模数（现有产生单纵模的方法包括：短腔法、腔内标准具法、谐振反射镜法等），并使某一个纵模的能量相对其它纵模取得优势，然后通过增益放大过程中的模式竞争，使不占优势的纵模不能得到很好的放大，最终被损耗掉，从而输出唯一一个有能量的纵模。换句话说，就是要想方设法增大被选择的纵模与其它纵模所获增益的差距。在实践中，为了使选单纵模的效果更好，通常让激光器工作在阈值水平附近，这样在总体增益较低的情况下模式竞争的效果会更明显。但这种做法会降低激光器的输出水平。另外，实现纳秒级短脉冲脉冲式激光输出的方法包括主动调Q和被动调Q等，Q开关技术的本质是使上能级的储能瞬间释放，让腔内已存在的很弱的振荡模式得到很高的瞬间增益，实现短脉冲输出的效果。这样，如果在Q开关打开之前对纵模的选择不够彻底，在Q开关打开后高增益的情况下，很难实现有效的模式竞争，通常会输出多个纵模。

也就是说，选择单纵模和获得大能量短脉冲输出是有矛盾的，所采取的措施会削弱彼此的效果。采取纵模选择效果明显的单一手段，如腔内标准具法、谐振反射器法等，虽然可以在强泵浦条件下选择单纵模，但对环境和器件的要求太高，很难达到实用。

总之，要想获得大能量的单纵模短脉冲输出，必须同时解决单纵模有效、稳定的选择和能量有效放大两方面的问题。而这在实践中并不容易做到，通常选单效果强的手段不稳定，稳定的手段选单效果不强。能量放大的要求又会减低选单纵模的效果，对选单能力提出了更高的要求。

发明内容：

本发明的目的就是针对现有技术存在的不足而提供一种实现大能量单纵模短脉冲激光输出的方法和固体激光器。

为达到本发明的目的，本发明采用以两端平行且有一定反射率的激光晶体棒作为FP标准具；利用前后光阑的横模选择作用选择单横模；利用被动调Q技术与预泵浦技术相结合；用主动式电光开关和预泵浦技术相结合；采用平凹稳定腔；光阑和被动调Q色心晶体在前后腔镜附近放置；采用A轴切割的YLF双折射激光晶体作为激光器的增益介质。 为达到本发明的目的，本发明提供的一种可实现大能量单纵模短脉冲输出的固体激光器，包含有以两端平行且有一定反射率的激光晶体棒作为FP标准具；激光二极管泵浦源；主动电光开关；偏振片；被动调Q色心晶体；前、后光阑；前、后腔镜；光阑和被动调Q色心晶体在前后腔镜附近放置；采用A轴切割的YLF双折射激光晶体作为激光器的增益介质。

附图说明：

图1是本发明的激光器结构原理图

图2是本发明的所述方法的工作过程原理图

图3 是本发明实施例的示波器接入方式工作原理图

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明的激光器结构原理图。

由图1可知，本发明的激光器包含有以两端平行且有一定反射率的激光晶体棒作为FP标准具（激光晶体1）；激光二极管泵浦源2；主动电光开关3；偏振片4；调Q晶体（即被动调Q色心晶体）5；前、后光阑6、7；前、后腔镜8、9；光阑6、7和被动调Q色心晶体5在前后腔镜附近放置。作为本发明的优选实施方式，本发明的激光器中还可以在谐振腔内加入二倍频晶体10。

图2是本发明的所述方法的工作过程原理图。

由图2可知，本发明的方法工作过程如下：

第一阶段：晶体棒加工成两端面平行并有一定反射率的形状，可以起到一个腔内标准具的作用。腔内标准具的峰值透过率对应的频率 ʋ_m = m*c/2ndcos Ɵ，其中c为光速，n是介质折射率，d是标准具厚度，Ɵ是入射光线与法线的夹角，m为正整数。相邻的透射峰的间隔Δʋ = c/2ndcos Ɵ，透射谱线宽度δʋ =c/(2πnd)*(1-r)*r^-0.5。r为晶体棒前后表面的反射率（两个表面通常设为一致）。要想获得单纵模，需要满足谱线宽度小于谐振腔的纵模间隔，即δʋ <c/(2L')，L'为等效腔长。通过调整晶体棒长度、表面反射率和腔长，满足以上条件。通过调整晶体棒姿态，即Ɵ，使透过率峰值对准增益介质增益谱的中心频率。通过以上措施，可以实现谐振腔的某个纵模与激光器增益谱中心频率相对应。由于晶体棒比较长，表面反射率也不会很高，因此相邻纵模之间的透过率差并不是十分悬殊，这一措施只能起到粗选一些纵模的作用。

