CN108346971A - 一种利用电光开关控制激光输出的声光调q倍频激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，所述激光器包括第一全反镜、电光调Q晶体、布儒斯特偏振镜、折叠腔镜、声光调Q开关、LD靶条阵列、石英偏振旋转器、Nd:YAG晶体棒、第二全反镜、倍频晶体和输出镜；所述第一全反镜、电光调Q晶体、布儒斯特偏振镜和折叠腔镜同轴设置，所述折叠腔镜、声光调Q开关、LD靶条阵列、石英偏振旋转器和输出镜同轴设置，所述输出镜、倍频晶体和第二全反镜同轴设置。本发明设计采用“Z”型折叠腔，缩短设备尺寸，其中1块折叠镜作为内腔倍频激光输出镜，在声光调Q方式下保持较高光光转化效率和倍频效率。

Description

一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频固体激光器。
背景技术
在激光加工、激光雷达等应用领域中，使用声光调Q高功率QCW二极管泵浦激光器，需要频繁切换激光束输出开关状态。
声光调Q是利用光经过由超声波所调制的声光介质(通常是熔融石英材料)而形成的等效光学相位光栅时产生衍射效应的原理，当声光介质中加载超声波时，因光的衍射作用使得腔内呈高损耗低Q值状态，激光增益介质中掺杂离子上能级反转粒子数得以大量聚集，行至某个时刻，当突然撤去超声波后，衍射效应消失，可瞬时输出脉冲激光。
基于上述原理，声光调Q激光器易于实现kHz量级的准连续脉冲激光输出，但对于特殊场合下，需要激光间歇性工作时，通常通过短暂性的停止对激光器中LD泵浦模块的供电来中断激光器出光，而后又迅速加载电流，频繁重复切换电流实现激光控制。当此情况下，从电子学角度分析，激光驱动电源可能出现因为信号迅速切换后产生瞬时极高的尖峰脉冲电流，如果过流将会损坏LD泵浦模块，存在对激光器造成不可逆转损坏的潜在风险；从物理学角度分析，由于激光晶体棒的热致双折射和热透镜效应的客观存在，激光在每次通电后，激光晶体棒沿轴向和径向的热分布都有所差异，通常需要在出光一段时候后才能达到一个相对的热平衡稳态，当每次历经通电-断电-又通电时，这段热分布趋于稳态的时间势必不同，且每次都将趋于一个不同于上一次通电状态下的新的热平衡稳态，这也就导致每次输出激光的光束质量也会不一致，甚至激光的出射方向可能在中心光轴一定范围内抖动，即激光出射不平行度的不一致，尤其在高功率、高重频脉冲激光器中，可从CCD成像光斑上明显看出激光光斑图像始终呈现不规则变化，且光斑中心也会跟随浮动。
上述所述问题在某些激光精密打标、激光精细加工应用中，对某些精度要求较高的应用场合下，可能导致激光焦斑尺寸变化、或光斑位置变化，对激光加工质量带来影响；这也往往是部分激光打标设备容易出故障或者出现激光器烧毁的主要原因之一。另一方面，在军用激光成像雷达中，当涉及远距离激光主动成像时，上述问题所致使的激光光束质量和光轴不一致的问题也可能对跟踪目标或成像质量造成影响。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器。利用电光调Q晶体的电光效应，实现对激光输出与不输出的频繁快速切换控制，从而达到保护激光器并延长激光器的使用寿命的目的，同时有利于提高激光光束焦斑尺寸和位置的稳定性和一致性。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其改进之处在于，所述激光器包括第一全反镜1、电光调Q晶体2、布儒斯特偏振镜4、折叠腔镜5、声光调Q开关6、LD靶条阵列7、石英偏振旋转器8、Nd:YAG晶体棒9、第二全反镜10、倍频晶体11和输出镜12；所述第一全反镜1、电光调Q晶体2、布儒斯特偏振镜4和折叠腔镜5同轴设置，所述折叠腔镜5、声光调Q开关6、LD靶条阵列7、石英偏振旋转器8和输出镜12同轴设置，所述输出镜12、倍频晶体11和第二全反镜10同轴设置。
进一步地，所述激光器还包括λ/4波片3，所述第一全反镜1、电光调Q晶体2、λ/4波片3、布儒斯特偏振镜4和折叠腔镜5同轴设置。
进一步地，所述激光器还包括用于替换布儒斯特偏振镜4的起偏器14，所述第一全反镜1、电光调Q晶体2、起偏器14和折叠腔镜5同轴设置。
进一步地，所述激光器还包括检偏器13，所述第一全反镜1、检偏器13、电光调Q晶体2、起偏器14和折叠腔镜5同轴设置。
进一步地，所述第一全反镜1和第二全反镜10平行设置，所述折叠腔镜5和输出镜12平行设置，所述第一全反镜1、折叠腔镜5、输出镜12和第二全反镜10共同构成Z型腔，腔内所述折叠腔镜5和输出镜12的折叠角均设置为12°。
