CN104701717B - 一种提高激光转盘斩波调q性能的装置及调q激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光转盘斩波调Q性能的装置及包含该装置的调Q激光器，装置包括位于谐振腔内部或外部的伽利略望远镜装置以及位于谐振腔内部用于对压缩后的激光光束进行调Q的转盘斩波调Q器件。激光介质为一个时，第一伽利略式望远镜装置位于谐振腔之内，用于压缩激光光束直径，以减少Q开关时间增强调Q效果；激光介质大于一个时，第二伽利略式望远镜装置位于谐振腔之外，由各路激光谐振腔共用，用于将多路调Q激光合束，实现非相干光波叠加输出；激光介质大于一个且为偶数时，利用多面体棱镜和位于激光谐振腔内的第三伽利略式望远镜装置实现准相干光波叠加输出。实施本发明对利用斩波转盘产生窄脉冲宽度、大能量的调Q激光具有积极作用。

Description

一种提高激光转盘斩波调Q性能的装置及调Q激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种提高激光转盘斩波调Q性能的装置及调Q激光器。

背景技术

激光调Q是产生窄脉冲和高峰值功率激光的主要技术方法之一。转盘斩波调Q相较于电光、声光以及被动调Q方式，具有关断效果好、结构简单、无附加吸收损耗和无用损耗、无波长及偏振选择性、可承受较高功率的优点。

1996年，Chin-Lin Chen在《Elements Of Optoelectronics And Fiber Optics》一书中表明了激光机械斩波转盘（Rotation Chopper）调Q的方法，是指在激光腔内插入一个转动的斩波转盘，斩波转盘由高速电机带动，其边缘有若干狭缝或小孔，当斩波转盘阻挡光路时，反转粒子数积累，当斩波转盘的通光孔与光路重合时，激光振荡形成，积累的反转粒子数在短时间内形成一个激光Q脉冲，从而实现激光调Q。但此方法对于大孔径、高能量、激光建立时间快的激光器实行转盘斩波调Q时存在缺陷：若取通光孔的直径大于激光介质的直径（通常选择），会导致Q开关的开启时间增大，不利于实现激光调Q的快开关过程；若取通光孔的直径小于激光介质的直径，虽然可减小Q开关的开启时间，但会增加激光功率的无用损耗，减小激光振荡的模体积，激光介质储备的能量不能充分被利用。因此在2000年，叶小华等在《新型激光器机械调Q的分析与研究》一文中提出了两种改进方法：方法一是在激光谐振腔内附加正透镜，并在激光谐振腔内实焦点处进行斩波调Q；方法二是在折叠腔中，由双凹共焦腔形成实焦点，同样是在腔内实焦点处进行斩波调Q。这两种方法虽然可以减小斩波转盘通光孔的直径，在电机转速不变的条件下，使Q开关的开关时间缩短，但在实际应用中仍然存在以下问题：激光谐振腔内存在实焦点对转盘斩波产生严重影响，特别是在大功率情况下，腔内光强太强，容易产生光频击穿现象，破坏激光振荡条件，导致激光器没有输出，严重时会损伤光学元件或者斩波转盘。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种提高激光转盘斩波调Q性能的装置及包含该装置的调Q激光器，装置利用伽利略式望远镜装置在激光谐振腔内的光束压缩作用，减少Q开关的开关时间，提高激光Q脉冲的重复频率，使得激光的模体积被充分利用，同时未在激光谐振腔内产生实焦点，避免产生光频击穿现象；并且可以采用同一个斩波转盘装置，实现多路同步调Q，并利用伽利略式望远镜在激光谐振腔外的激光合束作用，实现多路调Q脉冲激光的峰值功率叠加。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种提高激光转盘斩波调Q性能的装置，用于使激光器产生窄脉冲、大能量调Q激光，所述装置包括：

位于激光器谐振腔内部用于压缩激光光束直径的第一伽利略式望远镜装置和/或位于激光器谐振腔外部用于合并多路激光光束的第二伽利略式望远镜装置；

位于激光器谐振腔内部用于对压缩直径后的激光光束进行调Q的转盘斩波调Q器件。

在本发明所述的提高激光转盘斩波调Q性能的装置中，所述第一伽利略式望远镜装置中目镜为会聚透镜，物镜为发散透镜，所述会聚透镜为凸透镜、等效热透镜的激光介质、凸曲率端面激光介质中的任一种，所述发散透镜为凹透镜或凹曲率端面激光介质；所述第二伽利略式望远镜装置中目镜为会聚透镜，物镜为发散透镜，所述会聚透镜为消彗差凸透镜，所述发散透镜为凹透镜。