第二阶段：激光泵浦开始，为预泵浦阶段。此时泵浦幅度较低，腔内的被动调Q色心晶体的损耗很大，电光开关加一个接近半波电压的偏压，达到对水平偏振态略有透过率的状态。通过设置泵浦幅度，让激光器达到增益略大于损耗的水平，从而使大部分频率偏离增益峰值的纵模不能得到增益而损耗消失。通过控制预泵浦的强度、持续时间，达到最好的选纵模效果。

第三阶段：随着泵浦持续，腔内优势纵模逐渐增强并开始占绝对优势，作为被动Q开关的色心晶体也逐渐开始对这个模式“漂白”。此时，突然去掉主动电光调Q开关的电压，腔内开关打开，腔内光强迅速增加，被动调Q色心晶体也快速饱和，使所选择的模式开始得到有效的增益放大。

第四阶段：主泵浦开始，进入激光增益介质的泵浦能量迅速增加，为这个激光模式提供很高的增益。此时一些较弱的激光模式也同样获得了增益，但是由于初始能量太弱，在增益竞争中迅速失败，系统储能迅速的被预选出来的纵模提取，在腔内快速振荡并输出，形成一个能量很大的单纵模激光脉冲。色心晶体的初始透过率、预泵浦强度和宽度、主泵浦强度、电光开关开门时间要协调考虑，以便使所选单纵模取得优势的时刻、色心晶体漂白时刻、激光器增益急剧提高的时刻能基本重合

第五阶段：随着储能快速下降，激光脉冲结束，此时电光开关上的半波电压迅速恢复，起到关断作用，防止其它模式在残余泵浦能量的作用下起振，形成多脉冲。

图3 是本发明实施例的示波器接入方式工作原理图

下面结合本发明的具体实施例对激光器的具体实施过程作一详细说明：

如图3所示接入示波器。

激光器输出激光，打在一块漫反射观察屏上，光电探测器接收到漫反射光，将光信号转换成电信号，通过同轴电缆传输到示波器上。示波器将接收到的电信号处理并显示在屏幕上，观察者在屏幕上可以观察和测量激光脉冲的时间特性，包括脉冲宽度、脉冲形状、脉冲数量、脉冲幅度以及脉冲的时间和幅度是否稳定等。

激光二极管泵浦源处于工作状态。

在先不加入两片被动调Q色心晶体和电光晶体不加电压的情况下，调整前后腔镜的相对姿态和激光棒姿态，使三者光轴平行。仔细调节，直到谐振腔达到激光振荡并输出最大的状态。

加入两片调Q晶体，提高泵浦强度，输出调Q激光脉冲序列。电光晶体开始工作，调节电光晶体上高压脉冲的延迟时间，直到在示波器上观察到调Q脉冲序列的第一个脉冲幅度明显增大，而后面的脉冲消失。

关闭电光开关的高压，调节预泵浦脉冲的宽度和幅度、主泵浦的幅度，观察输出的调Q脉冲序列，直到在示波器上看到第一个脉冲的幅度明显大于其它脉冲，波形变得光滑和稳定为止。

打开电光开关的电源，再次调节延迟时间，观察到与前次调节延迟时同样的效果。再次关闭电光开关，调节预泵浦和主泵浦参数......如此往复，直到看到激光器输出一个稳定的、波形光滑、幅度很高的唯一一个激光脉冲为止。

用FP标准具作为鉴频器，观察输出激光的干涉图样，同时调节激光棒的姿态，直到干涉图样达到最锐利为止。此时，激光器即达到输出脉冲单纵模激光的效果。

以上所述仅是本发明的实施例之一，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (3)

1.一种大能量单纵模短脉冲激光输出的方法，其特征在于：

以两端平行且有一定反射率的激光晶体棒作为FP标准具；

利用前后光阑的横模选择作用选择单横模；

利用被动调Q技术与预泵浦技术相结合；

用主动式电光开关和预泵浦技术相结合；

采用平凹稳定腔；

光阑和被动调Q色心晶体在前后腔镜附近放置；

采用A轴切割的YLF双折射激光晶体作为激光器的增益介质。

2.一种如权利要求1所示的方法所示的可实现大能量单纵模短脉冲输出的固体激光器，其特征在于，所述固体激光器包括：

以两端平行且有一定反射率的激光晶体棒作为FP标准具；

激光二极管泵浦源；

主动电光开关；

偏振片；

被动调Q色心晶体；

前、后光阑；

前、后腔镜；

光阑和被动调Q色心晶体在前后腔镜附近放置；

采用A轴切割的YLF双折射激光晶体作为激光器的增益介质。

3.如权利要求2所述的固体激光器，其特征在于：在谐振腔内加入二倍频晶体。