进一步地，所述腔内所述第一全反镜1和折叠腔镜5之间同轴依次放置有电光调Q晶体2、λ/4波片3和布儒斯特偏振镜4；所述布儒斯特偏振镜4与光轴成56.3°角度放置，用于产生线偏光。
进一步地，所述腔内所述折叠腔镜5和输出镜12之间同轴依次放置有声光调Q开关6、LD靶条阵列7、石英偏振旋转器8和Nd:YAG晶体棒9；所述Nd:YAG晶体棒9设置在所述LD靶条阵列7中间部位，所述Nd:YAG晶体棒9与90°旋转的石英偏振旋转器8垂直连接，所述倍频晶体11单独放置于输出镜12和第二全反镜10之间。
进一步地，两个所述LD靶条阵列7为泵浦源，对应的Nd:YAG晶体棒9采用双棒串接，并在两棒中间插入90°旋转石英偏振旋转器8。
进一步地，所述第一全反镜1和第二全反镜10为凹面镜，所述折叠腔镜5和输出镜12为平面镜。
进一步地，所述第一全反镜1、第二全反镜10和折叠腔镜5镀有1064nm高反膜；所述输出镜12内表面镀1064nm高反膜，532nm分光膜，外表面镀532nm增透膜。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
本发明设计采用“Z”型折叠腔，缩短设备尺寸，其中1块折叠镜作为内腔倍频激光输出镜，在声光调Q方式下保持较高光光转化效率和倍频效率；谐振腔内同时放置有电光调Q晶体和声光调Q开关，其中，电光调Q晶体和高压电源模块构成电光调Q开关，采用加压式实现电光调Q晶体的控制，声光调Q开关则由电声转换器、声光介质、吸声材料以及驱动电源组成，两者的驱动电源分别独立控制。
电光调Q晶体加载高压前，经过布儒斯特偏振镜和的λ/4波片前后的偏振光偏振方向相互垂直，阻止谐振腔内激光振荡，此时激光不输出；当在电光调Q晶体上加载高压后，由于电光效应的作用，偏振光振动方向旋转90°后与原来一致，腔内形成振荡，即可输出激光。因此在正常控制声光调Q开关前提下，通过人为设定切换控制加载在电光调Q晶体上的高压即可实现对激光器输出激光的高响应度、高准确度控制。
本发明可在不切断LD泵浦模块供电的情况下实现对脉冲激光输出的控制，可避免由于供电或触发信号切换瞬间可能产生的瞬时尖峰电流对LD泵浦模块的过流冲击，起到保护LD泵浦模块的作用，提高激光器可靠性，并在一定程度上延长激光器的使用寿命，尤其是对于高重频、高功率运行的脉冲激光器。
本发明通过电光调Q晶体控制激光的输出与关断，保持激光器中的LD泵浦模块在设备当前作业下始终处于供电状态，可使得晶体棒内部维持其恒定的热平衡稳态，有利于提高激光输出光束质量的稳定性和一致性。这在工业应用上，对于激光加工领域可起到提高加工精度的作用，在军事用途上，有利于提高激光成像雷达对于远距离目标的标定和侦察准确度。
为了上述以及相关的目的，下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是本发明提供的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器第二优选技术方案结构示意图；
图2是本发明提供的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器第一优选技术方案结构示意图；
图3是本发明提供的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器第三优选技术方案结构示意图；
图4是本发明提供的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器第四优选技术方案结构示意图；
图中，1-第一全反镜1；2-电光调Q晶体；3-λ/4波片；4-布儒斯特偏振镜；5-折叠腔镜；6-声光调Q开关；7-LD靶条阵列；8-石英偏振旋转器；9-Nd:YAG晶体棒；10-第二全反镜；11-倍频晶体；12-输出镜；13-检偏器；14-起偏器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
第一优选方案
如图1所示，一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，所述激光器包括第一全反镜1、电光调Q晶体2、布儒斯特偏振镜4、折叠腔镜5、声光调Q开关6、LD靶条阵列7、石英偏振旋转器8、Nd:YAG晶体棒9、第二全反镜10、倍频晶体11、输出镜12；所述第一全反镜1、电光调Q晶体2、布儒斯特偏振镜4、折叠腔镜5同轴设置，所述折叠腔镜5、声光调Q开关6、LD靶条阵列7、石英偏振旋转器8输出镜12同轴设置，所述输出镜12、倍频晶体11和第二全反镜10同轴设置。
