CN108054627A - 一种匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，属于激光技术领域，包括沿传输光路依次设置的0度全反镜、45度全反镜Ⅰ、45度全反镜Ⅱ、二极管泵浦模块Ⅰ、45度分光镜、4f成像透镜Ⅰ、非线性晶体、4f成像透镜Ⅱ、90度石英旋光镜、二极管泵浦模块Ⅱ、偏振片、45度全反镜Ⅲ和标准具组，所述标准具组由两块厚度不同的标准具组成，本发明在腔内4f成像透镜Ⅰ和4f成像透镜Ⅱ中央焦点处插入非线性晶体，并配合双标准具压窄激光线宽的方法抑制激光脉冲的弛豫振荡，消除了激光脉冲的弛豫振荡尖峰，从而获得具有匀滑时间波形的窄线宽1319nm激光脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体地说涉及一种匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器。
背景技术
1319nm红外激光在医疗、自适应光学以及非线性频率变换等领域有着广泛的应用。因其具有峰值功率高、光谱特性好的特点，适用于高倍频效率的660nm激光产生以及与1064nm激光和频获得高频平均功率钠黄光，一直是国内外激光技术领域研究的热点之一。
1319nm激光通常采用准连续半导体泵浦模块构成平平界稳腔获得，但由于激光脉冲建立的原理以及Nd:YAG晶体的固有特性等因素，产生的激光脉冲在时间波形上具有较严重的弛豫振荡效应，脉冲前沿包含多个脉宽为微秒量级、间隔约几个微秒的短脉冲组成序列，而该短脉冲序列脉宽窄，具有非常高的峰值功率，因此在高能激光放大器以及非线性频率变换等应用中极易造成晶体与腔镜膜层与光学元器件的损伤，降低激光器系统的安全性与可靠性。
目前抑制这种弛豫振荡较为常用的方法是通过空间斩波的手段将时间脉冲弛豫振荡严重的前沿滤除，但是这种方法需要非常精准的时间同步控制，增加了激光器的复杂程度，并且对激光器输出功率的损耗也较严重。此外，若不采用线宽控制措施，通常由谐振腔输出的激光为多纵模振荡，线宽在几十甚至几百GHz之间。激光器的多纵模、宽线宽特性会加剧弛豫振荡效应，导致弛豫振荡尖峰数量多，难以抑制。因此可采取线宽压窄措施对弛豫振荡效应进行初步抑制。常用的线宽控制方法有短腔法、环形腔法、双折射滤光片法和标准具法等。其中，短腔法结构简单，但对激光增益介质和光学元件加工要求很高；环形腔法可获得较高功率输出，但光路复杂，调试难度大；双折射滤光片法则受限于高损耗和复杂的结构。
目前标准具法是普遍采用的线宽控制方法，但单标准具难以将激光线宽压窄至1GHz以内，且难以实现精确控制。因此，采用多块标准具或者标准具与其他线宽控制技术相匹配的方式将获得较好的线宽控制效果。
发明内容
为了解决现有技术的种种不足，现提出一种匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，通过在腔内焦点处插入非线性晶体，配合双标准具压窄激光线宽的方法抑制激光脉冲的弛豫振荡，从而获得具有匀滑时间波形的窄线宽激光脉冲。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，包括沿传输光路依次设置的0度全反镜、45度全反镜Ⅰ、45度全反镜Ⅱ、二极管泵浦模块Ⅰ、45度分光镜、4f成像透镜Ⅰ、非线性晶体、4f成像透镜Ⅱ、90度石英旋光镜、二极管泵浦模块Ⅱ、偏振片、45度全反镜Ⅲ和标准具组，其中，
所述0度全反镜、45度全反镜Ⅰ、45度全反镜Ⅱ、45度全反镜Ⅲ、偏振片和标准具组构成激光器的折叠谐振腔；
所述标准具组由两块厚度不同的标准具组成，两块标准具分别封装在温控炉内进行控温；
所述0度全反镜、45度全反镜Ⅰ、45度全反镜Ⅱ、45度全反镜Ⅲ、偏振片以及标准具组镀1319nm高反射率、1064nm高透过率膜提供1319nm激光正反馈。
进一步，所述0度全反镜、45度全反镜Ⅰ沿光轴Ⅰ放置。
进一步，所述45度全反镜Ⅱ、偏振片、二极管泵浦模块Ⅰ、二极管泵浦模块Ⅱ、非线性晶体、45度分光镜、4f成像透镜Ⅰ、4f成像透镜Ⅱ和90度石英旋光镜沿光轴Ⅱ放置。
进一步，所述二极管泵浦模块Ⅰ、4f成像透镜Ⅰ与二极管泵浦模块Ⅱ、4f成像透镜Ⅱ关于非线性晶体中心对称设置。
进一步，所述4f成像透镜Ⅰ与二极管泵浦模块Ⅰ中心间距以及4f成像透镜Ⅱ与二极管泵浦模块Ⅱ中心间距均为120mm。
