CN105720470A - 种子注入单纵模双脉冲激光器和控制方法 - Google Patents

种子注入单纵模双脉冲激光器和控制方法 Download PDF

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张俊旋
马秀华
李世光
谢小兵
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Abstract

一种种子注入单纵模双脉冲激光器和控制方法，包括L型谐振腔、泵浦源、种子源、电路控制系统四部分。本发明激光器能保障100％单纵模输出，具有能量稳定性高、频率稳定性高、指向稳定性高、抗干扰能力强、寿命长和结构紧凑的特点。

Description

种子注入单纵模双脉冲激光器和控制方法
技术领域
本发明涉及单纵模激光器，特别是一种种子注入单纵模双脉冲激光器和控制方法。
背景技术
自工业革命以来，温室气体含量的增加引发全球气候变暖，已成为目前最重要的环境问题之一。CO2作为产生温室效应的最主要气体，对其浓度进行高精度测量对全球气候变化的研究非常必要。差分吸收激光雷达作为一种获取CO2垂直方向分布的主动遥感探测技术，具有探测范围大、空间分辨率高、实时连续监测和测量精度高等优点。而单纵模双脉冲激光器作为差分吸收雷达系统发射源的泵浦源，单纵模双脉冲激光器的单纵模性能、频率稳定性能、器件稳定可靠性能的优化对差分吸收雷达探测CO2能力的提升有重要意义。
目前种子注入技术是获得单纵模双脉冲激光最普遍的技术手段。在种子注入腔长控制技术中，通常采用压电陶瓷改变腔长。然而压电陶瓷的非线性效应使得系统对腔长的控制和反馈的精度受到了限制，进而影响输出激光的频率稳定性。压电陶瓷粘在激光器腔镜上，其机械振动会影响输出激光的指向稳定性。而且，高重频工作的压电陶瓷对驱动要求会增加，响应会逐渐变差，使用寿命会减少，进而导致系统可靠性变差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于电光相位调制器的种子注入单纵模双脉冲脉冲激光器和控制方法。该激光器能保障100％单纵模输出，具有频率稳定性高、能量稳定性高、抗干扰能力强、寿命长、工作稳定和结构紧凑的特点。
本发明的基本思想是：
在种子注入单纵模双脉冲激光器的从动腔中插入电光相位调制器。通过合理控制泵浦源的驱动脉冲宽度，在一个泵浦周期内，电光相位调制器驱动电源给电光相位调制器施加梯形电压，电光晶体的折射率随之线性变化，进而改变光学腔长。利用延迟-扫描-触发的谐振探测方法，在梯形电压扫描的上升沿和下降沿阶段，光电二极管检测到种子光经过从动腔形成的两套对称的干涉信号的峰值后，分别给出调Q开关的触发信号。两个触发信号具有一定时序关系，用来两次打开调Q开关，随即输出单纵模双脉冲激光。同时在每对激光脉冲输出后，对梯形电压的上升沿和下降沿起始时刻相对于泵浦脉冲起始时刻的延时量进行反馈控制，使每次调Q开关在泵浦脉冲中间和后沿的相同位置打开，进而提高激光脉冲的能量稳定性。
本发明的技术解决方案如下：
一种种子注入单纵模双脉冲激光器，其结构包括L型谐振腔、泵浦源、种子源、电路控制系统四部分，其特点在于：
所述的L型谐振腔包括后腔镜和耦合输出镜，所述的L型谐振腔内由所述的后腔镜沿光路至所述的耦合输出镜依次是调Q晶体、第一四分之一波片、对振荡激光透射的布儒斯特角起偏器、分光镜、第二四分之一波片、增益介质、第三四分之一波片和电光相位调制器，所述的分光镜与所述的光路成45°，该分光镜对泵浦激光高透，对谐振腔的振荡激光高反，形成L型谐振腔；
所述的泵浦源依次由激光二极管和泵浦耦合系统组成，所述的激光二极管输出的泵浦光经过所述的泵浦耦合系统、分光镜、第二四分之一波片对所述的增益介质进行泵浦；
所述的种子源包括种子激光器，沿该种子激光器的激光输出方向依次是隔离器、耦合透镜系统、半波片、第四四分之一波片，所述的种子激光器输出的种子激光经过所述的后腔镜进入所述的L型谐振腔内，所述的种子激光器输出的种子激光的光路与所述的谐振腔的振荡光路一致；