上述技术方案中，所述激光器还包括λ/4波片3，所述第一全反镜1、电光调Q晶体2、λ/4波片3、布儒斯特偏振镜4、折叠腔镜5同轴设置。
上述技术方案中，所述激光器还包括用于替换布儒斯特偏振镜4的起偏器14，所述第一全反镜1、电光调Q晶体2、起偏器14和折叠腔镜5同轴设置。
上述技术方案中，所述激光器还包括检偏器13，所述第一全反镜1、检偏器13、电光调Q晶体2、起偏器14和折叠腔镜5同轴设置。
上述技术方案中，所述第一全反镜1和第二全反镜10平行设置，所述折叠腔镜5和输出镜12平行设置，所述第一全反镜1、折叠腔镜5、输出镜12和第二全反镜10共同构成Z型腔，腔内所述折叠腔镜5和输出镜12的折叠角均设置为12°。
上述技术方案中，所述腔内所述第一全反镜1和折叠腔镜5之间同轴依次放置有电光调Q晶体2、λ/4波片3和布儒斯特偏振镜4；λ/4波片3和布儒斯特偏振镜4与电光调Q晶体2共同作用，实现对激光器输出的控制，其中，布儒斯特偏振镜4与光轴成56.3°角度放置，用于产生线偏光。其中，电光调Q晶体2由电光调Q晶体2和高压电源模块组成，且采用加压式实现电光调Q晶体控制。
上述技术方案中，所述腔内所述折叠腔镜5和输出镜12之间同轴依次放置有声光调Q开关6、LD靶条阵列7、石英偏振旋转器8和Nd:YAG晶体棒9；所述Nd:YAG晶体棒9设置在所述LD靶条阵列7中间部位，所述Nd:YAG晶体棒9与90°旋转的石英偏振旋转器8垂直连接，所述倍频晶体11单独放置于输出镜12和第二全反镜10之间。其中，所述倍频晶体11单独可将基频光和倍频光分开，减少增益晶体对倍频光的吸收，从而提高基频光的光光转化效率。
上述技术方案中，两个所述LD靶条阵列7为泵浦源，对应的Nd:YAG晶体棒9采用双棒串接，并在两棒中间插入90°旋转石英偏振旋转器8，用于补偿由热致应力双折射和双热透镜效应引起的退偏。
上述技术方案中，所述第一全反镜1和第二全反镜10为凹面镜，所述折叠腔镜5和输出镜12为平面镜。所述第一全反镜1、第二全反镜10和折叠腔镜5镀有1064nm高反膜；所述输出镜12内表面镀1064nm高反膜，532nm分光膜，外表面镀532nm增透膜。
本发明为采用加压式，即当电光调Q晶体2上加载高压后，输出激光，撤去高压后，激光停止输出，所加高压为λ/4电压，且采用λ/4波片3和布儒斯特偏振镜4实现对腔内激光输出的控制。
本发明所涉及的利用电光调Q实现激光输出的基本原理是：当激光通过布儒斯特偏振镜后，产生p分量线偏光，当电光调Q晶体上未加载高压电源时，上述p分量线偏光往返两次经由λ/4波片后变为s分量线偏光，阻止腔内光学振荡，声光调Q开关打开后也不输出激光；当电光调Q晶体上加载λ/4波电压后，由于电光调Q晶体在一定的电场作用下会产生电光效应，此处往返经过两次引起π的相位延迟量，可使s分量线偏光又重新合成为p分量线偏光，此时腔内形成光学振荡，可输出激光。
综上所述，保持激光器供电，同时声光Q的超声场按预设频率进行控制，激光输出或中断的控制可不必通过切断激光器的供电，只要通过设定控制程序切换电光调Q晶体的高压触发信号即可实现。由此可避免因为激光驱动电源高频率切换所可能造成的对激光器LD泵浦模块的损坏，同时，由于激光器保持供电状态，激光器中晶体棒的热分布始终维持在一个固定或者相对稳定的平衡态，可保证激光的光束质量和出射光轴的一致性。
第二优选方案
如图2所示，本发明是在第一优选方案的基础上，移去λ/4波片3，其他保持不变。
同样加载λ/4电压，可实现退压式控制腔内激光输出，即当撤去电光调Q晶体2上的电压后，腔内激光输出。刚开始，当激光器通电后，腔内自发辐射光通过布儒斯特偏振镜4产生p分量线偏光，再经过加载有λ/4电压的电光调Q晶体2后，往返经过两次，相位差为π，变为s分量线偏光，未能通过布儒斯特偏振镜，腔内无法形成振荡，无激光输出；当撤去电光调Q晶体2上的高压后，腔内仍为p分量线偏光，可通过布儒斯特偏振镜，腔内形成振荡，输出激光。如此，通过编程控制电光调Q晶体2的高压，即可控制激光输出。
第三优选方案
本优选方案也采用加压式实现电光调Q晶体控制，如图3所示，区别于第一优选方案，此处采用起偏器14和检偏器13，替代第一优选方案中的λ/4波片3和布儒斯特偏振镜4，且电光调Q晶体2加压加的是λ/2电压，第一优选方案和第二优选方案中加的λ/4电压。
本优选方案中，起偏器14和检偏器13的偏振方向相互正交，当电光调Q晶体2未加载λ/2电压，经过起偏器14的线偏光无法通过检偏器13，阻止腔内振荡，此时无激光输出；当电光调Q晶体2通电加载λ/2电压后，因电光效应产生π的相位差，线偏光振动方向旋转90°，即可通过与起偏器14正交的检偏器13，腔内形成振荡，输出激光。
同样，通过编程控制电光调Q晶体2的高压，即可控制激光输出。
