CN107565355B - 可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器 - Google Patents
可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器 Download PDFInfo
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Abstract
可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器涉及激光器技术领域，解决激光输出阈值高和转化率低的问题。该激光器包括：第一全反镜、增益介质、泵浦源、90度偏振旋转电光开关、偏振片、第二全反镜和输出镜；对90度偏振旋转电光开关交替施加零电压和半波电压。本发明电压控制的时间基于激光谐振腔长及往返时间人为设定，进而控制光束在谐振腔振荡增益次数，实现主动控制谐振腔往返过程的多程增益。本发明提高了谐振腔往返过程的总增益、降低了激光输出阈值和提高了激光器转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器。
背景技术
自从激光器问世以来，激光器取得了飞速的发展，激光技术已广泛应用到军事、国防、工业等多领域，与我们的生活越来越密切。低阈值、高转化效率一直是激光技术发展的重要指标。实现激光器输出的两个关键因素就是实现粒子数反转和激光谐振腔，目前主要技术是通过实现粒子数反转来降低激光器阈值和提高激光器转化效率，主要从泵浦源、激光增益介质选择方面来实现。在泵浦方面，从宽带泵浦到单一波长以减少晶体废热方式，降低激光阈值和提高激光转化效率。在激光增益介质方面，通过研发新的晶体材料，以优化晶体的受激发射截面为前提，如先后研发出Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdO4等1um激光晶体，Nd:YVO4晶体解决了Nd:YAG晶体受激发射截面小的问题，Nd:GdO4解决了Nd:YVO4热导率差的问题，以寻求更优良的晶体材料为手段，提高激光增益介质光学和物理性能，以及激光器性能。
而在优化激光谐振腔方面，目前基本都是通过优化谐振腔输出镜反射率的手段来实现。此种方法需要很高的输出镜的反射率，同时对谐振腔内部器件的尺寸要求高；而且对谐振腔的应用限制大，例如在调Q激光器或锁模激光器中，需要在谐振腔中插入调Q或锁模等器件，插入的器件的反射率的对谐振腔整体的损耗值的影响很大，所以对泵浦阈值的影响很大。
发明内容
为了获得低阈值、高转化效率的激光器，本发明提供了可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，包括增益介质和泵浦源，还包括第一全反镜、90度偏振旋转电光开关、偏振片、第二全反镜和输出镜；
沿增益介质输出的信号光的光路依次设置有第一全反镜、增益介质、90度偏振旋转电光开关、偏振片和输出镜，在偏振片反射的信号光方向上垂直信号光设置第二全反镜；
对所述90度偏振旋转电光开关交替施加零电压和半波电压，所述零电压的作用时间为t1＝2n(L1+L2+L4)/c，所述半波电压的作用时间为t2≤2(L2+L3)/c，其中L1为光束从第一全反镜到90度偏振旋转电光开关末端的传输距离，L2为光束从90度偏振旋转电光开关末端到偏振片的传输距离，L3为光束从偏振片到输出镜的传输距离，L4为光束从偏振片到第二全反镜的传输距离，c为光速，n为设定的正整数；
