CN104466653A - 重复频率可控的被动调q产生激光脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，包括如下步骤：步骤1：控制器打开泵浦源，泵浦源发出的泵浦光通过耦合装置和谐振腔的前腔镜入射到激光工作介质；激光工作介质产生的激光在谐振腔内振荡；经过一预定时间，振荡后的激光光束经过被动调Q元件发出一个激光脉冲经谐振腔的后腔镜出射；步骤2：控制器控制泵浦源关闭；步骤3：经过一预定时间，控制器控制泵浦源开启；步骤4：重复上述步骤1、2、3。本发明可靠性高，可控制脉冲重复频率。

Description

重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法

技术领域

本发明涉及一种被动调Q方法，特别是重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法。

背景技术

被动调Q固体激光器，主要由泵浦源、激光工作介质和被动调Q元件组成。泵浦源发射泵浦光，通过端面泵浦或侧面泵浦的泵浦耦合系统照射激光工作介质。激光工作介质将泵浦光能量转化为激光能量。被动调Q元件控制激光工作介质内能量的储存和释放，以产生激光脉冲。

被动调Q元件的基本工作原理是通过可饱和吸收来实现谐振腔腔内损耗大小的变化。当被动调Q元件未饱和时，其吸收系数比较大，因此腔内损耗比较大，不会产生激光振荡。而泵浦光的作用下激光工作介质内上能级粒子数积累，实现能量的储存。当被动调Q元件饱和时，其吸收系数较小，因此腔内损耗比较小，激光振荡快速地产生，激光工作介质中储存的能量迅速释放，形成激光脉冲。

主动调Q固体激光器与被动调Q固体激光器的区别在于，采用损耗可由外部信号控制的主动调Q元件，电光Q开关、声光Q开关。主动调Q元件的损耗可由外部信号控制，一定程度上便于调节。

《用于Q开关固体激光器中的首个脉冲优化的方法以及Q开关固体激光器》(专利申请公布号CN101897087A)提出用特定的信号控制主动调Q元件的损耗，以调节脉冲特性的方法。而本专利用于被动调Q，并且通过关断和打开泵浦电流进行控制，而不是通过调制调Q元件的损耗。

与主动调Q相比，被动调Q结构通常更加简单，更易于实现设备的小型化。但是被动调Q元件的激光脉冲输出通常不能由控制电路进行主动控制，难免在一个泵浦周期中产生多个脉冲组成的脉冲串，难以控制脉冲重复频率。

这限制了被动调Q泵浦的固体激光器在需要主动控制脉冲输出的场合的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法。它可靠性高，可控制脉冲重复频率。

本发明提供一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的装置，包括：

一泵浦源；一激光谐振腔，该激光谐振腔包括一前腔镜和一后腔镜，该谐振腔位于泵浦源的输出光路上；一激光工作介质，该激光工作介质位于激光谐振腔的前腔镜和后腔镜之间；一被动调Q元件，该被动调Q元件在激光工作介质之后，位于激光谐振腔的前腔镜和后腔镜之间；一控制器，该控制器与泵浦源连接，控制泵浦源的开启或关闭；一耦合装置，该耦合装置位于泵浦源的输出光路上，在泵浦源和激光谐振腔之间。

本发明还提供一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，包括如下步骤：

步骤1：控制器打开泵浦源，泵浦源发出的泵浦光通过耦合装置和谐振腔的前腔镜入射到激光工作介质；激光工作介质产生的激光在谐振腔内振荡；经过一预定时间，振荡后的激光光束经过被动调Q元件发出一个激光脉冲经谐振腔的后腔镜出射；

步骤2：经过一预定时间，控制器控制泵浦源关闭；

步骤3：经过一预定时间，控制器控制泵浦源开启；

步骤4：重复上述步骤1、2、3。

本发明的有益效果是，采用本发明的被动调Q方法，其重复频率可以通过泵浦电流的启动和关断来主动进行控制。通过本发明的方法可确保一个泵浦周期中只产生单个被动调Q脉冲，避免产生后续的脉冲串，从而控制脉冲重复频率。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，其中：

图1是本发明的结构图；

图2为常规被动调Q的泵浦电流(连续泵浦)和输出光强波形图(通常输出重复频率不可控的脉冲串)；

图3为本发明的一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法输出的激光是单脉冲，激光重复频率可控。

图4为本发明的方法流程图；

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的装置，包括：

一泵浦源1，所述的泵浦源1是半导体激光器或者闪光灯；

一激光谐振腔2，该激光谐振腔2包括一前腔镜和一后腔镜，该激光谐振腔2位于泵浦源1的输出光路上，所述的激光谐振腔2的材料是硅酸盐玻璃、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或钠钙玻璃；

