CN107611760A - 一种新型扭摆腔单频脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，包括泵浦源；耦合系统；激光谐振腔；扭摆腔：1/4波片、电光晶体、起偏器，在1/4波片与电光晶体之间形成两束反向传播的正交圆偏振光；激光增益介质，正交圆偏振光在其中形成沿通光方向空间分布均匀的光场；起偏器，经过其后变为线偏振光；1/4波片、电光晶体、起偏器结合使用构成电光调Q开关，对腔内激光进行调Q；上述器件最终构成扭摆腔电光调Q的全固态激光器结构，实现窄线宽单频脉冲激光输出；1/4波片、电光晶体与起偏器构成扭摆腔，消除空间烧孔，抑制多模振荡，实现窄线宽单频脉冲激光输出，本发明电光晶体同时具有脉冲调Q与1/4波片的作用，结构紧凑、输出效率高、适用范围广。

Description

一种新型扭摆腔单频脉冲激光器

技术领域

本发明涉及一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，属于激光器的技术领域。

背景技术

单频脉冲激光器由于其谱线宽度窄、相干长度长、峰值功率高、噪声小等优点，在量子光学、相干光通信、激光测距、激光雷达、激光医疗、精细光谱测量和非线性光学频率变换等领域被越来越广泛的应用。要获得单色性好的激光输出，需要有效的抑制多模振荡，消除烧孔效应，并进一步压缩激光线宽。单色性好的激光输出对单纵模激光器在各领域中的应用具有非常重要的意义。目前在固态单频激光器的研究中，扭摆腔法是一种使激光器以单纵模运转的常用方法，其光腔由谐振腔镜、两个1/4波片、增益介质和起偏器组成，通过在增益介质内形成能量均匀分布的光场，来消除空间烧孔效应，从而有效抑制腔内的多纵模振荡。

当前阶段利用扭摆腔获得激光脉冲输出主要采用声光、电光与被动调Q方法来实现，但这些方法都有其局限性。扭摆腔被动调Q激光器，由于饱和吸收体调节脉冲不稳定，其输出不稳定，可控性较差；扭摆腔声光调Q激光器，其腔内需要两个1/4波片和一块声光晶体，且声光晶体需要单独水冷，增加系统的复杂性。另一方面声光调Q压缩脉冲能力有限，导致输出激光脉宽宽、峰值功率降低；目前传统扭摆腔电光调Q脉冲激光器，虽然可以实现稳定，高峰值功率的单频脉冲激光输出，但其腔内需要加入三个1/4波片以及一块电光晶体，插入损耗比较大，结构复杂，不能实现高效率的激光输出，并且由于腔长较长，单频性能会受到影响。因此要获得能够稳定，高效输出单频脉冲激光，且结构简单的扭摆腔脉冲激光器变得非常重要。

中国专利文献CN104953461A公开了一种基于扭摆模腔和体光栅的固体激光器，所述基于扭摆模腔和体光栅的固体激光器包括：泵浦源，用于发射泵浦光；光学谐振腔，所述光学谐振腔包括：端镜，所述端镜为一高反射镜，用于将所述泵浦光引入所述光学谐振腔内；耦合输出镜，与所述端镜间隔设置，所述耦合输出镜为一反射型布拉格体光栅；扭摆模腔，所述扭摆模腔包括：第一波片，设置于靠近所述泵浦源的一侧；第二波片，设置于远离所述泵浦源的一侧；增益介质，设置于所述第一波片和所述第二波片之间，用于产生基频激光；耦合聚焦装置，设置于所述泵浦源和所述光学谐振腔之间，将所述泵浦源发射的泵浦光聚焦至所述光学谐振腔。

