CN108173110B - 百赫兹百纳秒大能量激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于：平面输出镜、Q开关、偏振分光棱镜、准连续半导体激光模块泵浦源、激光晶体、法拉第旋转器、1/2λ波片和第四平面全反镜依次设置在所述激光晶体光路上，其中平面输出镜反射面与激光晶体相向，并相对激光晶体光路呈一夹角；其解决了现有的获取百赫兹百纳秒脉冲宽度的大能量脉冲激光器存在系统复杂、效率低下、光束质量差、体积大以及成本高等缺点，是以环形谐振腔为基础，以808nm准连续半导体激光模块作为泵浦源泵浦Nd：YAG晶体，通过板条反射镜多程反射光路增加谐振腔光学长度，方便快捷的来实现百赫兹百纳秒脉冲宽度的全固体激光器。

Description

百赫兹百纳秒大能量激光器

技术领域

本发明涉及一种百赫兹百纳秒大能量激光器，属于全固态激光器技术领域，主要涉及到一种采用准连续半导体激光模块侧面泵浦，在工作频率百赫兹时实现脉冲宽度为百纳秒的大能量激光器。

背景技术

一些特殊的科学实验研究需要脉冲宽度较宽的百纳秒大能量脉冲激光。这种脉冲宽度的激光可作为基频光进行腔外和腔内倍频输出脉冲宽度百纳秒的532nm脉冲激光，同时532nm激光可作为染料激光器的泵浦源。

目前百赫兹百纳秒大能量脉冲激光主要通过：1）、驻波谐振腔内利用Q开关的调制来实现高频百纳秒百赫兹激光的输出，同时在谐振腔外的光路中插入调制器，对输出的高频百纳秒脉冲激光进行调制，最终筛选出百赫兹百纳秒大能量脉冲激光输出，这种方式获得的百赫兹百纳秒大能量脉冲激光存在输出单脉冲能量低、电光转换有效利用率低、电路控制要求高等缺点。2）、利用种子源放大来获取大能量脉冲激光，种子源采用半导体激光器输出超低能量的脉冲激光，再通过光纤放大激光器多级放大，再通过准连续半导体激光模块放大系统实现百赫兹百纳秒大能量激光输出，但是该激光器系统光学器件多、设计复杂、光束质量差、体积大以及成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其解决了现有的获取百赫兹百纳秒脉冲宽度的大能量脉冲激光器存在系统复杂、效率低下、光束质量差、体积大以及成本高等缺点，是以环形谐振腔为基础，以808nm准连续半导体激光模块作为泵浦源泵浦Nd：YAG晶体，通过板条反射镜多程反射光路增加谐振腔光学长度，方便快捷的来实现百赫兹百纳秒脉冲宽度的全固体激光器，。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：一种百赫兹百纳秒大能量激光器，包括平面输出镜、Q开关、偏振分光棱镜、准连续半导体激光模块泵浦源、激光晶体、法拉第旋转器、1/2λ波片、第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一板条平面全反镜、第二板条平面全反镜、第三平面全反镜、第四平面全反镜，其特征在于：平面输出镜、Q开关、偏振分光棱镜、准连续半导体激光模块泵浦源、激光晶体、法拉第旋转器、1/2λ波片和第四平面全反镜依次设置在所述激光晶体光路上，其中平面输出镜反射面与激光晶体相向，并相对激光晶体光路呈一夹角，

在其反射光路上设有第一平面全反镜，其反射面与平面输出镜相向，并相对平面输出镜呈一夹角，

在其反射光路中设有第一板条平面全反镜，其反射面与第一平面全反镜相向，并相对第一平面全反镜呈一夹角，

在其反射光路上设有第二板条平面全反镜，其反射面与第一板条平面全反镜的反射面相互平行相向，而且第一板条平面全反镜反射面、第二板条平面全反镜反射面分别与激光晶体光路垂直，