相应地，本发明还提供了一种提高激光转盘斩波调Q性能的装置，用于使激光器产生窄脉冲、大能量调Q激光，所述装置包括：

位于激光器谐振腔内部用于压缩激光光束直径的第一伽利略式望远镜装置和/或位于激光器谐振腔内部用于压缩任意相邻调Q脉冲激光光束的空间间距的第三伽利略式望远镜装置；

位于激光器谐振腔内部用于对压缩直径后的激光光束进行调Q的转盘斩波调Q器件。

在本发明所述的提高激光转盘斩波调Q性能的装置中，所述第一伽利略式望远镜装置中目镜为会聚透镜，物镜为发散透镜，所述会聚透镜为凸透镜、等效热透镜的激光介质、凸曲率端面激光介质中的任一种，所述发散透镜为凹透镜或凹曲率端面激光介质；所述第三伽利略式望远镜装置中目镜为会聚透镜，物镜为发散透镜，所述会聚透镜为凸透镜，所述发散透镜为凹透镜。

相应地，本发明还提供了一种调Q激光器，包括激光谐振腔、位于激光谐振腔内的用于产生激光光束的激光介质，所述激光器还包括上述提高激光转盘斩波调Q性能的装置。

在本发明所述的调Q激光器中，激光介质只有一个时，所述激光谐振腔依次包含有全反镜、转盘斩波调Q器件、第一伽利略式望远镜装置、激光介质、输出镜，所述输出镜与全反射镜的位置可以互换；所述第一伽利略式望远镜装置用于压缩激光谐振腔内的光束直径，以减少Q开关时间和提高Q脉冲重复频率。

在本发明所述的调Q激光器中，激光介质大于一个时，所述激光谐振腔依次包含有全反镜、激光介质、转盘斩波调Q器件、输出镜；各路激光谐振腔与转盘斩波调Q器件中斩波转盘通光部位的分布相对应，呈圆周阵列等间距分布，当斩波转盘转动时，对多路激光进行同步调Q，第二伽利略式望远镜装置设置于激光谐振腔外，由各路激光谐振腔共用，用于将多路激光谐振腔输出的激光合并成单路激光，实现非相干光波叠加输出；激光介质大于一个时，对于多路激光同步调Q的情况，各路激光谐振腔内增设第一伽利略式望远镜装置用于压缩各路激光光束直径。

相应地，本发明还提供了一种调Q激光器，包括激光谐振腔、位于激光谐振腔内的用于产生激光光束的激光介质，所述激光介质大于一个且为偶数，所述激光器还包括上述提高激光转盘斩波调Q性能的装置。

在本发明所述的调Q激光器中，所述激光谐振腔依次包含有多面体棱镜、激光介质、转盘斩波调Q器件、第三伽利略式望远镜装置、输出镜；多面体棱镜用于折叠激光谐振腔，各路激光谐振腔与斩波调Q器件中斩波转盘通光部位的分布相对应，呈圆周阵列等间距分布，当斩波转盘转动时，对多路激光进行同步调Q；第三伽利略式望远镜装置设置于激光谐振腔内，由各路激光谐振腔共用，用于压缩任意相邻调Q脉冲激光光束的空间间距，实现准相干光波叠加输出；激光介质大于一个时，对于多路激光同步调Q的情况，各路激光谐振腔内增设第一伽利略式望远镜装置用于压缩各路激光光束直径。

因此，本发明可以获得以下的有益效果：通过在激光谐振腔内设置第一伽利略式望远镜装置，光束压缩之后激光谐振腔内不产生实焦点，可以避免光频击穿；激光谐振腔内的光束经过第一伽利略式望远镜装置，出射光为直径减小一个数量级的平行光束，可以减少斩波转盘通光孔的直径，缩短Q开关的开关时间，有利于产生窄脉冲宽度的调Q激光；利用伽利略式望远镜装置的特性，使得激光介质的模体积得到充分利用，有利于调Q脉冲能量的充分释放，从而获得窄脉宽、大能量的调Q激光；转盘上的通光孔可以起到孔径光阑的作用，光束通过孔径光阑时，光束边缘部分的高阶模因光阑的阻挡受到损耗而被抑制掉，这种结构既保持了孔径光阑的横模选择特性，又扩大了基模体积，可提高激光的光束质量；通过斩波转盘，可进行N路激光同时斩波调Q，即使在高重复频率下，也可以保证同步输出N路激光Q脉冲；多路激光同步调Q时，多路激光由激光谐振腔外的第二伽利略式望远镜装置合并成单路非相干光输出，若各路激光参数相同，N路调Q激光经过合束之后的功率为单路调Q激光功率的N倍；激光介质大于一个且为偶数时，还可利用多面体棱镜和位于激光谐振腔内的第三伽利略式望远镜装置实现准相干光波叠加以输出质量较优的激光光束。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第一实施例的调Q激光器的结构示意图；

