CN107800033A - 一种双端泵极窄线宽激光输出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双端泵极窄线宽激光输出方法，其中，第一、第二泵浦激光器发射的泵浦光经第一、第二线宽压缩装置压缩后，入射至第三线宽压缩装置(4)，经所述第三线宽压缩装置(4)的压缩后从输出耦合镜(6)输出；输出光经第四线宽压缩装置(5)压缩后输入示波器(11)；所述示波器(11)将检测结果实时反馈到计算机系统(12)，所述计算机系统(12)自动调整脉宽参数，直到所述输出光的性能与所述预先存储的模拟信息相吻合，从而获得皮米线宽的激光输出。

Description

一种双端泵极窄线宽激光输出方法
技术领域
本发明涉及一种激光输出方法，特别涉及一种双端泵极窄线宽激光输出方法。
背景技术
随着固体激光器技术的发展，光束质量的需求越来越迫切，其中包括光束能量、峰值功率、脉宽等，而窄脉宽的激光在气体检测等领域具有十分紧迫的需要，而目前的单一脉宽压缩技术，远远不能满足实际应用中对窄脉宽激光技术的需求。为了获得特定脉宽的激光，往往需要设计较为复杂的光学谐振腔，而这些腔型结构复杂，对光路调节技术要求较高，因此，要获得稳定的窄脉宽激光输出，就会变得比较困难，因此，对于复杂谐振腔下既要获得窄脉宽激光又要解决光路调节问题就变得十分迫切。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前的极窄线宽激光输出的技术问题，而提出了一种双端泵极窄线宽激光输出方法。
具体的本发明涉及一种双端泵极窄线宽激光输出方法，包括如下步骤：第一泵浦激光器9发射的1.9μm泵浦光入射至第一线宽压缩装置7，经所述第一线宽压缩装置7脉宽压缩后，入射至第一全反镜1,所述第一全反镜1为临界角为0°的全反镜，经第一全反镜1透射的泵浦光入射至单掺Tm:YVO4晶体2，所述单掺Tm:YVO4晶体2沿光入射的方向的长度为55mm，且单掺Tm:YVO4晶体2中Tm3+掺杂浓度为1.0at.％，经单掺Tm:YVO4晶体2吸收后产生振荡激光，所述振荡激光入射至第二全反镜3，所述第二全反镜3为临界角为45°的全反镜；
第二泵浦激光器10发射的1.9μm泵浦光入射至第二线宽压缩装置8，经所述第二线宽压缩装置8脉宽压缩后，入射至第二全反镜3,经第二全反镜3透射的泵浦光入射至所述单掺Tm:YVO4晶体2，经所述单掺Tm:YVO4晶体2吸收后产生振荡激光，所述振荡激光入射至第一全反镜1，经第一全反镜1全反射的振荡激光入射至单掺Tm:YVO4晶体2，经单掺Tm:YVO4晶体2透射的激光入射至第二全反镜3；
经第二全反镜3全反射的激光入射至第三线宽压缩装置4，经所述第三线宽压缩装置4的压缩后从输出耦合镜6输出；输出光经第四线宽压缩装置5压缩后输入示波器11；
所述示波器11将检测结果实时反馈到计算机系统12，所述计算机系统12接收到示波器11反馈信号后，与所述计算机系统12预先存储的模拟信息进行比较，并根据比较结果自动调整第一线宽压缩装置7、第二线宽压缩装置8、第三线宽压缩装置4、第四线宽压缩装置5的参数，直到所述输出光的性能与所述预先存储的模拟信息相吻合，从而获得皮米线宽的激光输出。
进一步的，所述第一脉宽压缩装置7包括：
第一转动调整台，该第一转动调整台具有微米级步进电控系统；
石墨烯布拉格光栅，位于所述第一转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第一转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第二脉宽压缩装置8包括：
第二转动调整台，该第二转动调整台具有微米级步进电控系统；
石墨烯布拉格光栅，位于所述第二转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第二转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第三脉宽压缩装置4包括：
第三转动调整台，该第三转动调整台具有微米级步进电控系统；
F-P标准具，位于所述第五转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第五转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第四脉宽压缩装置5包括：
第四转动调整台，该第四转动调整台具有微米级步进电控系统；
石英色散棱镜对，位于所述第四转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第四转动调整台的转动下进行微米级角度调整。
进一步的，该Tm:YVO4晶体2的主节面的模半径值为1.5mm，该Tm:YVO4晶体2激光棒的热透镜焦距为600mm，谐振腔长为350mm，该Tm:YVO4晶体2到输出耦合镜6距离为100mm。