反射光路在第一板条平面全反镜与第二板条平面全反镜之间多次反射，最后从第二板条平面全反镜射出，

在第二板条平面全反镜射出的反射光路上设有第二平面全反镜，其反射面与第二板条平面全反镜相向，并相对第二板条平面全反镜呈一夹角，

在反射光路上设有第三平面全反镜，其反射面与第二平面全反镜相向，并相对第二平面全反镜呈一夹角，

在反射光路上设有第四平面全反镜，其反射面与第三平面全反镜相向，并相对第三平面全反镜呈一夹角，

其反射光路与激光晶体光路重合形成回路构成谐振腔，信号光从平面输出镜的激光晶体光路方向输出。

所述平面输出镜与准连续半导体激光模块泵浦源之间的泵浦光路上设有偏振分光棱镜。

所述准连续半导体激光模块泵浦源为在发射波长为808nm的半导体侧面泵浦激光模块。

所述激光晶体为Nd：YAG晶体棒，激光晶体放置在准连续半导体激光模块泵浦源的泵浦光路中，激光晶体的尺寸为直径3mm×68mm。

所述平面输出镜与准连续半导体激光模块泵浦源之间的激光晶体光路上设有Q开关。

所述Q开关为声光Q开关或电光Q开关。

所述法拉第旋转器和1/2λ波片组成光隔离组件。

所述第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一板条平面全反镜和第二板条平面全反镜的反射面镀信号光0度±5度高反膜，信号光反射率大于99.9%，其另一平面镀信号光0度增透膜。

所述第三平面全反镜和第四平面全反镜的反射面镀信号光45度±5度偏振反射膜，其中S波高反膜反射率大于99.9%， P波增透膜透过率大于99.9%，另一平面镀信号光45度增透膜。

所述平面输出镜的反射面镀信号光0度±5度部分反射率为50%，其另一平面镀信号光0度±5度增透膜。

所述平面输出镜法线方向与所述激光晶体光路所呈角度小于5度，大于2度。

所述第一平面全反镜法线方向与所述平面输出镜的反射光路所呈夹角小于5度，大于2度；

所述第一板条平面全反镜法线方向与所述第一平面全反镜的反射光路所呈夹角小于5度，大于2度；

所述第二平面全反镜法线方向与所述第二板条平面全反镜的反射光路所呈夹角小于5度，大于2度；

所述第三平面全反镜法线方向与所述第二平面全反镜的反射光路所呈夹角小于47度，大于43度；

所述第四平面全反镜法线方向与所述第三平面全反镜的反射光路所呈夹角小于47度，大于43度。

本发明的积极效果是其采用发射波长为808nm的半导体侧面泵浦激光模块泵浦的环形谐振腔直接输出百赫兹百纳秒大能量信号光，提高了光光转换效率以及能量不稳定性；光路设计采用两个板条反射镜之间的多程反射光路增加谐振腔光学长度，减小了多片全反镜片占用空间，较小的激光器体积、使激光器整体结构紧凑稳定。

附图说明

图1为本发明的光路示意图。

图中：1-平面输出镜、2-Q开关、3-第一平面全反镜、4-偏振分光棱镜、5-准连续半导体激光模块泵浦源、6-激光晶体、7-法拉第旋转器、8-1/2λ波片、9-第四平面全反镜、10-第三平面全反镜、11-第二板条平面全反镜、12-第一板条平面全反镜、13-第二平面全反镜、14-箱体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细的说明，如图1所示，百纳秒百赫兹大能量激光器，包括平面输出镜1、Q开关2、第一平面全反镜3、偏振分光棱镜4、准连续半导体激光模块泵浦源5、激光晶体6、法拉第旋转器7、1/2λ波片8、第四平面全反镜9、第三平面全反镜10、第二板条平面全反镜11、第一板条平面全反镜12、第二平面全反镜13，其特征在于：平面输出镜1、Q开关2、偏振分光棱镜4、准连续半导体激光模块泵浦源5、激光晶体6、法拉第旋转器7、1/2λ波片8和第四平面全反镜9依次设置在所述激光晶体6光路上，

平面输出镜1反射面与激光晶体6相向，并相对激光晶体6光路呈一夹角，

在其反射光路上设有第一平面全反镜3，其反射面与平面输出镜1相向，并相对平面输出镜1呈一夹角，

在其反射光路中设有第一板条平面全反镜12，其反射面与第一平面全反镜3相向，并相对第一平面全反镜3呈一夹角，

在其反射光路上设有第二板条平面全反镜11，其反射面与第一板条平面全反镜12的反射面相互平行相向，而且第一板条平面全反镜12反射面、第二板条平面全反镜11反射面分别与所述激光晶体6光路垂直，