所述的电路控制系统由谐振探测电路、泵浦驱动电源、电光相位调制器驱动电源、光电二极管和调Q驱动电源组成，所述的光电二极管设置在所述的布儒斯特角起偏器的反射光方向，所述的谐振探测电路的输入端与所述的光电二极管的输出端相连，所述的谐振探测电路的输出端分别与所述的泵浦驱动电源的输入端、所述的电光相位调制器驱动电源的输入端，所述的调Q驱动电源的输入端相连，所述的泵浦驱动电源的输出端与所述的泵浦源的输入端相连，所述的电光相位调制器驱动电源的输出端与所述的电光相位调制器的输入端相连，所述的调Q驱动电源的输出端与所述的调Q晶体的输入端相连。
所述的谐振探测电路为可编程门阵列电路，为实现种子注入谐振探测提供信号分析处理和时序控制。
上述种子注入单纵模双脉冲激光器的控制方法，该方法包括下列步骤：
1)所述的谐振探测电路在每一个周期的起始时刻给所述的泵浦驱动电源发出触发信号，该泵浦驱动电源检测到触发信号后给所述的泵浦源进行泵浦；
2)所述的谐振探测电路在经过一定延时后给所述的电光相位调制器驱动电源发出触发信号，该电光相位调制器驱动电源向所述的电光相位调制器施加梯形扫描电压对腔长进行扫描；
3)所述的谐振探测电路接收所述的光电二极管的电信号，在电压扫描的上升沿和下降沿阶段，分别检测到两个干涉信号峰值时，向所述的调Q驱动电源发出两个触发信号，该两个触发信号具有一定时序关系，所述的调Q驱动电源接收到有一定时序关系的两个触发信号后，向所述的调Q晶体输出电压，用来两次打开调Q开关，随即输出单纵模双脉冲激光；
4)所述的谐振探测电路在每对单纵模双脉冲激光输出后，对梯形电压上升沿和下降沿的起始时刻相对于泵浦脉冲起始时刻的延时量进行反馈控制，使每次调Q开关在泵浦脉冲相同位置打开，进而提高激光脉冲的能量稳定性。
所述的调Q晶体、第一四分之一波片、布儒斯特角起偏器构成电光调Q开关。
所述的分光镜对808nm泵浦光高透并且对1064nm振荡激光高反；
所述的第二四分之一波片和第三四分之一波片的快轴方向与水平反向呈45°，通过扭转模法消除驻波腔的空间烧孔效应。
所述的种子激光器输出单纵模窄线宽连续激光。
所述的隔离器防止从动腔产生的激光损伤种子激光器。
所述的耦合透镜系统对种子光束变换耦合，使得种子激光在从动腔内与其振荡光束光斑大小匹配。
所述的半波片和第四四分之一波片可以产生满足谐振探测要求的椭圆偏振光。
本发明具有以下优点：
1.采用L型谐振腔，结构紧凑，体积小。
2.采用延迟-扫描-触发的谐振探测方案，保证100％单纵模输出的基础上提高了激光器的能量稳定性。
3.采用电光相位调制器代替压电陶瓷实现种子注入，实现系统的高性能的腔长反馈，保证激光器频率稳定性高、指向稳定性高、抗干扰能力强、使用寿命长。
附图说明
图1是本发明激光器系统的结构示意图；
图2是本发明激光器的控制过程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参照图1，图1是本发明种子注入式单纵模双脉冲激光器的结构示意图。由图可见，本发明种子注入式单纵模双脉冲激光器包括L型谐振腔、泵浦源、种子源、电路控制系统四部分：
所述的L型谐振腔包括后腔镜1-1和耦合输出镜1-10，所述的L型谐振腔内由后腔镜1-1至耦合输出镜1-10依次是调Q晶体1-2、第一四分之一波片1-3、对振荡激光透射的布儒斯特角起偏器1-4、分光镜1-5、第二四分之一波片1-6、增益介质1-7、第三四分之一波片1-8和电光相位调制器1-9。所述的分光镜1-5与光路成45°设置，对泵浦激光高透，对谐振腔的振荡激光高反，形成L型谐振腔。
所述的泵浦源依次由激光二极管2-1和泵浦耦合系统2-2组成。所述的激光二极管2-1输出的泵浦光经过泵浦耦合系统2-2、分光镜1-5、第二四分之一波片1-6对增益介质1-7进行泵浦。
所述的种子源包括种子激光器3-1，沿种子激光器3-1的激光输出方向依次是隔离器3-2、耦合透镜系统3-3、半波片3-4、第四四分之一波片3-5。所述的种子激光器3-1输出的种子激光经过所述的后腔镜1-1进入L型谐振腔内，并且光路与谐振腔的振荡光路一致。