图2是本发明第二实施例的调Q激光器的结构示意图；

图3是本发明第三实施例的调Q激光器的结构示意图；

图4是本发明第四实施例的调Q激光器的结构示意图的部分剖视图；

图5是本发明第四实施例的调Q激光器的结构示意图的部分侧视图；

图6是本发明第四实施例的调Q激光器改进结构示意图的部分剖视图；

图7是本发明第五实施例的调Q激光器的结构示意图的部分剖视图；

图8是本发明第五实施例的调Q激光器中多面体棱镜的结构示意图；

图9是本发明第五实施例的调Q激光器的部分结构示意图。

其中：1-斩波转盘、2-转动轴、3-通光孔、4-激光介质、5-高速电机、6-输出镜、7-全反射镜、8-凸透镜、9-凹透镜、10-激光介质（等效热透镜）、11-凸曲率端面激光介质、12-凹曲率端面激光介质、13-激光光束截面、14-选择性高反膜、15-第一支架、16-第二支架、17-消彗差凸透镜、18-第二凹透镜、19-多面体棱镜。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一：

图1是本发明第一实施例的调Q激光器结构示意图。如图1所示，在由输出镜6和全反镜7组成的平行平面腔中，依次分布了激光介质4、第一伽利略式望远镜装置、转盘斩波调Q器件。转盘斩波调Q器件包括高速电机5和由高速电机5带动旋转的斩波转盘1，斩波转盘1边缘上呈圆周阵列等间距设置有供激光光束通过的通光孔3。第一伽利略式望远镜装置由凸透镜8和凹透镜9组成。斩波转盘1在高速电机5的带动下旋转改变腔Q值，斩波转盘1周期性开启或阻挡光路从而实现调Q。伽利略式望远镜装置并没有使激光光束在激光谐振腔内产生实焦点，另外，通光孔充当孔径光阑，具有横模选择特性。

设激光光束未被压缩之前的直径为D₁，经过第一伽利略式望远镜装置之后的光束直径为D₂，通光孔直径为D₃，斩波转盘的通光孔中心处的线速度为v_s，Q开关的开关时间为t_s。通常取未被压缩光束直径的数量级为mm至cm，伽利略式望远镜装置压缩比通常为D₁:D₂＝10:1，则压缩光束直径数量级为100μm至mm，通光孔直径D₃略大于D₂，从而使得Q开关的开关时间t_s＝(D₂+D₃)v_s降低一个数量级，有利于产生窄脉冲宽度的调Q激光。

实施例二：

图2是本发明第二实施例的调Q激光器的结构示意图。如图2所示，其结构原理与图1所示的实施例一相似，不同之处在于：采用激光介质热透镜效应形成的热透镜来代替第一伽利略式望远镜装置内的凸透镜的作用，本实施例中以激光介质（等效热透镜）10与凹透镜9组成光束压缩装置，简化结构，减少附加插入损耗。

实施例三：

图3是本发明第三实施例的调Q激光器的结构示意图。如图3所示，在由输出镜6和全反镜7组成的平行平面腔中，依次分布了双凸曲率端面激光介质11、双凹曲率激光介质12和包含有斩波转盘1和高速电机5的转盘斩波调Q器件。转盘斩波调Q的方法与实施例一相同。第一伽利略式望远镜装置由双凸曲率端面激光介质11、双凹曲率端面激光介质12组成。双凸曲率端面激光介质11是双端面加工出正曲率半径，达到凸透镜的光学效果，双凹曲率端面激光介质11是双端面加工出负曲率半径，达到双凹透镜的光学效果。本实施例进一步简化装置结构，减少附加插入损耗。