进一步的，所述第一转动调整台、第二转动调整台、第三转动调整台、第四转动调整台可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。
进一步的，所述示波器11将探测到的光信号转变为模拟信号后实时输入到所述计算机系统12，所述计算机系统12根据所述模拟信号拟制出激光模型，并与所述计算机系统12预设的激光模型进行比较，并根据比较结果自动调整所述第一至第四转动调整台的状态，直到所述输出光的脉宽与所述预设的激光模型相吻合。
进一步的，所述石英色散棱镜对厚度为2.5cm；所述F-P标准具的厚度为0.45mm。
本发明的有益效果：本发明通过脉宽压缩装置分别位于泵浦侧、谐振腔内、输出侧，进行三级的压缩，获得极窄的压缩脉宽，通过第一级的压缩，获得纳米级的脉宽信号，并调整角度，进一步采用第二级、第三级的脉宽压缩，最终获得了理想的皮米级的输出光，在实现过程中，通过自动调节多个脉宽压缩器件的角度参数，能够方便的获得理想的脉宽输出。结合计算机精确控制系统，使得整个激光器在自动调节的前提下，能够实现皮米级窄脉宽的激光输出，而且可以实现完全自动调节，方便高效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明计算机控制极窄脉宽激光输出结构原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
如图1所示，具体的本发明涉及一种双端泵极窄线宽激光输出方法，包括如下步骤：第一泵浦激光器9发射的1.9μm泵浦光入射至第一线宽压缩装置7，经所述第一线宽压缩装置7脉宽压缩后，入射至第一全反镜1,所述第一全反镜1为临界角为0°的全反镜，经第一全反镜1透射的泵浦光入射至单掺Tm:YVO4晶体2，所述单掺Tm:YVO4晶体2沿光入射的方向的长度为55mm，且单掺Tm:YVO4晶体2中Tm3+掺杂浓度为1.0at.％，经单掺Tm:YVO4晶体2吸收后产生振荡激光，所述振荡激光入射至第二全反镜3，所述第二全反镜3为临界角为45°的全反镜；
第二泵浦激光器10发射的1.9μm泵浦光入射至第二线宽压缩装置8，经所述第二线宽压缩装置8脉宽压缩后，入射至第二全反镜3,经第二全反镜3透射的泵浦光入射至所述单掺Tm:YVO4晶体2，经所述单掺Tm:YVO4晶体2吸收后产生振荡激光，所述振荡激光入射至第一全反镜1，经第一全反镜1全反射的振荡激光入射至单掺Tm:YVO4晶体2，经单掺Tm:YVO4晶体2透射的激光入射至第二全反镜3；
经第二全反镜3全反射的激光入射至第三线宽压缩装置4，经所述第三线宽压缩装置4的压缩后从输出耦合镜6输出；输出光经第四线宽压缩装置5压缩后输入示波器11；
所述示波器11将检测结果实时反馈到计算机系统12，所述计算机系统12接收到示波器11反馈信号后，与所述计算机系统12预先存储的模拟信息进行比较，并根据比较结果自动调整第一线宽压缩装置7、第二线宽压缩装置8、第三线宽压缩装置4、第四线宽压缩装置5的参数，直到所述输出光的性能与所述预先存储的模拟信息相吻合，从而获得皮米线宽的激光输出。
优选的，所述第一脉宽压缩装置7包括：
第一转动调整台，该第一转动调整台具有微米级步进电控系统；
石墨烯布拉格光栅，位于所述第一转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第一转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第二脉宽压缩装置8包括：
第二转动调整台，该第二转动调整台具有微米级步进电控系统；
石墨烯布拉格光栅，位于所述第二转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第二转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第三脉宽压缩装置4包括：
第三转动调整台，该第三转动调整台具有微米级步进电控系统；
F-P标准具，位于所述第五转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第五转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第四脉宽压缩装置5包括：
第四转动调整台，该第四转动调整台具有微米级步进电控系统；
石英色散棱镜对，位于所述第四转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第四转动调整台的转动下进行微米级角度调整。
优选的，该Tm:YVO4晶体2的主节面的模半径值为1.5mm，该Tm:YVO4晶体2激光棒的热透镜焦距为600mm，谐振腔长为350mm，该Tm:YVO4晶体2到输出耦合镜6距离为100mm。
优选的，所述第一转动调整台、第二转动调整台、第三转动调整台、第四转动调整台可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。