所述的电路控制系统由谐振探测电路4-1、泵浦驱动电源4-2、电光相位调制器驱动电源4-3、光电二极管4-4、调Q驱动电源4-5组成。所述的谐振探测电路4-1的输入端与所述的光电二极管4-4的输出端相连，所述的谐振探测电路4-1的输出端分别与所述的泵浦驱动电源4-2的输入端、所述的电光相位调制器驱动电源4-3的输入端，所述的调Q驱动电源4-5的输入端相连。所述的光电二极管4-4设置在所述的布儒斯特角起偏器的反射光方向。所述的泵浦驱动电源4-2的输出端与所述的泵浦源2-1输入端相连。所述的电光相位调制器驱动电源4-3的输出端与所述的电光相位调制器1-9的输入端相连。所述的调Q驱动电源4-5的输出端与所述的调Q晶体1-2的输入端相连。
所述的后腔镜1-1和耦合输出镜1-10对1064nm激光的反射率分别为95％和40％。所述的调Q晶体1-2、第一四分之一波片1-3、布儒斯特角起偏器1-4构成电光调Q开关。所述的分光镜1-5对808nm泵浦光高透并且对1064nm振荡激光高反。所述的增益介质1-7为键合Nd:YAG。所述的第二四分之一波片1-6和第三四分之一波片1-8通过旋转合适的角度消除驻波腔的空间烧孔效应。所述的电光相位调制器1-9为磷酸钛氧铷(RTP)晶体。
所述的种子激光器3-1输出窄线宽高频率稳定性的单纵模连续激光。所述的隔离器3-2防止从动腔产生的激光损伤种子激光器。所述的耦合透镜系统3-3对种子光束进行变换耦合，使得种子激光在从动腔内与其振荡光束光斑大小匹配。所述的半波片3-4和第四四分之一波片3-5组合产生满足谐振探测所需要的椭圆偏振光。种子光经后腔镜1-1进入到谐振腔内，经过布儒斯特角起偏片1-4时s光被反出腔外，透过的p光再经过一次从动谐振腔后在布儒斯特角起偏片1-4之前变成了s光，也被反出腔外。两次反出的s光干涉，其干涉信号包含了腔长信息。
参照图2，图2是本发明激光器的控制过程图，本发明激光器的控制方法，包括如下步骤：
1、所述的谐振探测电路4-1在每一个周期的起始时刻给所述的泵浦驱动电源4-2发出触发信号，泵浦驱动电源4-2检测到触发信号后给所述的泵浦源2-1进行泵浦；
2、所述的谐振探测电路4-1在经过一定延时后给所述的电光相位调制器驱动电源4-3发出触发信号。该电光相位调制器驱动电源4-3向所述的电光相位调制器1-9施加梯形扫描电压对腔长进行扫描；
3、所述的谐振探测电路4-1接收所述的光电二极管4-4的电信号，在电压扫描的上升沿和下降沿阶段，分别检测到两个干涉信号峰值时，向所述的调Q驱动电源4-5发出两个触发信号。两个触发信号具有一定时序关系，该调Q驱动电源4-5接收到有一定时序关系的两个触发信号后，向所述的调Q晶体1-2输出电压，用来两次打开调Q开关，随即输出单纵模双脉冲激光。
4、所述的谐振探测电路4-1在每对激光脉冲输出后，对梯形电压上升沿和下降沿的起始时刻相对于泵浦脉冲起始时刻的延时量进行反馈控制，使每次调Q开关在泵浦脉冲相同位置打开，进而提高激光脉冲的能量稳定性。
下面是本发明实施例的具体参数：
泵浦采用峰值功率为150W、中心波长为808nm的脉冲运转激光二极管2-1，泵浦脉冲时间为450μs。所述的增益介质1-7采用的键合晶体棒YAG/Nd:YAG/YAG，中间为20mm的掺杂区，掺杂浓度为0.3at.％。谐振腔的后腔镜1-1和输出镜1-10都是平镜，对1064nm激光的反射率分别为95％和40％。采用一组磷酸钛氧铷(RTP)做调Q晶体1-2，另一组磷酸钛氧铷(RTP)晶体做电光相位调制晶体。利用延迟-扫描-触发的谐振探测技术获得了种子注入单纵模双脉冲激光。在50Hz的脉冲重复频率下输出脉冲能量均为10mJ的1064nm单纵模双脉冲激光，输出激光脉宽约为20ns，并且有接近傅里叶转换极限的窄线宽输出和高频率稳定性。
综上所述，本发明激光器能保障100％单纵模输出，具有能量稳定性高、频率稳定性高、指向稳定性高、抗干扰能力强、结构紧凑、使用寿命长的特点。

