CN104393474A

CN104393474A - 一种窄脉宽激光器

Info

Publication number: CN104393474A
Application number: CN201410719935.5A
Authority: CN
Inventors: 阳其国; 金艳丽; 吕启涛; 高云峰
Original assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2015-03-04

Abstract

本发明属于激光技术领域，涉及一种窄脉宽激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦模块(1)、泵浦光耦合装置(2)和谐振腔，所述谐振腔包括：在光传播方向上依次设置的二向色镜(3)、激光增益介质(4)、主动调Q元件(6)和输出镜(7)，以及作为谐振腔端镜的被动调Q元件(8)，其设置在所述光传播方向反向入射二向色镜时的反射光方向上；所述谐振腔还包括小孔光阑(5)，其设置在激光增益介质(4)和主动调Q元件(6)之间。本发明实现了窄脉宽激光脉冲输出，而且脉冲的重复频率稳定，光束质量好。

Description

一种窄脉宽激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种窄脉宽激光器。

背景技术

随着激光行业的迅速发展，窄脉宽，高峰值功率，高单脉冲能量成为激光技术的发展方向,窄脉宽激光器在激光材料加工，激光测量，非线性光学，远程探测等领域具有广阔的应用前景。在激光材料加工过程中，客户加工要求的提高和热效应对热敏感材料造成的损伤，都对激光脉冲的宽度提出了更高的要求。

目前，脉冲激光主要通过激光调Q技术和激光锁模技术来实现，激光锁模技术结构复杂，而且后续需要通过脉冲选择和激光放大来实现窄脉宽，高能量的脉冲输出，成本高，体积大。激光调Q技术主要包括声光调Q，电光调Q和被动调Q。其中，声光调Q技术实现的脉冲宽度大多为几十纳秒，电光调Q技术虽能实现亚纳秒的脉冲输出，然而其需要高电压来驱动，价格昂贵。现有技术中采用电光调Q技术实现了亚纳秒的脉冲输出，其优点是实现了稳定的窄脉冲输出，但其缺点是，电光Q开关和驱动电源价格高，不利于成本控制，而且驱动电源输出高电压，也不利于操作安全。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种窄脉宽激光器，能够实现稳定的窄脉冲输出。

本发明实施例是这样实现的：

一种窄脉宽激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦模块、泵浦光耦合装置和谐振腔，所述谐振腔包括：在光传播方向上依次设置的二向色镜、激光增益介质、主动调Q元件和输出镜，以及作为谐振腔端镜的被动调Q元件，其设置在所述光传播方向反向入射二向色镜时的反射光方向上。

其中，所述谐振腔还包括小孔光阑，其设置在激光增益介质和主动调Q元件之间。

其中，所述谐振腔的长度小于或等于30mm。

其中，所述二向色镜为45度镜，并且镀制泵浦光增透膜和激光波长对应的高反膜。

其中，入射至激光增益介质中心的泵浦光的光斑半径大于等于50um，小于等于200um。

其中，所述激光增益介质为Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:GVO4、Nd:YLF、Yb:YAG或Nd:Glass中的一种。

其中，所述主动调Q元件为声光调Q开关。

其中，所述被动调Q元件为半导体可饱和吸收镜，其是将高反镜和半导体可饱和吸收体结合在一起，底层为高反镜。

其中，所述小孔光阑的尺寸大小为0.2mm至1mm。

其中，所述输出镜的透过率大于等于50％，小于等于80％。

本发明实施例通过在谐振腔中加入主动调Q元件与被动调Q元件，共同完成对谐振腔内Q值的调节，并形成“L”型腔，缩短了激光谐振腔的长度，实现了窄脉宽激光脉冲输出，而且脉冲的重复频率稳定；通过在激光谐振腔内插入小孔光阑，使得激光器一直在基模状态下运行，保证了光束质量；激光器结构紧凑，整个激光谐振腔的长度只有30mm或者更短，成本低，生产工艺简单，易于模块化生产。

