CN108521067B - 一种可调节脉冲宽度的调q激光器 - Google Patents

一种可调节脉冲宽度的调q激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，其特征是：至少包括第一全反射镜和第二全反射镜构成谐振腔，谐振腔内包括激光介质和调Q开关，所述的谐振腔内进一步包括一个声光布拉格衍射单元，一个声光衍射输出机构，第三全反射镜，声光衍射输出机构由第三全反射镜和声光布拉格衍射单元构成，由左向右传播的激光束经过布拉格衍射单元衍射形成第一部分输出光，由右向左传播的激光束经过布拉格衍射形成第二部分激光输出，第二部分激光输出激光经过第三全反射镜反射后和第一部分输出光相汇合，构成总的输出激光，声光布拉格衍射单元构成谐振腔的激光输出率调节装置，通过调节声光衍射效率调节输出损耗率，使激光输出脉宽进行调节。

Description

一种可调节脉冲宽度的调Q激光器
技术领域
本发明涉及激光器，特别是一种可调节脉冲宽度的调Q激光器。
背景技术
扫描成像激光雷达或对空搜索激光雷达均采用高重频调Q脉冲激光进行空间扫描，以实现对目标的三维成像或发现空间目标。脉冲激光器的参数决定雷达的主要性能。激光的脉冲宽度决定测距的精度，脉宽越窄，测距精度越高；脉冲的重复频率决定激光雷达的扫描速率，扫描速率指单位时间雷达在空点所扫描的点数，提高激光器重频，有助于提高扫描速率，也即有助于提高雷达帧频和空间分辨率；脉冲能量决定雷达信噪比和作用距离，提高脉冲能量，有助于提高信噪比和作用距离。由于器件的限制，目前激光雷达通常采用脉冲宽度固定的调Q激光器。
采用单一脉宽激光器，激光雷达扫描速率的提高受到作用距离的严重制约。对一定作用距离的激光雷达，扫描速率的提升存在一个上限。以作用距离15公里的激光扫描雷达为例，其扫描速率的上限是10kHz。这时两个相邻激光脉冲的间隔为100us，恰好等于激光脉冲在空间往返所需要的时间。若扫描速率大于10kHz，则雷达发出的前一个激光脉冲可能还未回到探测器中，后一个激光脉冲已经发出。这时，当探测器接收到回波信号时，系统将无法判断它对应于哪一个发射脉冲，即系统无法建立激光回波信号与发射脉冲之间的一一对应关系。这会导致激光雷达不能正常工作。
雷达的作用距离越远，所允许的最大扫描速率则越小。对于作用距离为L的激光雷达，最大扫描速率fM满足
因此，采用现有的激光器是无法实现提升激光雷达扫描速率的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，以便为配合扫描成像激光雷达或对空搜索激光雷达实现提升激光雷达扫描速率的任务。
本发明的目的是这样实现的，一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，其特征是：至少包括第一全反射镜和第二全反射镜构成谐振腔，谐振腔内包括激光介质和调Q开关，所述的谐振腔内进一步包括一个声光布拉格衍射单元，一个声光衍射输出机构，第三全反射镜，声光衍射输出机构由第三全反射镜和声光布拉格衍射单元构成，由左向右传播的激光束经过布拉格衍射单元衍射形成第一部分输出光，由右向左传播的激光束经过布拉格衍射形成第二部分激光输出，第二部分激光输出激光经过第三全反射镜反射后和第一部分输出光相汇合，构成总的输出激光，声光布拉格衍射单元构成谐振腔的激光输出率调节装置，通过调节声光衍射效率调节输出损耗率，使激光输出脉宽进行调节。
所述的声光布拉格衍射单元至少包括高频电源、电声换能器、声光介质、吸声材料,在高频电源作用下，声光介质内传播一定波长的超声波，此时，当入射光和超声波波前的夹角θ满足布拉格条件时，会产生布拉格衍射光，布拉格衍射光和原入射光的夹角为2θ；
布拉格衍射条件为：
其中，λ为光波长，λs为超声波长,布拉格衍射的效率为：
其中Pe超声功率，H,L分别为换能器的宽度和长度，λ为入射光的波长，M2为介质的声光优值参数。