一激光工作介质3，该激光工作介质3位于激光谐振腔2的前腔镜和后腔镜之间，所述的激光工作介质3是晶体或有源光纤，激光工作介质的材料是Nd：YAG、Yb：YAG、Er：YAG、Cr：YAG、Nd：glass、Yb：glass、Er：glass或Ti：sapphire；

一被动调Q元件4，该被动调Q元件4在激光工作介质3之后，位于激光谐振腔2的前腔镜和后腔镜之间，所述的被动调Q元件4的材料是Cr⁴+：YAG、Co：Spinel、V：YAG或半导体可饱和吸收体镜；

一控制器6，该控制器6与泵浦源1连接，控制泵浦源1的开启或关闭；

一耦合装置7，该耦合装置7位于泵浦源1的输出光路上，在泵浦源1和激光谐振腔2之间，所述的耦合装置7是耦合透镜组或者耦合光纤。

参见图4及图1所示，本发明提供一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，包括如下步骤：

步骤1：控制器打开泵浦源1，泵浦源1发出的泵浦光通过耦合装置7和谐振腔2的前腔镜入射到激光工作介质3；激光工作介质3产生的激光在谐振腔2内振荡；经过一预定时间，振荡后的激光光束经过被动调Q元件4发出一个激光脉冲经谐振腔2的后腔镜出射，所述的泵浦源1是半导体激光器或者闪光灯，所述的激光谐振腔2由腔镜对构成，腔镜的材料是硅酸盐玻璃、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或钠钙玻璃，所述耦合装置7是耦合透镜组或者耦合光纤，所述的激光工作介质3的材料是Nd：YAG、Yb：YAG、Er：YAG、Cr：YAG、Nd：glass、Yb：glass、Er：glass或Ti：sapphire。激光工作介质3的是晶体或有源光纤，所述的被动调Q元件4的材料是Cr4+：YAG、Co：Spinel、V：YAG或半导体可饱和吸收体镜，所述的泵浦源1是半导体激光器或者闪光灯，所述的激光谐振腔2由腔镜对构成。腔镜的材料可以是硅酸盐玻璃，如石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃，也可以是其它种类的玻璃或者其它材料。所述的激光谐振腔也可以由激光工作介质上和被动调Q元件上的镀膜充当腔镜来构成。所述的激光谐振腔也可以由其它元件，如半导体可饱和吸收体镜(SESAM)充当腔镜来构成；

所述的激光谐振腔2的腔型为平凹腔(即第一个腔面为平面镜第二个腔面为凹面镜)、平平腔(即两个腔面都为平面镜)、平凸腔(即第一个腔面为平面镜第二个腔面为凸面镜)、凹凹腔(即两个腔面都为凹面镜)、凹平腔(即第一个腔面为凹面镜第二个腔面为平面镜)、凹凸腔(即第一个腔面为凹面镜第二个腔面为凸面镜)、凸凹腔(即第一个腔面为凸面镜第二个腔面为凹面镜)、凸平腔(即第一个腔面为凸面镜第二个腔面为平面镜)、凸凸镜(即两个腔面都为凸面镜)，也可以是其它腔型。

所述的脉冲泵浦被动调Q输出单脉冲的激光器可增加光学整形系统。产生的调Q激光脉冲脉宽在0.01ns～1ms之间。

步骤2：经过一预定时间，控制器6控制泵浦源1关闭，所述关闭的预定时间为0.01fs-10min；

步骤3：经过一预定时间，控制器6控制泵浦源1开启，所述开启的预定时间为0.01fs-100min；

步骤4：重复步骤1、2、3。

工作过程为：

控制器6将泵浦源1打开，计时开始。泵浦源1开始发射泵浦光经过激光谐振腔2照射激光工作介质3。在泵浦光的作用下，激光工作介质内上能级粒子数增加，从而激光工作介质3储存的能量不断积累。被动调Q元件4没有饱和时，其吸收系数较大，因此腔内损耗比较大，不会产生激光振荡。被动调Q元件4饱和时，其吸收系数较小，因此腔内损耗比较小，激光振荡快速地产生，激光工作介质3中储存的能量迅速释放，形成激光脉冲，此时经过的一段时间是t0。然后，泵浦源1停止发射泵浦光。激光工作介质中储存的能量不会再积累，从而不会形成调Q激光脉冲。避免后续脉冲串的形成。泵浦控制器6在t1时间后将泵浦源1打开，然后重复以上过程。通过设置等待的时间来控制脉冲重复频率。重复频率的周期T＝t0+t1。