附图说明

图1是本发明实施例的激光器原理示意图；

图2是本发明实施例中获得的脉宽为2ns的脉冲波形图；

图3是本发明实施例的激光器输出功率随泵浦功率变化的关系图；

图4是本发明实施例的激光器脉冲宽度随泵浦功率变化的关系图；

图5是本发明实施例的激光器脉冲宽度随脉冲重复频率变化的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

如图1所示，本发明实施例中的激光器包括在光传播方向上依次设置的输出功率可调的泵浦模块1，泵浦光耦合装置2和谐振腔，其中谐振腔包括二向色镜3、激光增益介质4、小孔光阑5、主动调Q元件6、输出镜7和被动调Q元件8，腔内在激光传播方向上依次设置二向色镜3、激光增益介质4、小孔光阑5、主动调Q元件6和输出镜7，在光传播方向反向入射二向色镜3时的反射光方向上设置被动调Q元件8；泵浦模块1产生泵浦光并通过泵浦光耦合装置2，经二向色镜3作用在激光增益介质4上，激光增益介质4通过受激辐射产生信号光，信号光经过小孔光阑5、主动调Q元件6和输出镜7，输出镜7对信号光部分反射部分透射，被输出镜7反射的信号光依次通过主动调Q元件6、小孔光阑5、激光增益介质4、二向色镜7和被动调Q元件8，被动调Q元件8又将信号光反射回谐振腔，信号光按此路线不断的在谐振腔内振荡放大并不断的输出激光。

其中，谐振腔为“L”型腔，整个谐振腔的长度小于或等于30mm；上述的泵浦模块1采用光纤耦合输出的半导体激光器，输出功率可调。光纤芯径为200um；上述的二向色镜3为45度镜，并且镀制泵浦光增透膜和激光波长对应的高反膜；上述的激光增益介质为Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:GVO4、Nd:YLF、Yb:YAG或Nd:Glass中的一种；上述的主动调Q元件6为声光调Q开关；上述的被动调Q元件8为半导体可饱和吸收镜，其是将高反镜和半导体可饱和吸收体结合在一起，底层为高反镜；上述的小孔光阑5尺寸大于等于0.2mm，且小于等于1mm；上述的输出镜7的采用高透过率的输出镜，激光透过率大于等于50％，且小于等于80％。

本发明基于以下原理：声光Q开关由声光介质，电声换能器，吸声材料和驱动电源组成。在激光谐振腔内插入声光Q开关，当在声光Q开关换能器上加高频信号时，所形成的超声波振动使声光介质的折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射，使得光波偏离出腔外，从而使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止时，声光介质中的超声场消失，谐振腔变为低损耗高Q值状态，产生激光振荡，相当于Q开关将激光“打开”，谐振腔Q值交替变化一次，就使得激光器输出一个调Q脉冲。而被动调Q开关是利用某些非线性饱和吸收介质本身的特性来自动改变激光谐振腔Q值。当激光刚刚运转时，由于可饱和吸收体的吸收作用使得激光谐振腔处于高损耗低Q值状态，当吸收体饱和时，其吸收光的能力下降，此时谐振腔的损耗降低Q值升高，并输出调Q脉冲。仅仅采用单一的声光调Q技术，输出脉冲的重复频率稳定，且连续可调，但输出的调Q脉冲的脉冲宽度较宽，受限于声波通过光束的渡越时间；而仅仅采用被动调Q技术，可以获得较短的脉冲宽度，但输出脉冲的重复频率不稳定。本发明采用主被动双调Q技术，集主动调Q和被动调Q技术各自的优势于一体，优化谐振腔的参数，如谐振腔的长度，激光输出镜的透过率，泵浦效率等，获得了脉冲宽度最窄为2ns的脉冲输出，不仅实现了窄脉宽激光脉冲输出，而且脉冲的重复频率稳定。

根据激光调Q理论，激光的脉冲宽度为：

Δt = \frac{{2 L}^{t}}{c (T + L)} \frac{n_{i} - n_{f}}{n_{i} - n_{t} [1 + \ln (n_{i} / n_{t})]}

式中：Δt为输出脉冲的脉冲宽度，T为输出耦合镜的透过率；L为谐振腔的除透射损耗之外的其他损耗；n_i，n_t和n_f分别为初始、阈值和最终反转粒子数；L^t为谐振腔的长度；c为真空中的光速；由公式可见，要获得窄脉宽激光输出，第一，尽可能的缩短激光谐振腔的长度；第二，提高振荡激光和泵浦光的模式匹配，增加泵浦效率；第三，合理选择激光输出镜透过率。