泵浦源的泵浦光照射增益介质，增益介质输出信号光，信号光一部分经第一全反镜反射后再经增益介质增益后入射到90度偏振旋转电光开关，另一部分直接入射到90度偏振旋转电光开关；施加零电压时，信号光经90度偏振旋转电光开关偏振态不变；施加半波电压时，信号光经90度偏振旋转电光开关偏振态改变90度；信号光经90度偏振旋转电光开关作用后传输至偏振片，根据信号光的偏振态在偏振片上发生反射和透射，发生反射的信号光依次经第二全反镜反射和偏振片反射后传输至90度偏振旋转电光开关，发生透射的信号光经输出镜后一部分输出另一部分反射，经输出镜反射的信号光经偏振片透射传输至90度偏振旋转电光开关；信号光经90度偏振旋转电光开关作用后，依次经增益介质增益、第一全反镜反射和增益介质增益传输至90度偏振旋转电光开关；重复上述过程，直至信号光经输出镜输出。
进一步的，所述第一全反镜和所述第二全反镜的表面均镀有激光输出波长的完全反射膜。
进一步的，所述输出镜表面镀有激光输出波长的部分反射膜。
进一步的，所述90度偏振旋转电光开关为LiNbO3、RTP或KD*P连接电压控制装置。
进一步的，所述偏振片为格兰棱镜、布儒斯特片或PBS偏振分光棱镜。
进一步的，所述增益介质为各向同性晶体。
进一步的，所述增益介质为Nd:YAG晶体。
进一步的，所述泵浦源为闪光灯或半导体侧面泵浦。
进一步的，还包括偏振旋转装置，所述偏振旋转装置设置在沿所述增益介质输出信号光光束方向上所述输出镜的任一侧。
进一步的，所述偏振旋转装置为90°旋光片、1/4玻片或45°法拉第旋转器。
本发明的有益效果是：本发明是在传统激光器谐振腔基础上，在谐振腔往返过程中，采用90度偏振旋转电光开关，对90度偏振旋转电光开关交替施加零电压和半波电压，电压作用的时间基于激光谐振腔长及往返时间人为设定，进而控制光束在谐振腔振荡增益次数，实现多程增益控制，主动控制了谐振腔往返过程的总增益。主动改变往返时间内通过增益介质的次数，通过对90度偏振旋转电光开关的控制对提高谐振腔往返过程的总增益，多程增益可实现降低激光输出阈值和提高激光器转化效率。
附图说明
图1本发明可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器的结构图。
其中：1、第一全反镜；2、增益介质；3、泵浦源；4、90度偏振旋转电光开关；5、偏振片；6、第二全反镜；7、输出镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，如图1所示，包括第一全反镜1、增益介质2、泵浦源3、90度偏振旋转电光开关4、偏振片5、第二全反镜6和输出镜7；沿增益介质2输出的信号光光路依次设置有第一全反镜1、增益介质2、90度偏振旋转电光开关4、偏振片5和输出镜7，在偏振片5反射的信号光方向垂直信号光光束设置第二全反镜6。
对90度偏振旋转电光开关4交替施加零电压(即不施加电压)和半波电压，零电压的作用时间为t1＝2n(L1+L2+L4)/c，半波电压的作用时间为t2≤2(L2+L3)/c，其中L1为光束(即信号光)从第一全反镜1到90度偏振旋转电光开关4末端的传输距离，L2为光束从90度偏振旋转电光开关4末端到偏振片5的传输距离，L3为光束从偏振片5到输出镜7的传输距离，L4为光束从偏振片5到第二全反镜6的传输距离，c为光速，n为设定的正整数。零电压作用时，光束通过90度偏振旋转电光开关4偏振态不变，半波电压作用时，光束通过90度偏振旋转电光开关4偏振态转变90°。
偏振片5对s偏振态光束透射对p偏振态光束反射或对p偏振态光束透射对s偏振态光束反射。
第一全反镜1和第二全反镜6的表面镀有激光输出波长的完全反射膜；输出镜7表面镀有激光输出波长的部分反射膜。
工作原理为：泵浦源3的泵浦光照射到增益介质2，增益介质2输出信号光，信号光一部分经第一全反镜1反射后再经增益介质2增益后入射到90度偏振旋转电光开关4，另一部分直接入射到90度偏振旋转电光开关4；对90度偏振旋转电光开关4施加零电压时，信号光经90度偏振旋转电光开关4偏振态不变；对90度偏振旋转电光开关4施加半波电压时，信号光经90度偏振旋转电光开关4偏振态改变90度；信号光经90度偏振旋转电光开关4作用后传输至偏振片5，根据信号光束的偏振态在偏振片5上发生反射和透射，发生反射的信号光光束依次经第二全反镜6反射和偏振片5反射后传输至90度偏振旋转电光开关4，发生透射的信号光光束经输出镜7后一部分输出另一部分反射，经输出镜7反射的信号光光束经偏振片5透射传输至90度偏振旋转电光开关4；信号光光束经90度偏振旋转电光开关4作用后，依次经增益介质2增益、第一全反镜1反射和增益介质2增益传输至90度偏振旋转电光开关4；重复上述过程，直至信号光光束经输出镜7输出。