反射光路在第一板条平面全反镜12与第二板条平面全反镜11之间多次反射，最后从所述第二板条平面全反镜射出，

在第二板条平面全反镜11射出的反射光路上设有第二平面全反镜13，其反射面与第二板条平面全反镜11相向，并相对第二板条平面全反镜11呈一夹角，

在反射光路上设有第三平面全反镜10，其反射面与第二平面全反镜13相向，并相所述第二平面全反镜13呈一夹角，

在反射光路上设有第四平面全反镜9，其反射面与第三平面全反镜10相向，并相对第三平面全反镜10呈一夹角，

其反射光路与激光晶体6光路重合形成回路构成谐振腔，信号光从平面输出镜1的激光晶体6光路方向输出。

在平面输出镜1与准连续半导体激光模块泵浦源5之间的泵浦光路上设有偏振分光棱镜4。

准连续半导体激光模块泵浦源5为在发射波长为808nm的半导体侧面泵浦激光模块。激光晶体6为Nd：YAG晶体棒，激光晶体6放置在所述准连续半导体激光模块泵浦源5的泵浦光路中，激光晶体6信号光出光方向与准连续半导体激光模块泵浦源5的泵浦光方向垂直，泵浦光照射到激光晶体6的侧表面，激光晶体的尺寸为直径3mm×68mm；

平面输出镜1与准连续半导体激光模块泵浦源5之间的泵浦光路上设有Q开关。

法拉第旋转器7和1/2λ波片8组成光隔离组件；

第一平面全反镜3、第二平面全反镜13、第一板条平面全反镜12和第二板条平面全反镜11的反射面镀信号光0度±5度高反膜，信号光反射率大于99.9%，其另一平面镀信号光0度增透膜。

第三平面全反镜10和第四平面全反镜9的反射面镀信号光45度±5度偏振反射膜，其中S波高反膜反射率大于99.9%，其中P波增透膜透过率大于99.9%，其另一平面镀信号光45度增透膜。

平面输出镜1的反射面镀信号光0度±5度部分反射率为50%，其另一平面镀信号光0度±5度增透膜。

本发明采用的准连续半导体激光模块泵浦源5为在发射波长为808nm的半导体侧面泵浦激光模块，单个泵浦光厘米巴条以三维四线的方式分布在激光晶体6的周围，三维方式指的是每维泵浦光之间的夹角为120度，每线上面分布4个泵浦光厘米巴条，激光晶体6放置在所述准连续半导体激光模块泵浦源5的泵浦光路中，激光晶体6信号光出光方向与准连续半导体激光模块泵浦源5的泵浦光方向垂直，泵浦光照射到激光晶体6的侧表面，激光晶体6为Nd：YAG晶体棒，尺寸为直径3mm×68mm，每个厘米巴条的发光点距离激光晶体6中心的距离可设计为1.5mm以上，本例采用4mm；每个厘米巴条的峰值泵浦功率为150W，共计12个厘米巴条，输出总峰值功率为1800W，在准连续半导体激光模块泵浦源5工作时，准连续半导体激光模块泵浦源5和激光晶体6都会产生大量的热，本模块采用水冷的方式使准连续半导体激光模块泵浦源5的温度保持在25度，来保证输出波长为808nm输出，通过水冷的方式带走激光晶体6的冗余热量，由于泵浦光在激光晶体6横截面的分布为梯度分布，所以由于激光晶体6对泵浦光的吸收，激光晶体6会形成一定的热透镜效应，随着泵浦功率的增加，激光晶体6形成的热透镜效应越严重；

平面输出镜1法线方向与激光晶体6光路所呈角度小于5度，大于2度，根据实际平面输出镜1反射面法线为基准±5°内保证50%部分反射率镀膜，实际选取为3度；

第一平面全反镜3法线方向与平面输出镜1的反射光路所呈夹角小于5度，大于2度，根据实际第一平面全反镜3反射面法线为基准±5°内保证99.9%反射率镀膜，实际选取为4度；

第一板条平面全反镜12法线方向与第一平面全反镜3的反射光路所呈夹角小于5度，大于2度；根据实际第一板条平面全反镜12反射面法线为基准±5°内保证99.9%反射率镀膜，实际选取为4度；