Claims (3)

1.一种种子注入单纵模双脉冲激光器，其结构包括L型谐振腔、泵浦源、种子源、电路控制系统四部分，其特征在于：
所述的L型谐振腔包括后腔镜(1-1)和耦合输出镜(1-10)，所述的L型谐振腔内由所述的后腔镜(1-1)沿光路至所述的耦合输出镜(1-10)依次是调Q晶体(1-2)、第一四分之一波片(1-3)、对振荡激光透射的布儒斯特角起偏器(1-4)、分光镜(1-5)、第二四分之一波片(1-6)、增益介质(1-7)、第三四分之一波片(1-8)和电光相位调制器(1-9)，所述的分光镜(1-5)与所述的光路成45°，该分光镜(1-5)对泵浦激光高透，对谐振腔的振荡激光高反，形成L型谐振腔；
所述的泵浦源依次由激光二极管(2-1)和泵浦耦合系统(2-2)组成，所述的激光二极管(2-1)输出的泵浦光经过所述的泵浦耦合系统(2-2)、分光镜(1-5)、第二四分之一波片(1-6)对所述的增益介质(1-7)进行泵浦；
所述的种子源包括种子激光器(3-1)，沿该种子激光器(3-1)的激光输出方向依次是隔离器(3-2)、耦合透镜系统(3-3)、半波片(3-4)、第四四分之一波片(3-5)，所述的种子激光器(3-1)输出的种子激光经过所述的后腔镜(1-1)进入所述的L型谐振腔内，所述的种子激光器(3-1)输出的种子激光的光路与所述的谐振腔的振荡光路一致；
所述的电路控制系统由谐振探测电路(4-1)、泵浦驱动电源(4-2)、电光相位调制器驱动电源(4-3)、光电二极管(4-4)和调Q驱动电源(4-5)组成，所述的光电二极管(4-4)设置在所述的布儒斯特角起偏器(1-4)的反射光方向，所述的谐振探测电路(4-1)的输入端与所述的光电二极管(4-4)的输出端相连，所述的谐振探测电路(4-1)的输出端分别与所述的泵浦驱动电源(4-2)的输入端、所述的电光相位调制器驱动电源(4-3)的输入端，所述的调Q驱动电源(4-5)的输入端相连，所述的泵浦驱动电源(4-2)的输出端与所述的泵浦源(2-1)的输入端相连，所述的电光相位调制器驱动电源(4-3)的输出端与所述的电光相位调制器(1-9)的输入端相连，所述的调Q驱动电源(4-5)的输出端与所述的调Q晶体(1-2)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的种子注入单纵模双脉冲激光器，其特征在于所述的谐振探测电路(4-1)为可编程门阵列电路，为实现种子注入谐振探测提供信号分析处理和时序控制。
3.权利要求1所述的种子注入单纵模双脉冲激光器的控制方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)所述的谐振探测电路(4-1)在每一个周期的起始时刻给所述的泵浦驱动电源(4-2)发出触发信号，该泵浦驱动电源(4-2)检测到触发信号后给所述的泵浦源(2-1)进行泵浦；
2)所述的谐振探测电路(4-1)在经过一定延时后给所述的电光相位调制器驱动电源(4-3)发出触发信号，该电光相位调制器驱动电源(4-3)向所述的电光相位调制器(1-9)施加梯形扫描电压对腔长进行扫描；
3)所述的谐振探测电路(4-1)接收所述的光电二极管(4-4)的电信号，在电压扫描的上升沿和下降沿阶段，分别检测到两个干涉信号峰值时，向所述的调Q驱动电源(4-5)发出两个触发信号，该两个触发信号具有一定时序关系，所述的调Q驱动电源(4-5)接收到有一定时序关系的两个触发信号后，向所述的调Q晶体(1-2)输出电压，用来两次打开调Q开关，随即输出单纵模双脉冲激光；
4)所述的谐振探测电路(4-1)在每对单纵模双脉冲激光输出后，对梯形电压上升沿和下降沿的起始时刻相对于泵浦脉冲起始时刻的延时量进行反馈控制，使每次调Q开关在泵浦脉冲相同位置打开，进而提高激光脉冲的能量稳定性。
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