中国专利文献CN204668713U公开了一种扭转模法激光器，主要由激光二极管(1)、耦合器(2)、平面镜(3)、第一波片(4)、激光晶体(5)、第二波片(6)、布氏片(7)、凹面镜(8)、倍频晶体(9)和平凹镜(10)构成，所述激光二极管(1)发出的泵浦光经耦合器(2)的扩束、准直、聚焦后经过平面镜(3)、第一波片(4)入射在激光晶体(5)上，再经过第二波片(6)、布氏片(7)后，由凹面镜(8)一部分输出，一部分反射经倍频晶体(9)到平凹镜(10)。

上述两篇专利涉及的是连续单频输出激光器，其峰值功率较低，且结构比较复杂、插入损耗较大、输出效率较低，激光稳定性较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型扭摆腔单频脉冲激光器；

该激光器采用新型扭摆腔结构，其谐振腔结构包括腔镜M1、1个1/4波片、电光晶体、增益介质、起偏器、腔镜M2，1/4波片与电光晶体的快轴相互垂直，并且两者的快轴与起偏器偏振方向呈45°角，电光晶体工作电压为1/4波长电压。其中腔内电光晶体有两种功能，一方面与1/4波片，起偏器共同构成加压式Q开关，实现调Q功能，保证激光脉冲输出；另一方面在对电光晶体施加1/4波长电压情况下，其具有1/4波片的功能，此时电光晶体与1/4波片，起偏器构成扭摆腔结构，从而消除空间烧孔效应，抑制多纵模振荡，实现单频输出。因此该激光器与现有的扭摆腔脉冲激光器相比，调Q晶体同时具有脉冲调Q与1/4波片的作用，具有结构紧凑、稳定性好、输出效率高、光束质量好、适用范围广等特点。

本发明的技术方案如下：

一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，包括：

泵浦源，用于输出泵浦光；

耦合系统，用于将输出的泵浦光耦合进入激光谐振腔；

激光谐振腔，包括：腔镜M1、1/4波片、激光增益介质、电光晶体、起偏器、腔镜M2，在所述激光谐振腔内振荡生成激光；所述1/4波片、电光晶体、起偏器构成扭摆腔，在所述1/4波片与所述电光晶体之间形成两束反向传播的正交圆偏振光；正交圆偏振光在所述激光增益介质中形成沿通光方向空间分布均匀的光场，从而消除空间烧孔效应，抑制腔内多模振荡。所述激光谐振腔形成的激光经过所述起偏器后变为线偏振光；所述1/4波片、所述电光晶体、所述起偏器结合使用构成电光调Q开关，对腔内激光进行调Q，形成扭摆腔电光调Q的全固态激光器结构，实现窄线宽单频脉冲激光输出；

沿所述泵浦光的传播方向依次设置所述耦合系统、所述腔镜M1、所述1/4波片、所述激光增益介质、所述电光晶体、所述起偏器、所述腔镜M2。

本发明中采用的是两镜直腔结构，使整个激光器结构更加紧凑，调节更加方便，采用1/4波片与电光晶体构成扭摆腔结构，以消除空间烧孔，抑制多模振荡，实现窄线宽单频脉冲激光输出，为进一步压缩激光线宽保证单频稳定性，还可以根据腔长选择相应透过率和厚度的标准具插入腔内，进行辅助压缩线宽。

根据本发明优选的，所述单频脉冲激光器还包括标准具，设置在所述起偏器与所述腔镜M2之间，用于进一步压缩激光线宽，形成扭摆腔电光调Q的全固态激光器结构，实现窄线宽单频脉冲激光输出。进一步保证了单频稳定性。

根据本发明优选的，所述起偏器为布儒斯特片；

根据本发明优选的，所述1/4波片与电光晶体的快轴相互垂直。

1/4波片与电光晶体的快轴相互垂直，使往返通过电光晶体的激光分别形成左旋与右旋圆偏振光，来消除空间烧孔，抑制多纵模振荡。

根据本发明优选的，所述1/4波片与所述布儒斯特片的偏振化方向的夹角为45°，所述电光晶体的快轴与所述布儒斯特片的偏振化方向的夹角为45°。

1/4波片与电光晶体的快轴相互垂直，形成左右旋，1/4波片与所述布儒斯特片的偏振化方向的夹角为45°，所述电光晶体的快轴与所述布儒斯特片的偏振化方向的夹角为45°，组合形成左右旋的圆偏振光，此时形成扭摆腔，从而消除空间烧孔，抑制多纵模振荡。