进一步，所述45度全反镜Ⅲ与标准具组沿光轴Ⅲ放置。
进一步，所述二极管泵浦模块Ⅰ和二极管泵浦模块Ⅱ均由Nd:YAG激光晶体棒与二极管阵列构成，其中，所述Nd:YAG激光晶体棒尺寸为8mm(长)×Φ2mm(直径)，其端面镀1319nm高透过率膜。
进一步，所述非线性晶体、4f成像透镜Ⅰ、4f成像透镜Ⅱ以及90度石英旋光镜镀1319nm高透过率膜，所述45度分光镜镀1319nm高透过率，1064nm高反射率膜。
进一步，所述非线性晶体尺寸为8mm×8mm×30mm，采用非临界相位匹配方式，焊接在铜制热沉上进行精确控温。
进一步，所述脉冲激光器通过指示光源、光阑标定光轴Ⅱ、光轴Ⅰ与光轴Ⅲ的位置与高度。
本发明的工作原理如下：
所述二极管泵浦模块Ⅰ、二极管泵浦模块Ⅱ在二极管阵列发出的808nm泵浦光激励下由Nd:YAG激光晶体棒产生激光荧光，由于所述0度全反镜、45度全反镜Ⅰ、45度全反镜Ⅱ、45度全反镜Ⅲ的波长选择和反馈作用，1319nm荧光在腔内谐振形成激光，当腔内1319nm激光功率达到一定强度时，一部分激光经过标准具组输出至腔外，谐振腔内808nm泵浦光对1319nm激光的激励作用与经过标准具组输出至腔外的功率损耗达到平衡，实现1319nm激光的稳定输出。
在频域上，标准具组构成了狭窄的光谱透过率峰，光谱透过率峰极大增加了峰值附近以外的激光谱线损耗，使其无法在激光谐振腔内形成振荡，只有谱线在峰值附近的1319nm激光形成振荡输出，达到通过线宽压窄初步抑制弛豫振荡尖峰的目的，在时域上，由于激光脉冲建立初期腔内增益大，会形成峰值功率很高的弛豫振荡尖峰，根据非线性转换效率与峰值功率成正比的原理，这部分弛豫振荡尖峰脉冲经过非线性晶体时被转化为0.66μm的倍频光，增加了弛豫振荡尖峰脉冲的损耗，从而进一步抑制其产生，即获得平滑的激光脉冲。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用在腔内焦点处插入非线性晶体并配合双标准具压窄激光线宽的方法抑制激光脉冲的弛豫振荡，消除了激光脉冲的弛豫振荡尖峰，为高能量放大器、非线性频率变换系统等提供了安全可靠的种子源，避免尖峰造成的元件损伤；
2、本发明谐振腔内采用双二极管泵浦模块对称结构设计，利用4f成像系统使两二极管泵浦模块的中心互为共轭面，有效补偿了二极管泵浦模块的热至退偏效应，改善了激光器的光束质量和单脉冲能量；
3、本发明采用5镜折叠腔的结构，且其中一处反射镜用偏振片代替，使光路结构紧凑，体积小巧，便于工业应用。
附图说明
图1是本发明匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器的结构示意图；
图2是本发明匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器抑制弛豫振荡效应前输出激光的时间波形图；
图3是本发明匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器抑制弛豫振荡效应后输出激光的时间波形图。
附图中：1-0度全反镜，2-45度全反镜Ⅰ，3-45度全反镜Ⅱ，4-偏振片，5-45度全反镜Ⅲ，6-二极管泵浦模块Ⅰ，7-二极管泵浦模块Ⅱ，8-非线性晶体，9-45度分光镜，10-4f成像透镜Ⅰ，11-4f成像透镜Ⅱ，12-90度石英旋光镜，13-标准具组，14-光轴Ⅱ，15-光轴Ⅰ，16-光轴Ⅲ，17-光阑，18-时间波形Ⅰ，19-时间波形Ⅱ，20-泵浦二极管驱动信号，21-脉冲激光器，22-指示光源。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，一种匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，包括沿传输光路依次设置的0度全反镜1、45度全反镜Ⅰ2、45度全反镜Ⅱ3、二极管泵浦模块Ⅰ6、45度分光镜9、4f成像透镜Ⅰ10、非线性晶体8、4f成像透镜Ⅱ11、90度石英旋光镜12、二极管泵浦模块Ⅱ7、偏振片4、45度全反镜Ⅲ5和标准具组13，所述0度全反镜1、45度全反镜Ⅰ2、45度全反镜Ⅱ3、45度全反镜Ⅲ5、偏振片4和标准具组13构成激光器的折叠谐振腔，其中，所述0度全反镜1、45度全反镜Ⅰ2沿光轴Ⅰ15放置，所述45度全反镜Ⅱ3、偏振片4、二极管泵浦模块Ⅰ6、二极管泵浦模块Ⅱ7、非线性晶体8、45度分光镜9、4f成像透镜Ⅰ10、4f成像透镜Ⅱ11和90度石英旋光镜12沿光轴Ⅱ14放置，所述偏振片4与光轴Ⅱ14夹角α为35±1度，所述偏振片4与光轴Ⅱ14夹角在34度至36度之间，满足对谐振腔内S偏振态的1319nm激光全反射，所述45度全反镜Ⅲ5与标准具组13沿光轴Ⅲ16放置，所述45度全反镜Ⅲ5与光轴Ⅲ16夹角β为55±1度。