第一全反镜1、90度偏振旋转电光开关4、偏振片5、第二全反镜6和输出镜7构成了一个光学谐振腔，第一全反镜1、90度偏振旋转电光开关4、偏振片5和输出镜7构成了另一个光学谐振腔。
在90度偏振旋转电光开关4施加零电压时，时间为t1＝2n(L1+L2+L4)/c，n为设定的正整数，偏振态为可被偏振片5反射的光束在第一全反镜1与第二全反镜6间振荡增益2n次。优选的是振荡次数达到最佳时即激光增益最佳时，90度偏振旋转电光开关4的电压从零电压变至半波电压。半波电压的作用时间t2，t2≤2(L2+L3)/c，即为t2小于可透射光束从90度偏振旋转电光开关4的末端出射后，依次经偏振片5透射、输出镜7反射、偏振片5透射再传输至90度偏振旋转电光开关4的末端这一往返所需的时间，对90度偏振旋转电光开关4施加零电压t1时间里，在第一全反镜1、90度偏振旋转电光开关4、偏振片5和第二全反镜6之间光束增益2n次，在随后的对90度偏振旋转电光开关4施加半波电压t2时间里，光束经偏振片5透射、输出镜7部分输出部分反射，输出镜7反射的光束经偏振片透射向90度偏振旋转电光开关4传输，t2≤2(L2+L3)/c则光束在再回到90度偏振旋转电光开关4时，结束半波电压的施加。通过对t1、t2、L1、L2、L3和L4的设置与调节，实现了谐振腔主动多程增益控制。
可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，还包括偏振旋转装置，所述偏振旋转装置设置在沿增益介质2输出信号光光束的方向上输出镜7的任一侧，即输出镜7的左侧(输出镜7与偏振片5之间)或输出镜7的右侧。
具体实施方式一
偏振片5选用布儒斯特片(对p方向振荡光束高透、对s方向振荡光束高反的偏振片)；泵浦源3选用半导体侧面泵浦；增益介质2选用Nd:YAG；90度偏振旋转电光开关4选用LiNbO3(横向加压)；输出镜7表面镀有激光输出1064nm波长的反射膜；第一全反镜1和第二全反镜6的表面镀有1064nm完全反射膜；输出镜7表面镀有1064nm的部分反射膜，下文称为输出镜A。
激光器工作过程如下：
打开半导体侧面泵浦，设初始施加在的LiNbO3电压为零电压，半导体侧面泵浦泵浦Nd:YAG产生信号光，t1时间段，产生的信号光光束直接传输至Nd:YAG或经第一全反射镜1反射后传输至Nd:YAG，再经零电压的LiNbO3传输至布儒斯特片，光束经布儒斯特片，其中p偏振的光束透过，s偏振的光束反射。
s偏振的光束传输至第二全反镜6，经第二全反镜6反射，在第一全反镜1与第二全反镜6间振荡增益2n次；对LiNbO3施加的电压从零电压变到半波电压，光束经过LiNbO3s偏振的光束变为p偏振的光束，依次传输经布儒斯特片透射、输出镜A反射和布儒斯特片透射后，再传输至LiNbO3；半波电压的作用时间为t2≤2(L2+L3)/c，则p偏振的光束从LiNbO3向布儒斯特片方向出射至返回到LiNbO3之前，施加的电压从半波电压变到零电压，p偏振的光束经LiNbO3偏振态不改变；在下一零电压作用t1时段内，p偏振的光束在第一全反镜1和输出镜A之间往返振荡增益；零电压再变为半波电压时，p偏振的光束经过LiNbO3变为s偏振的光束，在第一全反镜1与第二全反镜6间传输；电压再次变为零电压时，s偏振的光束在第一全反镜1与第二全反镜6间振荡增益2n次。