根据本发明优选的，所述激光器还包括温度控制系统，所述温度控制系统内设置所述激光增益介质。所述激光增益介质要置于所述温度控制系统中，用于保持Nd：YAG激光晶体温度恒定，以便减少激光腔内晶体热效应；

根据本发明优选的，所述温度控制系统包括激光冷水机与水冷夹具。

根据本发明优选的，所述耦合系统为耦合透镜组或非球面光学耦合系统。将泵浦光耦合到谐振腔内。

根据本发明优选的，所述激光增益介质的两个通光端面上、电光晶体的两个通光端面上均镀有对泵浦光和基频光透过率大于99％的增透膜。

镀有对泵浦光和基频光透过率大于99％的增透膜，来减少腔内损耗，提高激光输出功率与效率。

根据本发明优选的，所述腔镜M1、腔镜M2均为平平镜、平凹镜或平凸镜。通过选择不同腔镜来获得输出激光最优的激光谐振腔型。

根据本发明优选的，所述腔镜M1镀有对泵浦光透过率大于99％、对激光反射率大于99％的介质膜。来减少泵浦光损耗，提高泵浦光利用率。

根据本发明优选的，所述腔镜M2镀有对激光透射率为5％-50％的介质膜。不同透过率腔镜，输出激光的阈值、效率、最大功率不同，通过选择不通透率腔镜来实现最优的激光输出。

根据本发明优选的，所述激光增益介质为掺Nd³⁺的各向同性晶体、掺Nd³⁺的玻璃、掺Nd³⁺的陶瓷(Nd:YAG、Nd:GGG等)，以及掺Yb的各向同性晶体、掺Yb的陶瓷中的任一种，Nd³⁺的掺杂浓度、Yb的掺杂浓度均为0.1-10atm％；所述激光增益介质的长度为0.5mm-50mm。

根据本发明优选的，所述标准具透过部分激光，所述标准具的透过率为1％-99％，所述标准具的厚度为0.1mm-5mm。标准具的透过率和厚度可以根据腔长来做相应的选择。

根据本发明优选的，所述泵浦源为准连续泵浦源或连续泵浦源，所述准连续泵浦源的宏脉冲重复频率为300Hz，持续时间为300us。准连续泵浦源可减少激光增益介质的热效应，可以在保证激光单频输出的前提下，最大化优化激光的输出效果。

上述新型扭摆腔单频脉冲激光器实现单纵模过程为：本发明通过采用扭摆腔结构实现单纵模，谐振腔包括腔镜M1、1个1/4波片、电光晶体、增益介质、起偏器、腔镜M2，1/4波片与电光晶体的快轴相互垂直，并且两者的快轴与起偏器偏振方向呈45°角，当对电光晶体加1/4波长电压时，入射线偏振光经过1/4波片后变成圆偏振光,经过1/4波片后的圆偏振光通过加1/4波长电压的电光晶体后变成线偏振光,线偏振光经过腔镜M2反射后,再次经过电光晶体后,线偏振光又变成圆偏振光,在激光增益介质内两方向的圆偏振光相互叠加，形成能量均匀分布的光场，从而形成扭摆腔，消除空间烧孔，有效抑制了腔内多模振荡，实现了激光单纵模运转。

上述新型扭摆腔单频脉冲激光器实现脉冲输出过程为：1/4波片、电光晶体与起偏器构成加压式电光Q开关，当不对电光晶体施加电压时，电光Q开关处于关闭状态，谐振腔处于低Q状态，系统处于储能状态；当上能级反转粒子数积累到最大值时，突然对电光晶体施加1/4波长电压，谐振腔处于高Q状态，雪崩式形成脉冲激光振荡输出。