基于上述工作原理，首先利用氦氖激光器对激光系统的光路进行调节，使各个元件都处于同一条轴线上，为了能尽可能的缩短激光谐振腔的长度，使用的激光增益介质为尺寸小掺杂浓度高的Nd:YVO4晶体，其厚度为2mm，声光Q开关的长度约为10mm，激光输出镜的透过率为60％，激光增益介质用铟膜包裹，与声光Q开关和激光谐振腔输出镜一并置于同一模块内，并在模块内通水对增益介质和声光Q开关进行冷却。再次，开启泵浦模块并在低功率下运转，使其通过光纤耦合输出的泵浦光经过泵浦耦合装置准直聚焦于激光增益介质的中心，聚焦光斑半径约为100um。随后，逐渐地增加泵浦光功率，此过程中，一直在声光Q开光上加高频信号，使谐振腔处于高损耗状态，并微调声光Q开关的位置，使声光Q开关处在最佳的锁光状态，并记录下声光Q开关锁光所对应的最大泵浦电流。最后，给声光Q开关加上调制的高频信号，获得激光输出，并微调谐振腔输出镜，半导体可饱和吸收镜和泵浦光聚焦于激光增益介质中泵浦光斑的位置，使得激光器处于最佳工作状态。

经过上述调整，所获得的脉冲宽度在2ns-4.5ns之间，脉冲重复频率在1kHz-100kHz之间连续可调，并且脉冲宽度随泵浦功率的增加而变窄，随脉冲重复频率的增加而变宽，达到了本发明的目的。其中，图2为输出脉冲宽度为2ns时的脉冲波形图，图中脉冲波形完整，图3为输出功率随泵浦功率变化的关系图，图中输出功率随泵浦功率的增加而增加，图4为脉冲宽度随泵浦功率变化的关系图，图中脉冲宽度随泵浦功率的增加而变窄，图5为脉冲宽度随脉冲重复频率变化的关系图，图中脉冲宽度随脉冲重复频率的增加而变宽。

本发明中采用主被动双调Q技术，通过缩短激光谐振腔的长度，提高泵浦光的泵浦效率和优化激光谐振腔输出镜的透过率，成功获得了一种窄脉宽激光器，能实现窄脉宽输出，脉冲性能稳定，脉冲重复频率可调，此激光器具有以下优点：(1)能获得窄脉宽激光脉冲输出，脉冲宽度为2ns-4.5ns；(2)输出脉冲重复频率在1kHz-100kHz之间连续可调；(3)通过在激光谐振腔内插入小孔光阑，使得激光器一直在基模状态下运行，保证了光束质量；(4)激光器结构紧凑，整个激光谐振腔的长度只有30mm或者更短，成本低，生产工艺简单，易于模块化生产。

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

Claims

1.一种窄脉宽激光器，包括沿光传播方向依次设置的泵浦模块、泵浦光耦合装置和谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括：

在光传播方向上依次设置的二向色镜、激光增益介质、主动调Q元件和输出镜，以及作为谐振腔端镜的被动调Q元件，其设置在所述光传播方向反向入射二向色镜时的反射光方向上。

2.根据权利要求1所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：所述谐振腔还包括小孔光阑，其设置在激光增益介质和主动调Q元件之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光器，其特征在于：所述谐振腔的长度小于或等于30mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：所述二向色镜为45度镜，并且镀制泵浦光增透膜和激光波长对应的高反膜。

5.根据权利要求1或2所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：入射至激光增益介质中心的泵浦光的光斑半径大于等于50um，小于等于200um。

6.根据权利要求1或2所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：所述激光增益介质为Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:GVO4、Nd:YLF、Yb:YAG或Nd:Glass中的一种。

7.根据权利要求1或2所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：所述主动调Q元件为声光调Q开关。

8.根据权利要求1或2所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：所述被动调Q元件为半导体可饱和吸收镜，其是将高反镜和半导体可饱和吸收体结合在一起，底层为高反镜。

9.根据权利要求1或2所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：所述小孔光阑的尺寸大小为0.2mm至1mm。

10.根据权利要求1或2所述的一种窄脉宽激光器，其特征在于：所述输出镜的透过率大于等于50％，小于等于80％。