CN107069409B - 一种外腔主动调q的双波长脉冲交替输出激光装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置及方法，其结构包括主谐振腔和外腔，外腔包括依次设置的调Q器件、光束整形元件和色散单元；主谐振腔接收泵浦光，调Q器件控制外腔反馈特定波长至主谐振腔。能实现了两个波长激光脉冲的交替输出，其中一个波长为主腔振荡波长，另一个波长受外腔调控，通过控制Q开关导通和关闭，实现双波长脉冲交替输出。

Description

一种外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置及方法
技术领域
本发明涉及一种双波长激光装置，尤其涉及一种外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置。
背景技术
双波长激光器是在一个激光器中实现两个波长的激光输出的激光器，在差频THz源，精细激光光谱、差分吸收激光雷达等领域有着广阔的应用前景。
传统的双波长激光器是通过谐振腔的镀膜设计进行选频，实现两个波长的同时振荡，这样的方法难以实现对谐振波长的调谐。或者将色散元件，如棱镜，置于谐振腔内，将两个波长的光路分开。但是色散元件具有一定的插入损耗，影响了激光器的效率和调谐范围。在谐振腔内插入调Q器件可以实现脉冲激光输出。一般地，调Q器件置于主谐振腔。2009年26卷的《Chinese Physics Letters》“Experimental Study on Dual Wavelength and DualPulse Q-Switched FrequencyDoubling on a Tunable Cr:LiSAF Laser”中公开了一种主谐振腔结构的双波长脉冲输出激光器，可以实现波长调谐。其调Q器件置于主谐振腔内，调Q器件有两个作用：一是实现脉冲输出，二是分开两个波长的光路。但是调Q器件置于主谐振腔使得激光器结构复杂、损耗大、体积大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于外腔调谐、调Q结构的双波长激光装置，两个波长的脉冲激光交替输出，其中一个波长为主腔振荡波长，另一个波长受外腔反馈控制实现调谐，解决了现有双波长激光器结构复杂、损耗大的问题。
本发明的技术解决方案是提供一种外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置，包括主谐振腔，其特殊之处在于：还包括设置于主谐振腔输出光路上的外腔，上述外腔包括依次设置的调Q器件、光束整形元件和色散单元；
上述主谐振腔接收泵浦光，上述调Q器件控制外腔反馈波长(特定波长)至主谐振腔。
本发明装置还包括45°双色镜，泵浦光经双色镜反射至主谐振腔，主谐振腔的出射光透过双色镜出射。
上述主谐振腔包括第一腔镜、第二腔镜及位于第一腔镜和第二腔镜之间的增益介质；
上述主谐振腔可以为为线型腔或V型腔等折叠腔。所述V型腔包括V型腔第一腔镜、V型腔第二腔镜及位于V型腔第一腔镜与V型腔第二腔镜之间的增益介质，还包括位于V型腔第二腔镜反射光路上的V型腔第三腔镜。
外腔中的调Q器件，控制外腔是否能将特定波长的光反馈回主谐振腔，上述调Q器件在低Q高损耗时外腔对主腔没有反馈，激光器输出波长为主腔自由振荡波长，在高Q时对主腔有反馈，外腔能够将特定波长的光反馈回主腔，此时激光器的振荡波长受外腔反馈控制。这样，在调Q器件的开启和关闭时，激光器就能实现两个波长的脉冲激光交替输出。
外腔中的色散元件实现分光，上述色散单元为光栅或棱镜。
上述光束整形元件包括沿光束依次设置的准直透镜和变形棱镜组，上述变形棱镜组包括两个直角棱镜。
上述调Q器件为斩波器或声光、电光调Q器件。
本发明还提供一种上述激光装置双波长脉冲交替输出方法，主谐振腔接收泵浦光，调Q器件控制外腔反馈特定波长的光，光束整形元件对光束进行准直及扩束，光栅将特定波长的光沿原光路反馈回主谐振腔。
具体的，调Q器件在低Q高损耗时，Q开关关闭，外腔对主腔没有反馈；在高Q时，Q开关打开，外腔对主腔有反馈。
本发明具有的有益技术效果为：
1、本发明在较紧凑的结构中实现了双波长激光的交替输出。
2、本发明利用光栅或棱镜等色散元件实现对主谐振腔的反馈，并通过合理的腔镜组合和膜系设计，可以对一个波长进行宽谱调谐。
3、本发明可以实现双波长激光沿相同光路输出。
4、本发明的调Q、调谐元件置于与主腔隔离的外腔，降低了激光器的损耗，提升了激光器的效率。
附图说明
图1为本发明基于线型腔、端面泵浦的脉冲双波长激光装置的基本原理图。及组成；
图2为本发明基于V型腔、端面泵浦的脉冲双波长激光装置的基本原理
图3为光束整形元件的原理示意图；
图4为实施例激光器结构示意图。
其中：1—线型腔第一腔镜；2—增益介质；3—线型腔第二腔镜；4—调Q器件；5—光束整形元件；6—光栅；7—双色镜；8—V型腔第一腔镜；9—V型腔第二腔镜；10—V型腔第三腔镜；11—准直透镜；12—变形棱镜组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明给出了外腔主动调Q的脉冲双波长交替输出激光装置结构，将调Q和色散元件置于与主腔隔离的外腔，一个波长为主腔振荡波长，另一个波长为外腔调谐波长。激光器结构可以进行多样的变形，但是基本原理不变。
图1所示是主谐振腔为线型腔的一种外腔主动调Q的脉冲双波长交替输出激光装置，包括线型腔第一腔镜1、线型腔第二腔镜3和设置在线型腔第一腔镜1和线型腔第二腔镜3之间的增益介质2，线型腔第一腔镜1、线型腔第二腔镜3、增益介质2构成主谐振腔。
在线型腔第二腔镜3的输出光路上设置有调Q器件4、光束整形元件5和光栅6，构成外腔。调Q器件4控制外腔损耗，低Q高损耗时外腔对主腔没有反馈，高Q时对主腔有反馈。光束整形元件可以起到光束准直、扩束等作用。光栅6将特定波长的光沿原光路反馈回主谐振腔。通过旋转光栅6可以控制反馈回主腔的激光波长。在腔镜1作为激光输出口和泵浦输入口，45°双色镜7对泵浦光高反、对谐振光高透。
外腔之所以能控制激光器的振荡波长，原理是有了外腔反馈后，对于反馈波长谐振腔的有效反射率增大，腔损耗减小，从而使反馈波长容易起振。下面以图1装置为例分析。设光栅反馈回主腔的波长为λ，设调Q器件4处于导通状态时损耗为零，光束整形系统损耗为零。设光栅在波长λ处一级衍射效率为R6，线型腔第二腔镜3在λ处的反射率为R3，则对于激光器来说，外腔光栅6和线型腔第二腔镜3共同作用，在波长λ处的有效反射率为：
Figure BDA0001215181110000041
式中，
Figure BDA0001215181110000042
则显然有Reff＞R3。所以，有了外腔反馈后，谐振腔在波长λ处的有效反射率增大，损耗降低，更容易起振。
在Q开关关闭时，外腔对主腔没有反馈，此时主腔自由振荡，设振荡波长为λ1；在Q开关导通时，外腔对主腔有反馈，此时激光器振荡受外腔调控，设振荡波长为λ2。则通过控制Q开关的导通和关闭，激光器的振荡波长为λ1和λ2交替变化。
图2将主谐振腔由线型腔改为V型腔。外腔位于V型腔第二腔镜9的输出端。
图3列举了一种光束整形元件。光束整形元件5用于对从主腔输出进入外腔的激光束进行扩束和准直。为了光束能够沿原光路反馈回主腔，需要进行光束准直。针对光栅结构，光束的横截面越大，则色散元件的角色散越强、分光能量越强。因而对激光扩束有利于增强光栅的色散能力。光束整形元件5可以是凸面镜和扩束镜的组合，其中扩束镜为两个直角棱镜组成的变形棱镜组，在平行于纸面的方向上对激光扩束。
下面给出实验的具体实施例。
激光器采用图4所示激光器结构，基于图2的结构。选用671nm的泵浦，沿晶体左端面入射；凹面镜M1曲率半径为50mm，镀膜对671nm高透，对800-1000nm波段的透过率为5％；增益介质选用Cr:LiSAF晶体。Cr:LiSAF晶体材料能实现780-1110nm的调谐；M2曲率半径为50mm，在800-1000nm波段高反；M3为输出镜，800-1000nm波段的透过率为2％。调Q器件为斩波器，频率为10kHz；光束整形元件为焦距为50mm的准直透镜；色散元件5选用刻线密度为1800线/mm的闪耀光栅，在850nm处闪耀角为49.9°，在800-1000nm波段的一级衍射效率为60-80％。
结果表明：主腔振荡的波长λ1为865nm，在泵浦功率为500mW的条件下输出峰值功率为80mW；外腔调控波长λ2的调谐范围为830-920nm，将波长调谐至830nm时，在泵浦功率为500mW的条件下输出峰值功率为100mW。波长λ1和λ2的激光脉冲，重复频率均为10kHz，脉宽约为0.1ms。