启动时刻的设定决定了产生脉冲的重复频率，即关断到启动的时间越长，重复频率越低；关断到启动的时间越短，重复频率越高。

请注意，当泵浦源1开始工作一段时间t0后，发出且仅发出一个脉冲，t0的选取比较关键。

图2上图展示了传统被动调Q方案中，连续泵浦工作方式，被动调Q下重复频率不可调，而且输出脉冲在泵浦功率较大时，会产生脉冲串。下图为本发明申请的一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法。输出的激光是单脉冲，激光重复频率可控。

图3展示了本发明提供的一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的工作步骤。

实施例

泵浦源1采用光纤耦合的二极管激光器，泵浦波长为806nm。耦合装置7为成像透镜组。激光工作介质3为0.5％掺杂的Nd：LuVO₄晶体3，激光振荡波长为1060nm。Nd：LuVO₄晶体左端面镀对1060nm高反，对806nm增透的镀膜，右端面镀对1060nm增透的镀膜。被动调Q元件4采用Cr：YAG晶体。Nd：LuVO₄晶体的左端面的镀膜作为激光谐振腔2的一个腔镜，激光谐振腔2的另一个腔镜为20％透过，80％反射的输出镜。

泵浦源1发出的泵浦光通过耦合装置7(成像透镜组)对激光工作介质3(Nd：LuVO₄晶体)进行泵浦。泵浦源开始工作时，计时开始。被动调Q元件4(Cr：YAG晶体)未饱和时，其吸收系数较大，腔内损耗也较大，不会产生激光振荡。因此泵浦光的能量转化为激光工作介质3(Nd：LuVO₄晶体)中的反转粒子数而被储存。当被动调Q元件4(Cr：YAG晶体)饱和时，其吸收系数较小腔内损耗也较小，激光振荡快速地产生，形成激光脉冲，此过程为20ns。关断泵浦，2s后，启动泵浦，再次产生激光脉冲，然后重复该过程。

本发明说明只要在探测到激光脉冲产生时将泵浦电流关断设定的时间就可对被动调Q产生激光脉冲的重复频率进行主动的控制。

Claims (10)

1.一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的装置，包括：

一泵浦源；

一激光谐振腔，该激光谐振腔包括一前腔镜和一后腔镜，该激光谐振腔位于泵浦源的输出光路上；

一激光工作介质，该激光工作介质位于激光谐振腔的前腔镜和后腔镜之间；

一被动调Q元件，该被动调Q元件在激光工作介质之后，位于激光谐振腔的前腔镜和后腔镜之间；

一控制器，该控制器与泵浦源连接，控制泵浦源的开启或关闭；

一耦合装置，该耦合装置位于泵浦源1的输出光路上，在泵浦源和激光谐振腔之间。

2.根据权利要求1所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的装置，其中所述的泵浦源是半导体激光器或者闪光灯，所述的激光谐振腔2的材料是硅酸盐玻璃、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或钠钙玻璃。

3.根据权利要求1所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的装置，其中所述的耦合装置是耦合透镜组或者耦合光纤。

4.根据权利要求1所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的装置，其中所述的激光工作介质是晶体或有源光纤，激光工作介质的材料是Nd：YAG、Yb：YAG、Er：YAG、Cr：YAG、Nd：glass、Yb：glass、Er：glass或Ti：sapphire。

5.根据权利要求1所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的装置，其中所述的被动调Q元件的材料是Cr⁴+：YAG、Co：Spinel、V：YAG或半导体可饱和吸收体镜。

6.一种重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，该方法是采用权利要求1所述的装置，包括如下步骤：

步骤1：控制器打开泵浦源，泵浦源发出的泵浦光通过耦合装置和谐振腔的前腔镜入射到激光工作介质；激光工作介质产生的激光在谐振腔内振荡；经过一预定时间，振荡后的激光光束经过被动调Q元件发出一个激光脉冲经谐振腔的后腔镜出射；

步骤2：经过一预定时间，控制器控制泵浦源关闭；

步骤3：经过一预定时间，控制器控制泵浦源开启；

步骤4：重复步骤1、2、3。

7.根据权利要求6所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，其中关闭的预定时间为0.01fs-10min，开启的预定时间为0.01fs-100min。

8.根据权利要求6所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，其中所述的泵浦源是半导体激光器或者闪光灯，所述的激光谐振腔的材料是硅酸盐玻璃、石英玻璃、硼硅酸盐玻璃或钠钙玻璃，所述的耦合装置是耦合透镜组或者耦合光纤。

9.根据权利要求6所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，其中所述的激光工作介质的是晶体或有源光纤，激光工作介质的材料是Nd：YAG、Yb：YAG、Er：YAG、Cr：YAG、Nd：glass、Yb：glass、Er：glass或Ti：sapphire。

10.根据权利要求6所述的重复频率可控的被动调Q产生激光脉冲的方法，其中所述的被动调Q元件的材料是Cr⁴+：YAG、Co：Spinel、V：YAG或半导体可饱和吸收体镜。