由于第二板条平面全反镜11与第一板条平面全反镜12平行，所以入射到第二板条平面全反镜11的光线与法线的夹角为4度，所以镀膜条件和第一板条平面全反镜12一样；

第二平面全反镜13法线方向与第二板条平面全反镜11的反射光路所呈夹角小于5度，大于2度；根据实际第二平面全反镜13反射面法线为基准±5°内保证99.9%反射率镀膜，实际选取为2度；

第三平面全反镜10法线方向与第二平面全反镜13的反射光路所呈夹角小于47度，大于43度；根据实际第三平面全反镜10反射面法线为基准±5°内保证99.9%反射率镀膜，实际选取为45度；

第四平面全反镜9法线方向与第三平面全反镜10的反射光路所呈夹角小于47度，大于43度；根据实际第四平面全反镜9反射面法线为基准±5°内保证99.9%反射率镀膜，实际选取为45度；

第一板条平面全反镜12反射面与第二板条平面全反镜11反射面平行，且与激光晶体6光路垂直，第一板条平面全反镜12和第二板条平面全反镜11的中心位置与激光晶体6的距离为45-55mm，选取为50mm，第一板条平面全反镜12反射面与第二板条平面全反镜11反射面之间的距离可选为大于0mm的任何距离，根据实际激光器输出激光脉冲宽度100ns的需求，选取为550mm，信号光在第一板条平面全反镜12与第二板条平面全反镜11之间多次反射，共进行了8次反射，使谐振腔长度增加了4400mm以上，在有限的空间内大幅度增加了谐振腔内的信号光再次回到激光模块获得增益的光学长度和时间；

Q开关2、偏振分光棱镜4、第三平面全反镜10和第四平面全反镜9组成激光开关系统，其中偏振分光棱镜4的胶合面与箱体14的底平面保持45度放置，保证线偏振S波信号光振荡，第三平面全反镜10和第四平面全反镜9均镀45度线偏振S波反射膜，进一步保证了线偏振S波信号光在谐振腔内振荡，平面输出镜1、Q开关2、偏振分光棱镜4放置在激光晶体6光路上， Q开关2放置在平面输出镜1与偏振分光棱镜4之间，本发明工作频率为100Hz， Q开关2可选声光Q开关或电光Q开关，本例选电光Q开关作为开关器件；Q开关2在1/2λ电压下工作，此时为关光状态，将经过Q开关的线偏振S波信号光偏转为线偏振P波，由于第三平面全反镜10和第四平面全反镜9均镀45度线偏振P波减返膜，所以谐振腔不能形成振荡，此时激光晶体棒存储能量，当Q开关2去掉1/2λ电压，使得信号光从连续光变为脉冲宽度百纳秒的脉冲光；

法拉第旋转器7和1/2λ波片8组成光隔离组件，法拉第旋转器7在1064nm的1/2λ波片8和激光晶体6之间，并放置在激光晶体6光路上，可实现谐振腔内信号光只存在逆时针或顺时针方向运行并输出激光，本例选取信号光只在谐振腔内逆时针水平输出，与入射光相向观察，通过顺时针旋转1/2λ波片8的光轴使入射到1/2λ波片8的S波信号光偏转45度并且线偏振方向在一三象限，再次经过逆时针旋转角度为45度的法拉第旋转器7，使偏转45度的线偏振光再次偏转为S波线偏振信号光，反之，在顺时针方向运行的S波线偏振信号光经过光隔离组件偏转为P波线偏振信号光，由于第三平面全反镜10和第四平面全反镜9均镀45度线偏振P波减返膜，所以谐振腔不能形成振荡；

本例中，采用总峰值功率为1800W的准连续半导体激光模块泵浦源5进行泵浦，实际工作频率在100Hz时，泵浦功率只采用了1200W，单脉冲泵浦时长为200us，实现脉冲宽度100ns、单脉冲能量60mJ的能量输出，保证输出能量稳定输出，如果泵浦功率大于1200W工作，增加了激光晶体6的热透镜效应，只有降低工作频率才能保证谐振腔稳定运行；

本发明不局限于工作频率100Hz、脉冲宽度100ns、单脉冲能量60mJ的激光输出，根据不同使用条件，谐振腔内补偿热透镜效应，改变第一板条平面全反镜12与第二板条平面全反镜11之间的距离，可实现工作频率1-1000Hz、脉冲宽度20-100ns的单脉冲能量激光输出；

凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种百赫兹百纳秒大能量激光器，包括平面输出镜、Q开关、偏振分光棱镜、准连续半导体激光模块泵浦源、激光晶体、法拉第旋转器、1/2λ波片、第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一板条平面全反镜、第二板条平面全反镜、第三平面全反镜、第四平面全反镜，其特征在于：平面输出镜、Q开关、偏振分光棱镜、准连续半导体激光模块泵浦源、激光晶体、法拉第旋转器、1/2λ波片和第四平面全反镜依次设置在所述激光晶体光路上，其中平面输出镜反射面与激光晶体相向，并相对激光晶体光路呈一夹角，

其中，所述第一平面全反镜的反射面与平面输出镜相向，并相对平面输出 镜呈一夹角，

所述第一板条平面全反镜的反射面与第一平面全反镜相向，并相对第一平面全反镜呈一夹角，

所述第二板条平面全反镜的反射面与第一板条平面全反镜的反射面相互平行相向，而且第一板条平面全反镜反射面、第二板条平面全反镜反射面分别与激光晶体光路垂直，

信号光在第一板条平面全反镜与第二板条平面全反镜之间多次反射，最后从第二板条平面全反镜射出，

第二平面全反镜，所述第二平面全反镜的反射面与第二板条平面全反镜相向，并相对第二板条平面全反镜呈一夹角，

第三平面全反镜，所述第三平面全反镜的反射面与第二平面全反镜相向，并相对第二平面全反镜呈一夹角，

第四平面全反镜，所述第四平面全反镜的反射面与第三平面全反镜相向，并相对第三平 面全反镜呈一夹角，

信号光以激光晶体中心为起点出发，经过偏振分光棱镜、Q开关到达平面输出镜，由平面输出镜反射到达第一平面全反镜，由第一平面全反镜反射到达第一板条平面全反镜，信号光在第一板条平面全反镜和第二板条平面全反镜之间多次反射最终由第二板条平面全反镜出射到达第二平面全反镜，由第二平面全反镜出射到达第三平面全反镜，由第三平面全反镜出射到达第四平面全反镜，由第四平面全反镜出射经过1/2波片、法拉第旋转器后最终回到激光晶体中心构成回路形成谐振腔，信号光从平面输出镜沿着激光晶体到平面输出镜光路方向输出。

2.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述平面输出镜与激光晶体的光路上设有偏振分光棱镜。

3.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述准连续半导体激光模块泵浦源为在发射波长为808nm的半导体侧面泵浦激光模块。

4.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述激光晶体为Nd：YAG晶体棒，激光晶体放置在准连续半导体激光模块泵浦源的泵浦光路中，激光晶体的尺寸为直径3mm×68mm。

5.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述平面输出镜与准连续半导体激光模块泵浦源之间的激光晶体光路上设有Q开关；Q开关为声光Q开关或电光Q开关。

6.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述法拉第旋转器和1/2λ波片组成光隔离组件。

7.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述第一平面全反镜、第二平面全反镜、第一板条平面全反镜和第二板条平面全反镜的反射面镀信号光0度±5度高反膜，信号光反射率大于99.9%，其另一平面镀信号光0度增透膜。

8.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述第三平面全反镜和第四平面全反镜的反射面镀信号光45度±5度偏振反射膜，其中S波高反膜反射率大于99.9%，P波增透膜透过率大于99.9%，另一平面镀信号光45度增透膜。

9.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述平面输出镜的反射面镀信号光0度±5度部分反射率为50%，其另一平面镀信号光0度±5度增透膜；平面输出镜法线方向与所述激光晶体光路所呈角度小于5度，大于2度。

10.根据权利要求1中所述的一种百赫兹百纳秒大能量激光器，其特征在于所述第一平面全反镜法线方向与所述平面输出镜射向所述第一平面全反镜的光路方向所呈夹角小于5度，大于2度；第一板条平面全反镜法线方向与所述第一平面全反镜射向所述第一板条平面全反镜的光路方向所呈夹角小于5度，大于2度；第二平面全反镜法线方向与所述第二板条平面全反镜出射至所述第二平面全反镜的光路方向呈夹角小于5度，大于2度；第三平面全反镜法线方向与所述第二平面全反镜射向所述第三平面全反镜光路方向所呈夹角小于47度，大于43度； 第四平面全反镜法线方向与所述第三平面全反镜射向所述第四平面全反镜的光路方向所呈夹角小于47度，大于43度。