Claims (8)

1.一种外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置，包括主谐振腔，其特征在于：还包括设置于主谐振腔输出光路上的外腔；
所述外腔包括依次设置的调Q器件、光束整形元件和色散单元；
所述主谐振腔接收泵浦光，所述调Q器件控制外腔反馈波长至主谐振腔；所述调Q器件在低Q高损耗时外腔对主谐振腔没有反馈，调Q器件在高Q时对主谐振腔有反馈；还包括45°双色镜，泵浦光经双色镜反射至主谐振腔，主谐振腔的出射光透过双色镜出射。
2.根据权利要求1所述的外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置，其特征在于：所述主谐振腔为线型腔，所述线型腔包括线型腔第一腔镜、线型腔第二腔镜及位于线型腔第一腔镜和线型腔第二腔镜之间的增益介质。
3.根据权利要求1所述的外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置，其特征在于：所述主谐振腔为V型腔，所述V型腔包括V型腔第一腔镜、V型腔第二腔镜及位于V型腔第一腔镜与V型腔第二腔镜之间的增益介质，还包括位于V型腔第二腔镜反射光路上的V型腔第三腔镜。
4.根据权利要求1所述的外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置，其特征在于：所述色散单元为光栅或棱镜。
5.根据权利要求1所述的外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置，其特征在于：所述光束整形元件包括沿光束依次设置的准直透镜和变形棱镜组。
6.根据权利要求5所述的外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置，其特征在于：所述变形棱镜组包括两个直角棱镜；所述调Q器件为斩波器或声光、电光调Q器件。
7.一种权利要求1至6任一所述的外腔主动调Q的双波长脉冲交替输出激光装置双波长脉冲交替输出方法，其特征在于：主谐振腔接收泵浦光，调Q器件控制外腔反馈特定波长的光，光束整形元件对光束进行准直及扩束，光栅将特定波长的光沿原光路反馈回主谐振腔。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：调Q器件在低Q高损耗时，Q开关关闭，外腔对主腔没有反馈；在高Q时，Q开关打开，外腔对主腔有反馈。
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