所述的谐振腔腔内振荡光由左向右传播，进入声光布拉格衍射单元，振荡光传播方向和声光布拉格衍射单元中超声波的传播方向满足布拉格衍射条件，部分振荡光通过布拉格衍射偏离传播方向，定向输出，成为输出光；此输出光为声光布拉格衍射单元的1级布拉格衍射光，其余振荡光继续传播，到达第一全反射镜，经反射后沿原路返回，又一次进入声光布拉格衍射单元，再次发生布拉格衍射，所产生的1级布拉格衍射光亦作为输出光输出；两路输出光在空间相干合成，形成激光器的总输出。
所述的1级布拉格衍射光反向传播光经过第二全反射镜控制，实现和1级布拉格衍射光正向传播光的合成。
所述的1级布拉格衍射光正向传播光的通过第一全反射镜反射，与反向传播光的1级布拉格衍射光合成，第二全反射镜用来改变总输出光的传播方向，设声光衍射效率为η，谐振腔的输出损耗率为
T＝2η-η2
通过改变超声波的功率调节η，实现对输出损耗率的调节。
本发明的优点是：采用脉宽可调谐激光器，可以有效突破作用距离对雷达扫描速率的限制。突破这个限制的方法之一就是循环改变激光脉冲的宽度，利用脉冲宽度对回波信号进行辅助识别。对于激光有n个不同的脉冲宽度依次循环，则对特定的作用距离，雷达所允许的最大扫描速率将变为原来的n倍。有：
有鉴于此，本发明可以输出多种不同宽度脉冲的高重复频率、窄脉冲宽度的固体激光器技术。以实现大幅度提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明:
图1是本发明实施例结构示意图；
图2是抽运条件不变时脉冲宽度随谐振腔损耗率变化而变化(抽运条件不变)；
图3声光布拉格衍射原理图；
图4是残留上能级粒子数与初始上能级粒子数的比率曲线；
图5某特定参数激光器脉冲宽度和谐振腔损耗率的关系曲线(初始上能级粒子数不变)。
图6是反向传播光的1级布拉格衍射光经过第二全反射镜2控制时的声光衍射输出。
图7是正向传播光的1级布拉格衍射光通过第一全反射镜1反射时的声光衍射输出。
图中1、第一全反射镜；2、第二全反射镜；3、第三全反射镜；4、激光介质；5、调Q开关；6、调Q激光器；7、声光布拉格衍射单元；8、声光衍射输出机构；9、谐振腔。
具体实施方式
如图1所示，一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，至少包括第一全反射镜1和第二全反射镜2构成谐振腔9，谐振腔9内包括激光介质4和调Q开关5，所述的谐振腔内进一步包括一个声光布拉格衍射单元7，一个声光衍射输出机构8，第三全反射镜3，声光衍射输出机构8由第三全反射镜3和声光布拉格衍射单元7构成，由左向右传播的激光束经过布拉格衍射单元衍射形成第一部分输出光，由右向左传播的激光束经过布拉格衍射形成第二部分激光输出，第二部分激光输出激光经过第三全反射镜3反射后和第一部分输出光相汇合，构成总的输出激光，声光布拉格衍射单元7构成谐振腔的激光输出率调节装置，通过调节声光衍射效率调节输出损耗率，使激光输出脉宽进行调节。
本发明利用声光布拉格衍射装置构建激光器的输出系统，通过调节声光衍射效率改变谐振腔的输出损耗率，由此实现对调Q激光器脉冲宽度的调节。
声光布拉格衍射，利用超声波对激光的布拉格衍射效应实现激光输出。其结构见图3。
声光布拉格衍射单元至少包括高频电源701、电声换能器702、声光介质703、吸声材料704,在高频电源701作用下，声光介质703内传播一定波长的超声波，此时，当入射光705和超声波波前的夹角θ满足布拉格条件时，会产生布拉格衍射光706，布拉格衍射光706和原入射光的夹角为2θ。
布拉格衍射条件为：
其中，λ为光波长，λs为超声波长,布拉格衍射的效率为：
其中Pe超声功率，H,L分别为换能器的宽度和长度，λ为入射光的波长，M2为介质的声光优值参数。
由计算式(2)可以看出，通过调整超声波的功率Pe即可以实现对衍射效率的调整。在本发明中，激光器振荡光的往返输出损耗率和声光衍射效率之间的关系为