本发明的有益效果在于：

1、本发明将扭摆腔技术与电光调Q技术完美的结合在一起，采用调Q晶体、1/4波片、布儒斯特片构成扭摆腔的同时，也起到调Q开关的作用，大大减少腔内器件与腔长，从而减少腔内的损耗，实现单频脉冲激光更高效的输出。

2、本发明具有紧凑、高效、稳定性好的优点，能够很好地实现激光在高光束质量下稳定输出。

3、本发明适应度广，能够更换各种激光增益介质以及选择不同波长介质膜的腔镜，得到不同波长的单频激光输出，满足实际应用中对不同波长的要求。

4、本发明采用准连续泵浦源或连续泵浦源，准连续泵浦源可减少激光增益介质的热效应，可以在保证激光单频输出的前提下，最大化优化激光的输出效果。

5、与传统电光脉冲调Q激光器相比，本发明结构更加紧凑，插入损耗更小，具有激光热效应小、输出效率高、光束质量好的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1新型扭摆腔单频脉冲激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例2的单频激光的输出功率随泵浦功率的变化示意图；

图3为本发明实施例2的输出激光的光束质量拟合图及光斑图；

图4为本发明实施例2的输出光谱线宽图；

图5为本发明实施例2的输出激光宏脉冲重复频率图；

图6为本发明实施例2的输出激光微脉冲重复频率图；

图7为本发明实施例2的输出激光的单脉冲图；

1、泵浦源；2、耦合系统；3、腔镜M1；4、1/4波片；5、激光增益介质；6、电光晶体；7、布儒斯特片；8、标准具；9、腔镜M2。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，如图1所示，包括依次沿光路设置的泵浦源1、耦合系统2、腔镜M1 3、1/4波片4、激光增益介质5、电光晶体6、布鲁斯特片7、标准具8、腔镜M29；还包括温度控制系统，激光增益介质5的外部设有温度控制系统。温度控制系统包括激光冷水机与水冷夹具，激光增益介质5要置于温度控制系统中保持电光晶体6以及器件温度恒定以便减少激光腔内晶体热效应。

腔镜M1 3、1/4波片4、激光增益介质5、电光晶体6、布鲁斯特片7、标准具8、腔镜M29构成激光谐振腔；在激光谐振腔内振荡生成激光；

1/4波片4、电光晶体6、布鲁斯特片7构成扭摆腔结构，在1/4波片4与电光晶体6之间形成两束反向传播的正交圆偏振光；正交圆偏振光在激光增益介质5中形成沿通光方向空间分布均匀的光场；从而消除空间烧孔效应，抑制腔内多模振荡。激光谐振腔形成的激光经过其后变为线偏振光；1/4波片4、电光晶体6、布鲁斯特片7结合使用构成电光调Q开关，对腔内激光进行调Q；标准具8用于进一步压缩激光线宽，形成扭摆腔电光调Q的全固态激光器结构，实现窄线宽单频脉冲激光输出；

泵浦源1为连续泵浦源；

腔镜M1 3、腔镜M2 9均为平平镜；

激光增益介质5为Nd:YAG，Nd:YAG的直径为5mm，长度为10mm，Nd³⁺的掺杂浓度为1atm％；

标准具8厚度为1.5mm，1064nm激光透过率为50％。

实施例2

根据实施例1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其区别在于，

泵浦源1为准连续泵浦源，准连续泵浦源的宏脉冲重复频率为300Hz，持续时间为300us。泵浦源1工作波长为808nm，连续输出最大输出功率为60W，准连续输出最大功率为5.5W。准连续泵浦源可减少激光增益介质5的热效应，可以在保证激光单频输出的前提下，最大化优化激光的输出效果。