p偏振的光束传输经输出镜A反射、布儒斯特片透射后至LiNbO3，在施加零电压的t1时段内，p偏振的光束在第一全反镜1与输出镜A间振荡增益；变为半波电压作用时，p偏振的光束经过LiNbO3变为s偏振的光束在第一全反镜1与第二全反镜6间传输；半波电压再变为零电压时，p偏振光经过LiNbO3仍为p偏振的光束，在第一全反镜1与第二全反镜6间振荡增益；零电压再变为半波电压时，经过LiNbO3的p偏振的光束变为s偏振的光束，在第一全反镜1与第二全反镜6间传输。
光束依上述过程多次周期往返振荡，通过输出镜A时部分光束输出部分光束反射，输出镜A输出p偏振态的1064nm激光。
在输出镜A的任一侧设置一块偏振旋转装置即可实现输出s偏振的激光。偏振旋转装置可选用90°旋光片、1/4玻片或45°法拉第旋转器。
具体实施方式二
偏振片选用对s方向振荡光束高透p方向振荡光束高反的格兰棱镜；泵浦源采用闪光灯；增益介质选用Nd:YAG；90度偏振旋转电光开关选用KD*P(纵向加压)；输出镜表面镀有激光输出1064nm波长的反射膜；第一全反镜1和第二全反镜6的表面镀有1064nm完全反射膜；输出镜7表面镀有1064nm的部分反射膜，下文称为输出镜B。
激光器工作过程如下：
打开闪光灯，设初始施加在KD*P的电压为零电压，闪光灯泵浦Nd:YAG产生信号光，t1时间段，产生的信号光光束直接传输至Nd:YAG或经第一全反射镜1反射后传输至Nd:YAG，再经零电压的KD*P传输至格兰棱镜，光束经格兰棱镜，其中s偏振的光束透过，p偏振的光束反射。
p偏振的光束传输至第二全反镜6，经第二全反镜6反射，在第一全反镜1与第二全反镜6间振荡增益2n次；施加的的电压从零电压变到半波电压，光束经过KD*Pp偏振的光束变为s偏振的光束，依次传输经格兰棱镜透射、输出镜B反射和格兰棱镜透射后，再传输至KD*P；半波电压的作用时间为t2≤2(L2+L3)/c，则在s偏振的光束未进入KD*P时，施加的电压从半波电压变到零电压，s偏振的光束经KD*P偏振态不改变；在下一零电压作用t1时段内，s偏振的光束在第一全反镜1和输出镜B间往返振荡增益；零电压再变为半波电压时，s偏振的光束经过KD*P变为p偏振的光束，在第一全反镜1与第二全反镜6间传输；半波电压再次变为零电压时，p偏振的光束在第一全反镜1与第二全反镜6间振荡增益2n次。
s偏振的光束传输经输出镜B反射、格兰棱镜透射后至KD*P，在零电压作用t1时段内，s偏振的光束在第一全反镜1与输出镜B间振荡增益；变为半波电压作用时，s偏振的光束经过KD*P变为p偏振的光束，在第一全反镜1与第二全反镜6间传输；半波电压再变为零电压时，p偏振的光束经过KD*P仍为p偏振的光束，在第一全反镜1与输出镜B间振荡增益；零电压再变为半波电压时，经过KD*P的s偏振的光束变为p偏振的光束在第一全反镜1与第二全反镜6间传输。
光束依上述过程多次周期往返振荡，光束通过输出镜B时部分光束输出另一部分反射，输出镜B输出s偏振态的1064nm激光。
沿Nd:YAG输出信号光光束的方向上，在输出镜B两侧的任一侧设置一块偏振旋转装置，即可实现输出p偏振的激光。偏振旋转装置可选用90°旋光片、1/4玻片或45°法拉第旋转器。
90度偏振旋转电光开关4可选用LiNbO3、RTP或KD*P连接电压控制装置，选用LiNbO3或RTP时，对LiNbO3或RTP横向加压；选用KD*P时，对KD*P纵向加压。
增益介质2可以采用各向同性晶体，如Nd:YAG。Nd:YAG晶体实现同等功能效果的基础上，其价格低廉。
偏振片5可以采用格兰棱镜(s偏振高透p偏振高反)、布儒斯特片(p偏振高透s偏振高反)或PBS偏振分光棱镜(p偏振高透s偏振高反)等。
泵浦源3可以采用闪光灯(例如同轴闪光灯或予电离直管闪光灯)或半导体侧面泵浦等，可以是连续泵浦或者也可以为脉冲泵浦。
Claims (10)
1.可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，包括增益介质(2)和泵浦源(3)，其特征在于，还包括第一全反镜(1)、90度偏振旋转电光开关(4)、偏振片(5)、第二全反镜(6)和输出镜(7)；