T＝2η-η2 (3)
由公式(2)和(3)可见，通过调整声光介质中超声波的功率即可以实现对声光衍射效率的调整，从而实现对激光器输出损耗率的调整。
声光衍射器件用于谐振腔实现对腔内光场的输出，在传统的声光衍射腔倒空技术中已经用到。在腔倒空情形，声光衍射器在腔内光子数达到极大值时开始工作，工作时的衍射效率接近100％，对应的输出损耗率也接近100％，在极短的时间内将腔内光子全部输出。
在本发明中，激光器开启后声光衍射器件一直处于工作状态，它的功能是代替激光器的输出镜，为谐振腔提供恰当的可以实时调整的输出损耗。
这里虽然和腔倒空情形下的应用目的完全不同，但所依据的基本原理相同。
如图2所示，本发明以Nd:YAG调Q激光器进行说明，分析抽运条件不变的情况下，改变谐振腔损耗率(输出损耗率为其主要部分)，激光脉冲宽度的变化情况。
用Nd:YAG激光器四能级系统的速率方程进行分析，仅考虑调Q开关打开以后的情形，假定均匀抽运，这时速率方程简化为：
它反映调Q开关打开以后，腔内光子数和上能级粒子数的变化规律。其中，Φ表示腔内光子总数，N表示上能级粒子总数，τc表示腔内光子寿命，η表示介质折射率，L表示介质长度，S表示振荡光截面，σ受激辐射截面，t表示时间。第一个方程表示光子总数随时间增长情况，dΦ＝0可求出阈值上能级粒子数：
速率方程组(4)中两式相除，并积分，得到任意时刻腔内光子数和上能级粒子数间的关系(6)，其中Ni表示初始上能级粒子数：
令腔内光子数为0，得到脉冲结束时的残留上能级粒子数Ne所满足的方程：
由这个方程经过数值计算，获得残留上能级粒子数变化曲线，见图4。图中纵坐标为残留上能级粒子数与初始上能级粒子的比值Ne/Ni，横坐标为阈值上能级粒子数和初始上能级粒子数的比值Nt/Ni。横坐标取值小于0.25，是调Q激光器的常见情形。
由图4可以看出，只要Nt/Ni不是很大(这是调Q激光器常见情况)，残留上能级粒子数则远远小于初始上能级粒子数。近似认为初始上能级粒子全部跃迁转化为激光，脉冲能量为Ni hv
式(6)中，当N＝Nt时腔内光子数达到极大值，
图4是残留上能级粒子数与初始上能级粒子数的比率曲线：通常情况下，残留上能级粒子数远小于初始上能级粒子数，此时瞬时输出功率达到峰值：
利用峰值功率和脉冲能量，可以近似求出脉冲宽度(半宽度)：
以β表示谐振腔的往返损耗率，l表示单程光程，c表示光速，有：
由式(5)、(9)和(10)，可计算初始上能级粒子数Ni不变时，改变损耗β，脉冲宽度的变化情况。图5是对某特定参数激光器计算得到的曲线。
可见，对Nd：YAG调Q激光器，初始上能级粒子数保持不变时(即抽运条件不变)，改变输出损耗(谐振腔损耗的主要部分)，即可以实现对脉冲宽度的调谐。且通常情况下(Nt/Ni＜0.25)，脉冲的能量近似不变。
用来产生激光输出的谐振腔损耗，称为谐振腔的输出损耗或有用损耗。常规激光器，通常谐振腔采用部分反射、部分透射的光学镜片实现激光能量的输出，其输出损耗率一般为镜片的透过率(透射方式输出时)或反射率(反射方式输出时)。这种输出损耗率不能实时调节。
脉冲宽度随谐振腔损耗率变化,通过对激光器输出损耗率的实时调节,实现输出激光脉冲宽度调节可通过如下两种结构方案实现，见图6和图7。
图6和图7基本原理相同。腔内振荡光由左向右传播，进入声光布拉格衍射单元，振荡光传播方向和声光布拉格衍射单元中超声波的传播方向满足布拉格衍射条件，于是部分振荡光通过布拉格衍射偏离传播方向，定向输出，成为输出光。此输出光为声光布拉格衍射单元的1级布拉格衍射光。其余振荡光继续传播，到达第一全反射镜1，经反射后沿原路返回，又一次进入声光布拉格衍射单元，再次发生布拉格衍射，所产生的1级布拉格衍射光亦作为输出光输出。两路输出光在空间相干合成，形成激光器的总输出。
图6和图7的差别体现在两路输出光的合成方式上。
图6中，反向传播光的1级布拉格衍射光经过第二全反射镜2控制，实现和正向传播光的1级布拉格衍射光合成。