1/4波片4与电光晶体6的快轴相互垂直，1/4波片4、电光晶体6与布儒斯特片7的起偏方向的夹角均为45°。

电光晶体6由电光驱动电源控制，工作时电光驱动电源对电光晶体6加1/4波长电压或不加电压。当加1/4波长电压时，电光晶体6相当于一片1/4波片4，此时与腔内1/4波片4形成扭摆腔，使1/4波片4与电光晶体6之间形成两束反向传播的正交圆偏振光，其在激光增益介质5中形成沿通光方向空间分布均匀的光场，从而消除空间烧孔效应，抑制腔内多模振荡，且激光在经过腔镜M1 3反射后再次通过布儒斯特片7前，其偏振方向与布儒斯特片7通光方向平行，形成激光输出；当不加电压时，激光通过电光晶体6状态不发生变化，通过布儒斯特片7的线偏振激光通过腔镜M1 3反射，两次经过腔内1/4波片4后，偏振方向与布儒斯特片7通光方向垂直，此时无法形成激光震荡输出。

激光增益介质5的两个通光端面上、电光晶体6的两个通光端面上均镀有对泵浦光和基频光透过率大于99％的增透膜。来减少腔内损耗，提高激光输出功率与效率。

耦合系统2为耦合透镜组，耦合透镜组由两个透镜组成，1:1耦合输出，光纤数值孔径为0.22，聚焦到Nd:YAG晶体上的光斑直径为600μm。

标准具8为石英晶体，厚度为1.5mm，1064nm激光50％透过率。

激光增益介质5为的Nd:YAG晶体，Nd³⁺的掺杂浓度为1atm％。

腔镜M1 3镀有对泵浦光(波长808nm)透过率大于99％，而对振荡激光(波长1064nm)反射率大于99％的介质膜；腔镜M1 3为平平镜。

腔镜M2 9镀有对振荡激光透过率为10％或15％的介质膜；腔镜M2 9为平平镜。

本实施例所述新型扭摆腔单频固体激光器在实现激光单纵模运转的应用，包括：

当对电光晶体6加1/4波长电压时，入射线偏振光经过1/4波片后变成圆偏振光,经过1/4波片后的圆偏振光通过电光晶体6后变成线偏振光,线偏振光经过腔镜M2 9反射后,再次返回经过电光晶体6后,线偏振光又变成圆偏振光,在激光增益介质5内两方向的圆偏振光相互叠加，形成能量均匀分布的光场，形成扭摆腔，实现了激光单纵模运转。

本实施例所述新型扭摆腔单频固体激光器在实现脉冲输出的应用，包括：当不对电光晶体6施加1/4波长电压时，电光调Q开关处于关闭状态，激光谐振腔处于低Q状态，系统处于储能状态；当上能级反转粒子数积累到最大值时，对电光晶体6施加1/4波长电压，激光谐振腔处于高Q状态，雪崩式形成脉冲激光振荡输出。

图2为本实施例的单频激光的输出功率随泵浦功率的变化示意图；由图2可知采用准连续泵浦得到1064nm的激光输出，激光输出阈值为0.24W，当泵浦功率为1.58W时可以输出最高功率为273mW，转换效率为17.3％，重频为27kHz的激光。

图3为本实施例的输出激光的光束质量拟合图及光斑图；图3中，横坐标为沿光传输方向的距离，单位是mm，纵坐标为光斑直径，单位是um；深色的黑色曲线为经Thorlabs公司生产的光束质量分析仪计算拟合的X方向的光束质量拟合曲线，光束质量分别为M_x ²＝1.01；浅色的灰色曲线为经Thorlabs公司生产的光束质量分析仪计算拟合的Y方向的光束质量拟合曲线，M_y ²＝1.01，由图3可以看出采用准连续模式，得到光束质量较好的激光输出，使输出激光为单横模运转。