应当指出，双激光介质串接情况下，激光介质端面不仅只有双端加工的情况，也可根据实际情况单端面加工，同样能达到伽利略式望远镜装置的要求。

实施例一至三中，输出镜6和全反射镜7的位置均可以互换，不影响其它装置结构，只改变激光光束的出光方向。并且在具体实现中，所采用的第一伽利略式望远镜装置中目镜可选用凸透镜、等效热透镜的激光介质、凸曲率端面激光介质中的任一种，物镜可选用凹透镜或凹曲率端面激光介质，以实现压缩激光光束直径的技术效果，其并不局限于实施例一至三中所列举的组合。

实施例四：

图4是本发明第四实施例的调Q激光器的结构示意图的部分剖视图，本实施例主要目的是完成多路激光器同步进行转盘斩波调Q。

当激光介质和激光谐振腔组成的激光器大于一个时，参阅图5（b）斩波转盘1的侧视图，各路激光器与斩波转盘1通光孔3的分布相对应，呈圆周阵列等间距分布。当斩波转盘1转动时，由于其周期性特点，从某一个通光孔转动到相邻通光孔时，可对多路激光器进行同步调Q。

本实施例中，单路激光器的结构为与前述实施例部分不同，不同点有三：其一在于出光方向相反，即输出镜6和全反镜7互换位置；其二，本实施例中，为简化结构，将全反镜取消，改为在激光介质4的左端面镀选择性高反膜14；其三，谐振腔内不包含第一伽利略式望远镜装置（谐振腔内包含第一伽利略式望远镜装置的实施例详见实施例四的改进结构说明以及图6），激光介质4采用端面直径小的激光介质，产生的激光光束直径与前述实施例中经过光束压缩的光束直径可相比拟。

本实施例中，由于光路立体分布，各激光器由第一支架15和第二支架16固定，其中：参阅图5（a）第一支架15侧视图，各路激光器中镀有选择性高反膜14的激光介质4由第一支架15固定，呈圆周阵列等间距分布，第一支架15为中空结构，预留的中空部分用于高速电机5的安放与固定；参阅图5（c）第二支架16侧视图，各路激光器中对应的输出镜6由第二支架16固定，呈圆周阵列等间距分布。

本实施例中，在激光谐振腔外放置第二伽利略式望远镜装置，装置由消彗差凸透镜17和第二凹透镜18组成，将多路激光器输出的激光合并成单路激光输出。第二凹透镜18输出的平行光束，在初始阶段为空心光束，当经过一段距离传播，由于衍射效应，将汇聚成实心的平行光束。若各路激光参数相同，那么N路激光光束经过光束合并之后的功率为单路功率的N倍。

作为对实施例四的改进，在进行多路激光器同步进行转盘斩波调Q时，各路激光器谐振腔内部也可以放置第一伽利略式望远镜装置进行光束压缩。参阅图6，在第一支架14中，可分别在各路激光器的激光介质和输出镜之间增设凹透镜9，即由激光介质（等效热透镜）10与凹透镜9组成第一伽利略式望远镜装置，用于压缩光束，进一步减小斩波转盘通光孔3的直径，进而缩短Q开关的开关时间。

应当指出，在多路激光器同步进行转盘斩波调Q时，各路激光器的谐振腔内部不仅仅可以应用本实施例改进方案中的第一伽利略式望远镜装置这一种形式来进行光束压缩，也可以采用用实施例一、二、三中任一种第一伽利略式望远镜装置的形式进行光束压缩。

实施例五：

图7是本发明第五实施例的调Q激光器的结构示意图的部分剖视图。本实施例以实施例四为基础，其斩波调Q方法与实施例四相同，其结构上的不同点在于：（1）激光介质4的数量为2N（N=1，2，3…）；（2）取消第二伽利略式望远镜装置、第二支架16、第二支架上16上固定的所有输出镜6以及激光介质4左端面的选择性高反膜14；（3）在第一支架15左侧增加多面体棱镜19，结构示意图参阅图8，并与第一支架15同轴；（4）各路激光器共用一块输出镜4；（5）在输出镜4和斩波转盘1之间增设第三伽利略式望远镜装置。

本实施例中，所述第三伽利略式望远镜装置中目镜为会聚透镜，物镜为发散透镜，所述会聚透镜为凸透镜，所述发散透镜为凹透镜。激光介质4和斩波转盘1之间亦可增设第一伽利略式望远镜装置，采用实施例一、二、三中任一种第一伽利略式望远镜装置的形式进行激光光束直径压缩。