所述二极管泵浦模块Ⅰ6、4f成像透镜Ⅰ10与二极管泵浦模块Ⅱ7、4f成像透镜Ⅱ11关于非线性晶体8中心对称设置，所述4f成像透镜Ⅰ10与二极管泵浦模块Ⅰ6中心间距与4f成像透镜Ⅱ11与二极管泵浦模块Ⅱ7间距均为120mm，采用双二极管泵浦模块对称结构设计，利用4f成像系统使两二极管泵浦模块的中心互为共轭面，有效补偿了二极管泵浦模块的热至退偏效应，改善了激光器的光束质量和单脉冲能量。所述标准具组13由两块厚度不同的标准具组成，两块标准具分别封装在温控炉内进行控温，通过微调温度实现对1319nm激光的线宽控制，采用在腔内焦点处插入非线性晶体8并配合双标准具压窄激光线宽的方法抑制激光脉冲的弛豫振荡，消除了激光脉冲的弛豫振荡尖峰，为高能量放大器、非线性频率变换系统等提供了安全可靠的种子源，避免尖峰造成的元件损伤。
所述0度全反镜1、45度全反镜Ⅰ2、45度全反镜Ⅱ3、45度全反镜Ⅲ5、偏振片4镀1319nm高反射率、1064nm高透过率膜，所述标准具组13镀1319nm部分透过率膜，提供1319nm激光正反馈，所述非线性晶体8、4f成像透镜Ⅰ10、4f成像透镜Ⅱ11以及90度石英旋光镜12镀1319nm高透过率膜，所述45度分光镜9镀1319nm高透过率，1064nm高反射率膜，所述二极管泵浦模块Ⅰ6和二极管泵浦模块Ⅱ7均由Nd:YAG激光晶体棒与二极管阵列构成，其中，所述Nd:YAG激光晶体棒尺寸为8mm(长)×Φ2mm(直径)，其端面镀1319nm高透过率膜，选取较小的激光晶体棒直径有利于控制1319nm激光的光束质量。
所述非线性晶体8尺寸为8mm×8mm×30mm，采用非临界相位匹配方式，焊接在铜制热沉上进行精确控温，所述非线性晶体8中心放置于4f成像透镜Ⅰ10与4f成像透镜Ⅱ11中间焦点处，此处的1319nm激光束腰小，非线性转换能力强，对弛豫振荡尖峰能有效地抑制，所述45度分光镜9放置于二极管泵浦模块Ⅰ6和二极管泵浦模块Ⅱ7之间，且与光轴Ⅱ14呈45度夹角，目的在与抑制1064nm激光在二极管泵浦模块Ⅰ6和二极管泵浦模块Ⅱ7之间成振荡，所述90度石英旋光镜12放置于二极管泵浦模块Ⅰ6和二极管泵浦模块Ⅱ7之间，用于将谐振腔内1319nm激光偏振态改变90度，使1319nm激光偏振态在二极管泵浦模块Ⅰ6与二极管泵浦模块Ⅱ7之间互相垂直，利用热对称特性补偿1319nm激光热至退偏效应。
此外，所述脉冲激光器21通过指示光源22、光阑17标定光轴Ⅱ14、光轴Ⅰ15与光轴Ⅲ16的位置与高度。
如图2所示，在示波器上观测到本发明匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器抑制弛豫振荡效应前输出激光的时间波形18。
如图3所示，在示波器上观测到本发明匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器抑制弛豫振荡效应后输出激光的时间波形19与泵浦二极管驱动信号20。
所述匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器21输出的匀滑时间波形窄线宽1319nm激光单脉冲能量大于20mJ，重频250Hz，光束质量M2小于1.1。
以下进一步说明本发明的工作原理：
所述二极管泵浦模块Ⅰ6、二极管泵浦模块Ⅱ7在二极管阵列发出的808nm泵浦光激励下由Nd:YAG激光晶体棒产生激光荧光，由于所述0度全反镜1、45度全反镜Ⅰ2、45度全反镜Ⅱ3、45度全反镜Ⅲ5的波长选择和反馈作用，1319nm荧光在腔内谐振形成激光，当腔内1319nm激光功率达到一定强度时，一部分激光经过标准具组13输出至腔外，谐振腔内808nm泵浦光对1319nm激光的激励作用与经过标准具组13输出至腔外的功率损耗达到平衡，实现1319nm激光的稳定输出。