图4为本实施例的输出光谱线宽图；激光波长为1064.379nm，激光线宽小于0.5pm，可见在激光输出过程中，没有其他纵模产生，始终保持单频运行。

图5为本实施例的输出激光宏脉冲重复频率图；图5中横坐标代表时间，每格代表2ms，纵坐标代表幅度，每格代表500mV，由图5可知激光的宏脉冲重复频率为300Hz，宏脉冲宽度为300us，宏脉冲中包含微脉冲。

图6为本实施例的输出激光微脉冲重复频率图；图6中横坐标代表时间，每格代表50s，纵坐标代表幅度，每格代表500mV，由图6可知微脉冲重复频率为25kHz，所输出的激光同时具备高光束质量，高峰值功率与高重复频率。

图7为本实施例的输出激光的单脉冲图；图7中横坐标代表时间，每格代表100ns，纵坐标代表幅度，每格代表500mV，由图7可知实现稳定的单频激光输出后的激光脉冲图，脉宽为27ns，最大峰值功率为4.16kW。

Claims (10)

1.一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，包括：

泵浦源，用于输出泵浦光；

耦合系统，用于将输出的泵浦光耦合进入激光谐振腔；

激光谐振腔，包括：腔镜M1、1/4波片、激光增益介质、电光晶体、起偏器、腔镜M2，在所述激光谐振腔内振荡生成激光；所述1/4波片、电光晶体、起偏器构成扭摆腔，在所述1/4波片与所述电光晶体之间形成两束反向传播的正交圆偏振光；正交圆偏振光在所述激光增益介质中形成沿通光方向空间分布均匀的光场，所述激光谐振腔形成的激光经过所述起偏器后变为线偏振光；所述1/4波片、所述电光晶体、所述起偏器结合使用构成电光调Q开关，对腔内激光进行调Q，形成扭摆腔电光调Q的全固态激光器结构，实现窄线宽单频脉冲激光输出；所述电光晶体同时具有脉冲调Q与1/4波片的作用；

沿所述泵浦光的传播方向依次设置所述耦合系统、所述腔镜M1、所述1/4波片、所述激光增益介质、所述电光晶体、所述起偏器、所述腔镜M2。

2.根据权利要求1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述1/4波片与电光晶体的快轴相互垂直。

3.根据权利要求2所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述起偏器为布儒斯特片；所述1/4波片与所述布儒斯特片的偏振化方向的夹角为45°，所述电光晶体的快轴与所述布儒斯特片的偏振化方向的夹角为45°。

4.根据权利要求1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述激光器还包括温度控制系统，所述温度控制系统内设置所述激光增益介质。

5.根据权利要求1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述耦合系统为耦合透镜组或非球面光学耦合系统。

6.根据权利要求1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述激光增益介质的两个通光端面上、电光晶体的两个通光端面上均镀有对泵浦光和基频光透过率大于99％的增透膜。

7.根据权利要求1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述腔镜M1、腔镜M2均为平平镜、平凹镜或平凸镜；

所述腔镜M1镀有对泵浦光透过率大于99％、对激光反射率大于99％的介质膜；

所述腔镜M2镀有对激光透射率为5％-50％的介质膜。

8.根据权利要求1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述激光增益介质为掺Nd³⁺的各向同性晶体、掺Nd³⁺的玻璃、掺Nd³⁺的陶瓷，以及掺Yb的各向同性晶体、掺Yb的陶瓷中的任一种，Nd³⁺的掺杂浓度、Yb的掺杂浓度均为0.1-10atm％；所述激光增益介质的长度为0.5mm-50mm。

9.根据权利要求1所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源为准连续泵浦源或连续泵浦源，所述准连续泵浦源的宏脉冲重复频率范围为100-1000Hz。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种新型扭摆腔单频脉冲激光器，其特征在于，所述单频脉冲激光器还包括标准具，设置在所述起偏器与所述腔镜M2之间，用于进一步辅助压缩激光线宽，所述标准具透过部分激光，所述标准具的透过率为1-99％，所述标准具的厚度为0.1-5mm。