优选的，所述示波器11将探测到的光信号转变为模拟信号后实时输入到所述计算机系统12，所述计算机系统12根据所述模拟信号拟制出激光模型，并与所述计算机系统12预设的激光模型进行比较，并根据比较结果自动调整所述第一至第四转动调整台的状态，直到所述输出光的脉宽与所述预设的激光模型相吻合。
优选的，所述石英色散棱镜对厚度为2.5cm；所述F-P标准具的厚度为0.45mm。
其中，石墨烯布拉格光栅可以制作为光纤光栅结构，包括纤芯、包层、石墨烯层。石墨烯具有零带隙结构，所以石墨烯价带中的电子很容易吸收泵浦光子跃迁到导带上，而且满足狄拉克分布，这一过程会直接导致石墨烯能带结构的电子分布发生改变。当改变泵浦光强度时，石墨烯的能带电子的分布也不一样。啁啾布拉格光栅的反射带宽是由纤芯折射率和周期分布决定的。由于啁啾布拉格光栅的纤芯已经被周期性的调制，包裹在纤芯上面的石墨烯的能带电子分布的变化会进一步导致光栅的调制折射率的改变，这样最终导致了光栅反射谱的带宽发生变化。因此，本发明可以通过改变调控石墨烯的泵浦光强来改变啁啾布拉格光栅的反射带宽。通过改变输出激光的功率大小，来对所述石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，从而实现输出激光脉宽的调节，其中输出激光的功率越大，调节后的石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽越宽。
利用石英棱镜可以进一步压缩脉宽，可以单独的棱镜压缩，也可以采用棱镜对压缩，即在脉冲进入石英棱镜之前，可以先用一个棱镜对脉冲引入一定量的负碉啾，则脉宽被压缩，可以采用棱镜对压缩器、熔石英体材料-棱镜对压缩器、棱镜对-熔石英体材料-棱镜对压缩器进行脉宽压缩。对比三种材料的压缩效果如下表所示，从下表可以得到，棱镜对—熔石英体材料—棱镜对压缩器在达到最佳压缩结果时，熔石英体材料厚度较薄，这减少了能量的材料吸收损耗；同时，进一步提高了光谱展宽因子和脉冲压缩因子，而且保证了压缩脉冲质量。
其中，所述石墨烯布拉格光栅、石英色散棱镜位于微步进电机转台上，所述计算机系统根据示波器的检测结构，对所述石墨烯布拉格光栅、石英色散棱镜进行调节。
其中，该Tm:YVO4晶体2的主节面的模半径值为1.5mm，该Tm:YVO4晶体2激光棒的热透镜焦距为600mm，谐振腔长为350mm，该Tm:YVO4晶体2到输出耦合镜6距离为100mm，该光栅与耦合镜6的距离为50mm。
其中模拟信息是指，通过理论模拟的激光理想条件下的出光效果，参数条件包括各器件的位置、尺寸、大小、膜系、晶体系数等等情况，还可通过选定的理论模型，进行计算机模拟,经过MATLAB系统编写相关控制程序，统一接收、发出控制命令。
另外，本发明的泵浦方式为双末端泵浦，两路泵浦光都要先通过一个隔离装置再注入单掺Tm:YVO4晶体2。泵浦光分别从0°2μm全反镜和45°2μm全反镜入射。激光器谐振腔由第一全反镜1、第二全反镜3和2μm输出耦合镜6按“L”型结构放置，每个泵浦光路插入一个隔离装置。通过波长控制组件4的角度获得2μm单波长激光输出。
本实施方式中，可以增加当调Q晶体使得输出光为连续或脉冲激光。当调Q晶体启动时，所述高性能的双末端泵浦单掺Tm:YVO4固体激光器以输出脉冲形式的激光。当调Q晶体关闭时，调Q晶体相当于普通晶体，不起任何作用，这时，所述高性能的双末端泵浦单掺Tm:YVO4固体激光器输出连续波激光。
所述第一泵浦激光器9和第二泵浦激光器10可以采用发射波长为1908nm的Tm:YLF固体激光器。
选用单掺Tm:YVO4晶体2作为激光增益介质。单掺Tm:YVO4晶体在1.9μm波段有强吸收，这与单掺Tm晶体的强发射峰相对应，因此本实施方式选用Tm:YLF固体激光器做为单掺Tm:YVO4激光器的泵浦源。
单掺Tm:YVO4晶体2沿光入射的方向的长度为40-70mm，且单掺Tm:YVO4晶体2中Tm3+掺杂浓度为0.8-1.8at.％。
采用上述各实施方式组合的结构，当向本发明的Tm:YVO4激光器注入1908nm的泵浦激光180W时，获得了120W稳定的连续波3.5微米激光输出。调Q重复频率为30kHz时获得平均功率为90W的脉冲激光输出。
在具体实施时，本发明所述的Tm:YVO4固体激光器的3.5μm输出耦合镜6为平凹镜，其曲率半径为-300mm，在3.5μm波段的透过率为50％。
本发明的有益效果：本发明通过采用计算机自动控制的双脉宽压缩器件的使用，通过第一级的压缩，获得纳米级的脉宽信号，并调整角度，进一步采用第二级的脉宽压缩，最终获得了理想的皮米级的输出光，在实现过程中，一方面通过控制泵浦光的输出光功率，另一方面通过自动调节多个脉宽压缩器件的角度参数，能够方便的获得理想的脉宽输出。本发明采用计算机系统自动反馈调节，既节约了人力调光成本，又能够实现最大限度的自动化，使得光路调节仅仅通过改变计算机系统中的模拟信息，就可以任意的实现光学输出，节约了调整时间外，可大幅提升单掺Tm:YVO4固体激光器的输出性能，并且具有结构紧凑和稳定性好的特点。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种双端泵极窄线宽激光输出方法，其特征在于，