在频域上，标准具组13构成了狭窄的光谱透过率峰，光谱透过率峰极大增加了峰值附近以外的激光谱线损耗，使其无法在激光谐振腔内形成振荡，只有谱线在峰值附近的1319nm激光形成振荡输出，达到通过线宽压窄初步抑制弛豫振荡尖峰的目的，在时域上，由于激光脉冲建立初期腔内增益大，会形成峰值功率很高的弛豫振荡尖峰，根据非线性转换效率与峰值功率成正比的原理，这部分弛豫振荡尖峰脉冲经过非线性晶体时被转化为0.66μm的倍频光，增加了弛豫振荡尖峰脉冲的损耗，从而进一步抑制其产生，获得了如图3所示的平滑激光脉冲。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：包括沿传输光路依次设置的0度全反镜(1)、45度全反镜Ⅰ(2)、45度全反镜Ⅱ(3)、二极管泵浦模块Ⅰ(6)、45度分光镜(9)、4f成像透镜Ⅰ(10)、非线性晶体(8)、4f成像透镜Ⅱ(11)、90度石英旋光镜(12)、二极管泵浦模块Ⅱ(7)、偏振片(4)、45度全反镜Ⅲ(5)和标准具组(13)，其中，
所述0度全反镜(1)、45度全反镜Ⅰ(2)、45度全反镜Ⅱ(3)、45度全反镜Ⅲ(5)、偏振片(4)和标准具组(13)构成激光器的折叠谐振腔；
所述标准具组(13)由两块厚度不同的标准具组成，两块标准具分别封装在温控炉内进行控温；
所述0度全反镜(1)、45度全反镜Ⅰ(2)、45度全反镜Ⅱ(3)、45度全反镜Ⅲ(5)、偏振片(4)以及标准具组(13)镀1319nm高反射率、1064nm高透过率膜提供1319nm激光正反馈。
2.根据权利要求1所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述0度全反镜(1)、45度全反镜Ⅰ(2)沿光轴Ⅰ(15)放置。
3.根据权利要求2所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述45度全反镜Ⅱ(3)、偏振片(4)、二极管泵浦模块Ⅰ(6)、二极管泵浦模块Ⅱ(7)、非线性晶体(8)、45度分光镜(9)、4f成像透镜Ⅰ(10)、4f成像透镜Ⅱ(11)和90度石英旋光镜(12)沿光轴Ⅱ(14)放置。
4.根据权利要求3所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述二极管泵浦模块Ⅰ(6)、4f成像透镜Ⅰ(10)与二极管泵浦模块Ⅱ(7)、4f成像透镜Ⅱ(11)关于非线性晶体(8)中心对称设置。
5.根据权利要求4所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述4f成像透镜Ⅰ(10)与二极管泵浦模块Ⅰ(6)中心间距以及4f成像透镜Ⅱ(11)与二极管泵浦模块Ⅱ(7)中心间距均为120mm。
6.根据权利要求5所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述45度全反镜Ⅲ(5)与标准具组(13)沿光轴Ⅲ(16)放置。
7.根据权利要求1所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述二极管泵浦模块Ⅰ(6)和二极管泵浦模块Ⅱ(7)均由Nd:YAG激光晶体棒与二极管阵列构成，其中，所述Nd:YAG激光晶体棒尺寸为8mm(长)×Φ2mm(直径)，其端面镀1319nm高透过率膜。
8.根据权利要求7所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述非线性晶体(8)、4f成像透镜Ⅰ(10)、4f成像透镜Ⅱ(11)以及90度石英旋光镜(12)镀1319nm高透过率膜，所述45度分光镜(9)镀1319nm高透过率，1064nm高反射率膜。
9.根据权利要求1所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述非线性晶体(8)尺寸为8mm×8mm×30mm，采用非临界相位匹配方式，焊接在铜制热沉上进行精确控温。
10.根据权利要求1-9任一所述的匀滑时间波形窄线宽1319nm脉冲激光器，其特征在于：所述脉冲激光器通过指示光源(18)、光阑(19)标定光轴Ⅱ(14)、光轴Ⅰ(15)与光轴Ⅲ(16)的位置与高度。
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