第四优选方案
如图4所示，本发明采用退压式，是在第三优选方案基础上去掉检偏器13，由电光调Q晶体2和起偏器14组成电光调Q开关，实现对谐振腔激光输出的控制，且区别于第三优选方案的还在于此处所加高压为λ/4电压。当经过起偏器14的线偏光往返两次通过加载有λ/4电压的电光调Q晶体2时，由于电光效应产生π的相位差使得线偏光振动方向旋转90°，未能通过起偏器14，此时腔内无法振荡，无激光输出，当撤去电光调Q晶体2上的λ/4电压，线偏光振动方向恢复初始，可通过起偏器14，腔内形成振荡，输出激光。
同样，通过编程控制电光调Q晶体2的高压，即可控制激光输出。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述激光器包括第一全反镜(1)、电光调Q晶体(2)、布儒斯特偏振镜(4)、折叠腔镜(5)、声光调Q开关(6)、LD靶条阵列(7)、石英偏振旋转器(8)、Nd:YAG晶体棒(9)、第二全反镜(10)、倍频晶体(11)和输出镜(12)；所述第一全反镜(1)、电光调Q晶体(2)、布儒斯特偏振镜(4)和折叠腔镜(5)同轴设置，所述折叠腔镜(5)、声光调Q开关(6)、LD靶条阵列(7)、石英偏振旋转器(8)和输出镜(12)同轴设置，所述输出镜(12)、倍频晶体(11)和第二全反镜(10)同轴设置。
2.如权利要求1所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述激光器还包括λ/4波片(3)，所述第一全反镜(1)、电光调Q晶体(2)、λ/4波片(3)、布儒斯特偏振镜(4)和折叠腔镜(5)同轴设置。
3.如权利要求1所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述激光器还包括用于替换布儒斯特偏振镜(4)的起偏器(14)，所述第一全反镜(1)、电光调Q晶体(2)、起偏器(14)和折叠腔镜(5)同轴设置。
4.如权利要求3所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述激光器还包括检偏器(13)，所述第一全反镜(1)、检偏器(13)、电光调Q晶体(2)、起偏器(14)和折叠腔镜(5)同轴设置。
5.如权利要求1所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述第一全反镜(1)和第二全反镜(10)平行设置，所述折叠腔镜(5)和输出镜(12)平行设置，所述第一全反镜(1)、折叠腔镜(5)、输出镜(12)和第二全反镜(10)共同构成Z型腔，腔内所述折叠腔镜(5)和输出镜(12)的折叠角均设置为12°。
6.如权利要求2所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述腔内所述第一全反镜(1)和折叠腔镜(5)之间同轴依次放置有电光调Q晶体(2)、λ/4波片(3)和布儒斯特偏振镜(4)；所述布儒斯特偏振镜(4)与光轴成56.3°角度放置，用于产生线偏光。
7.如权利要求1所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述腔内所述折叠腔镜(5)和输出镜(12)之间同轴依次放置有声光调Q开关(6)、LD靶条阵列(7)、石英偏振旋转器(8)和Nd:YAG晶体棒(9)；所述Nd:YAG晶体棒(9)设置在所述LD靶条阵列(7)中间部位，所述Nd:YAG晶体棒(9)与90°旋转的石英偏振旋转器(8)垂直连接，所述倍频晶体(11)单独放置于输出镜(12)和第二全反镜(10)之间。
8.如权利要求7所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，两个所述LD靶条阵列(7)为泵浦源，对应的Nd:YAG晶体棒(9)采用双棒串接，并在两棒中间插入90°旋转石英偏振旋转器(8)。
9.如权利要求1所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述第一全反镜(1)和第二全反镜(10)为凹面镜，所述折叠腔镜(5)和输出镜(12)为平面镜。
10.如权利要求2所述的一种利用电光开关控制激光输出的声光调Q倍频激光器，其特征在于，所述第一全反镜(1)、第二全反镜(10)和折叠腔镜(5)镀有1064nm高反膜；所述输出镜(12)内表面镀1064nm高反膜，532nm分光膜，外表面镀532nm增透膜。
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