第一泵浦激光器(9)发射的1.9μm泵浦光入射至第一线宽压缩装置(7)，经所述第一线宽压缩装置(7)脉宽压缩后，入射至第一全反镜(1),所述第一全反镜(1)为临界角为0°的全反镜，经第一全反镜(1)透射的泵浦光入射至单掺Tm:YVO4晶体(2)，所述单掺Tm:YVO4晶体(2)沿光入射的方向的长度为55mm，且单掺Tm:YVO4晶体(2)中Tm3+掺杂浓度为1.0at.％，经单掺Tm:YVO4晶体(2)吸收后产生振荡激光，所述振荡激光入射至第二全反镜(3)，所述第二全反镜(3)为临界角为45°的全反镜；
第二泵浦激光器(10)发射的1.9μm泵浦光入射至第二线宽压缩装置(8)，经所述第二线宽压缩装置(8)脉宽压缩后，入射至第二全反镜(3),经第二全反镜(3)透射的泵浦光入射至所述单掺Tm:YVO4晶体(2)，经所述单掺Tm:YVO4晶体(2)吸收后产生振荡激光，所述振荡激光入射至第一全反镜(1)，经第一全反镜(1)全反射的振荡激光入射至单掺Tm:YVO4晶体(2)，经单掺Tm:YVO4晶体(2)透射的激光入射至第二全反镜(3)；
经第二全反镜(3)全反射的激光入射至第三线宽压缩装置(4)，经所述第三线宽压缩装置(4)的压缩后从输出耦合镜(6)输出；输出光经第四线宽压缩装置(5)压缩后输入示波器(11)；
所述示波器(11)将检测结果实时反馈到计算机系统(12)，所述计算机系统(12)接收到示波器(11)反馈信号后，与所述计算机系统(12)预先存储的模拟信息进行比较，并根据比较结果自动调整第一线宽压缩装置(7)、第二线宽压缩装置(8)、第三线宽压缩装置(4)、第四线宽压缩装置(5)的参数，直到所述输出光的性能与所述预先存储的模拟信息相吻合，从而获得皮米线宽的激光输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一脉宽压缩装置(7)包括：
第一转动调整台，该第一转动调整台具有微米级步进电控系统；
石墨烯布拉格光栅，位于所述第一转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第一转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第二脉宽压缩装置(8)包括：
第二转动调整台，该第二转动调整台具有微米级步进电控系统；
石墨烯布拉格光栅，位于所述第二转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第二转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第三脉宽压缩装置(4)包括：
第三转动调整台，该第三转动调整台具有微米级步进电控系统；
F-P标准具，位于所述第五转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第五转动调整台的转动下进行微米级角度调整；
所述第四脉宽压缩装置(5)包括：
第四转动调整台，该第四转动调整台具有微米级步进电控系统；
石英色散棱镜对，位于所述第四转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第四转动调整台的转动下进行微米级角度调整。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该Tm:YVO4晶体(2)的主节面的模半径值为1.5mm，该Tm:YVO4晶体(2)激光棒的热透镜焦距为600mm，谐振腔长为350mm，该Tm:YVO4晶体(2)到输出耦合镜(6)距离为100mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一转动调整台、第二转动调整台、第三转动调整台、第四转动调整台可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述示波器(11)将探测到的光信号转变为模拟信号后实时输入到所述计算机系统(12)，所述计算机系统(12)根据所述模拟信号拟制出激光模型，并与所述计算机系统(12)预设的激光模型进行比较，并根据比较结果自动调整所述第一至第四转动调整台的状态，直到所述输出光的脉宽与所述预设的激光模型相吻合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述石英色散棱镜对厚度为2.5cm；所述F-P标准具的厚度为0.45mm。
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