为详尽描述本实施例的工作方式，将2N个激光介质4分为N组，每组中包含两个激光介质4，所述两个激光介质4以第一支架15的中心为轴，呈中心对称分布。取2N=8，将8个激光介质以上述中心对称的分组方式分为4组，针对其中任意一组分析：组内由两个激光介质、输出镜6和多面体棱镜19组成一个折叠谐振腔，多面体棱镜19的全反射效应将光路折叠。设每组内两个激光介质4分别为第一、第二激光介质，以输出镜6为起点，激光依次经过第三伽利略式望远镜装置、斩波转盘、第一激光介质，然后经过多面体棱镜19，并在棱镜内部经过两次全反射（参阅图9），再依次进入第二激光介质、斩波转盘、第三伽利略式望远镜装置，最后到达输出镜6，并以此为路径往复振荡。上述单程路径中，激光光束在输出镜6上的起点位置和终点位置并不重合，但可以满足往返自再现的激光谐振条件，因此输出镜6会输出2路分离的激光光束。所以，当8路激光器共同工作时，输出镜6输出的激光仍为分离的八束平行Q脉冲激光，并以整个装置的中心线为轴呈圆周阵列等间距分布。8束激光经过第三伽利略式望远镜装置压缩任意相邻调Q脉冲激光光束的空间间距，传播一定距离之后，由于衍射效应的影响，最终会合并成一束实心光束。

特别应该指出的是，所述组内两个激光介质4输出的两束分离激光，由于共用一个折叠腔，因此这两束激光相干。更进一步，当2N个激光介质4共同工作时，输出镜6输出的激光为分离的2N束平行Q脉冲激光，并以整个装置的中心线为轴呈圆周阵列等间距分布，其中任意呈中心对称分布的两束激光相干。N组相干的激光光束传播一定距离之后合并成的实心光束具有准相干叠加特性，其光束质量优于实施例四中输出的非相干合并光束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种提高激光转盘斩波调Q性能的装置，用于使激光器产生窄脉冲、大能量调Q激光，其特征在于，所述装置包括：

位于激光器谐振腔内部用于压缩激光光束直径的第一伽利略式望远镜装置和位于激光器谐振腔内部用于压缩任意相邻调Q脉冲激光光束的空间间距的第三伽利略式望远镜装置；

位于激光器谐振腔内部用于对压缩直径后的激光光束进行调Q的转盘斩波调Q器件。

2.如权利要求1所述的提高激光转盘斩波调Q性能的装置，其特征在于，所述第一伽利略式望远镜装置中目镜为会聚透镜，物镜为发散透镜。

3.如权利要求2所述的提高激光转盘斩波调Q性能的装置，其特征在于，所述会聚透镜为凸透镜、等效热透镜的激光介质、凸曲率端面激光介质中的任一种，所述发散透镜为凹透镜或凹曲率端面激光介质。

4.如权利要求1所述的提高激光转盘斩波调Q性能的装置，其特征在于，所述第三伽利略式望远镜装置中目镜为会聚透镜，物镜为发散透镜。

5.如权利要求4所述的提高激光转盘斩波调Q性能的装置，其特征在于，所述会聚透镜为凸透镜，所述发散透镜为凹透镜。

6.一种调Q激光器，包括激光谐振腔、位于激光谐振腔内的用于产生激光光束的激光介质，所述激光介质大于一个且为偶数，其特征在于，所述激光器还包括如权利要求1或2所述的提高激光转盘斩波调Q性能的装置。

7.如权利要求6所述的调Q激光器，其特征在于，所述激光谐振腔依次包含有多面体棱镜、激光介质、转盘斩波调Q器件、第三伽利略式望远镜装置、输出镜；多面体棱镜用于折叠激光谐振腔，各路激光谐振腔与斩波调Q器件中斩波转盘通光部位的分布相对应，呈圆周阵列等间距分布，当斩波转盘转动时，对多路激光进行同步调Q；第三伽利略式望远镜装置设置于激光谐振腔内，由各路激光谐振腔共用，用于压缩任意相邻调Q脉冲激光光束的空间间距，实现准相干光波叠加输出；激光介质大于一个时，对于多路激光同步调Q的情况，各路激光谐振腔内增设第一伽利略式望远镜装置用于压缩各路激光光束直径。