沿增益介质(2)输出的信号光的光路依次设置有第一全反镜(1)、增益介质(2)、90度偏振旋转电光开关(4)、偏振片(5)和输出镜(7)，在偏振片(5)反射的信号光方向上垂直信号光设置第二全反镜(6)；
对所述90度偏振旋转电光开关(4)交替施加零电压和半波电压，所述零电压的作用时间为t1＝2n(L1+L2+L4)/c，所述半波电压的作用时间为t2≤2(L2+L3)/c，其中L1为光束从第一全反镜(1)到90度偏振旋转电光开关(4)末端的传输距离，L2为光束从90度偏振旋转电光开关(4)末端到偏振片(5)的传输距离，L3为光束从偏振片(5)到输出镜(7)的传输距离，L4为光束从偏振片(5)到第二全反镜(6)的传输距离，c为光速，n为设定的正整数；
泵浦源(3)的泵浦光照射增益介质(2)，增益介质(2)输出信号光，信号光一部分经第一全反镜(1)反射后再经增益介质(2)增益后入射到90度偏振旋转电光开关(4)，另一部分直接入射到90度偏振旋转电光开关(4)；施加零电压时，信号光经90度偏振旋转电光开关(4)偏振态不变；施加半波电压时，信号光经90度偏振旋转电光开关(4)偏振态改变90度；信号光经90度偏振旋转电光开关(4)作用后传输至偏振片(5)，根据信号光的偏振态在偏振片(5)上发生反射和透射，发生反射的信号光依次经第二全反镜(6)反射和偏振片(5)反射后传输至90度偏振旋转电光开关(4)，发生透射的信号光经输出镜(7)后一部分输出另一部分反射，经输出镜(7)反射的信号光经偏振片(5)透射传输至90度偏振旋转电光开关(4)；信号光经90度偏振旋转电光开关(4)作用后，依次经增益介质(2)增益、第一全反镜(1)反射和增益介质(2)增益传输至90度偏振旋转电光开关(4)；重复上述过程，直至信号光经输出镜(7)输出。
2.如权利要求1所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述第一全反镜(1)和所述第二全反镜(6)的表面均镀有激光输出波长的完全反射膜。
3.如权利要求1所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述输出镜(7)表面镀有激光输出波长的部分反射膜。
4.如权利要求1所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述90度偏振旋转电光开关(4)为LiNbO3、RTP或KD*P连接电压控制装置。
5.如权利要求1所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述偏振片(5)为格兰棱镜、布儒斯特片或PBS偏振分光棱镜。
6.如权利要求1所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述增益介质(2)为各向同性晶体。
7.如权利要求6所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述增益介质(2)为Nd:YAG晶体。
8.如权利要求1所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述泵浦源(3)为闪光灯或半导体侧面泵浦。
9.如权利要求1所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，还包括偏振旋转装置，所述偏振旋转装置设置在沿所述增益介质(2)输出信号光光束方向上所述输出镜(7)的任一侧。
10.如权利要求9所述的可实现谐振腔主动多程增益控制的激光器，其特征在于，所述偏振旋转装置为90°旋光片、1/4玻片或45°法拉第旋转器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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