图7中，正向传播光的1级布拉格衍射光通过第一全反射镜1反射，与反向传播光的1级布拉格衍射光合成，第二全反射镜2用来改变总输出光的传播方向。设声光衍射效率为η，则可以近似推算谐振腔的输出损耗率(往返)为
T＝2η-η2
通过改变超声波的功率调节η，即可以实现对输出损耗率的调节。
本发明的优点是：采用脉宽可调谐激光器，可以有效突破作用距离对雷达扫描速率的限制。突破这个限制的方法之一就是循环改变激光脉冲的宽度，利用脉冲宽度对回波信号进行辅助识别。对于激光有n个不同的脉冲宽度依次循环，则对特定的作用距离，雷达所允许的最大扫描速率将变为原来的n倍。有：
有鉴于此，本发明可以输出多种不同宽度脉冲的高重复频率、窄脉冲宽度的固体激光器技术。以实现大幅度提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率。

Claims (4)

1.一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，其特征是：至少包括第一全反射镜(1)和第二全反射镜(2)构成谐振腔(9)，谐振腔(9)内包括激光介质(4)和调Q开关(5)，所述的谐振腔内进一步包括一个声光布拉格衍射单元(7)，一个声光衍射输出机构(8)，第三全反射镜(3)，声光衍射输出机构(8)由第三全反射镜(3)和声光布拉格衍射单元(7)构成，由左向右传播的激光束经过布拉格衍射单元衍射形成第一部分输出光，由右向左传播的激光束经过布拉格衍射形成第二部分激光输出，第二部分激光输出激光经过第三全反射镜(3)反射后和第一部分输出光相汇合，构成总的输出激光，声光布拉格衍射单元(7)构成谐振腔的激光输出率调节装置，通过调节声光衍射效率调节输出损耗率，使激光输出脉宽进行调节；所述的谐振腔(9)腔内振荡光由左向右传播，进入声光布拉格衍射单元(7)，振荡光传播方向和声光布拉格衍射单元中超声波的传播方向满足布拉格衍射条件，部分振荡光通过布拉格衍射偏离传播方向，定向输出，成为输出光；此输出光为声光布拉格衍射单元的1级布拉格衍射光，其余振荡光继续传播，到达第一全反射镜(1)，经反射后沿原路返回，又一次进入声光布拉格衍射单元，再次发生布拉格衍射，所产生的1级布拉格衍射光亦作为输出光输出；两路输出光在空间相干合成，形成激光器的总输出。
2.根据权利要求1所述的一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，其特征是：所述的声光布拉格衍射单元(7)至少包括高频电源(701)、电声换能器(702)、声光介质(703)、吸声材料(704),在高频电源(701)作用下，声光介质(703)内传播一定波长的超声波，此时，当入射光(705)和超声波波前的夹角θ满足布拉格条件时，会产生布拉格衍射光(706)，布拉格衍射光(706)和原入射光的夹角为2θ；
布拉格衍射条件为：
其中，λ为光波长，λs为超声波长,布拉格衍射的效率为：
其中Pe超声功率，H,L分别为换能器的宽度和长度，λ为入射光的波长，M2为介质的声光优值参数。
3.根据权利要求1所述的一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，其特征是：所述的1级布拉格衍射光反向传播光经过第二全反射镜(2)控制，实现和1级布拉格衍射光正向传播光的合成。
4.根据权利要求1所述的一种可调节脉冲宽度的调Q激光器，其特征是：所述的1级布拉格衍射光正向传播光的通过第一全反射镜(1)反射，与反向传播光的1级布拉格衍射光合成，第二全反射镜(2)用来改变总输出光的传播方向，设声光衍射效率为η，谐振腔的输出损耗率为
T＝2η-η2
通过改变超声波的功率调节η，实现对输出损耗率的调节。
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