CN108767639B - 一种可输出单纵模激光束的激光器及其出光控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系统的抗干扰能力强，能量输出稳定度高，不受泵浦氙灯的老化而影响单纵模效果的输出单纵模激光束的激光器及其出光控制方法，该激光器沿激光传输方向依次设置有全反射镜、小孔光阑、调Q组件、偏振片、第一四分之一波片、激光增益介质、第二四分之一波片和输出选模组件；所述调Q组件为被动调Q晶体、带有光反馈控制电路的加压式光电Q开关、带有光反馈控制电路的退压式光电Q开关中的任意一种。本发明中氙灯泵浦激光器输出的单纵模激光能量要较半导体泵浦的能量高近百倍，在能量放大时较容易，有很强的技术优势，采用选模输出组件可使谐振腔内的纵模数量急剧减小，落在增益介质荧光谱线内的纵模数更少，因而有利于单纵模形成。

Description

一种可输出单纵模激光束的激光器及其出光控制方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种可输出单纵模激光束的激光器及其出光控制方法。

背景技术

在很多科研应用和医疗应用中，比如SBS脉冲压缩、生物光谱分析都需要单纵模激光。以往的半导体端泵短腔单纵模种子源往往输出能量过小，一般为几十uJ到几百uJ，需多级放大才能满足要求；但高倍率的放大又容易自发辐射受激放大、造成线宽加大、模式失调等一系列问题，为此研发高质量大能量的单纵模激光器就十分有意义。

泵浦源为氙灯泵浦，氙灯泵浦源的峰值功率远远高于半导体泵浦，在低重频大能量激光器上有着半导体泵浦无法代替的优势。

近几年来，百皮秒激光器在激光美容行业异常火爆，因百皮秒激光与皮肤相互作用时，不仅峰值功率提高近10倍，还增加声光冲击波作用，大大提高击碎色素颗粒的能力。获得百皮秒脉冲的技术路线主要有锁模技术、短腔技术、斩波技术及布拉格光栅压缩法、SBS脉冲压缩法。锁模技术一般利用锁模元件获得短于1纳秒的脉冲，但锁模技术调试复杂、稳定性差、单脉冲能量低、维护不方便；短腔技术一般采用LD泵浦薄片晶体，谐振腔非常短、光束质量比较差、且对冷水温控要求高；斩波技术利用快速光电开关对纳秒的调Q激光进行切削，实现短脉冲输出，这种技术要求Q开关的开关速度非常高、驱动电路响应速度足够快、同步精度特别精准。若要实现皮秒脉宽，三者的累计误差要小于1纳秒，这种技术实现难度很大；布拉格光栅压缩法常应用飞秒激光器中，用此技术将飞秒激光展宽到皮秒，进行能量放大后，在用此技术压缩到飞秒脉宽。若用此技术的实现通常需要多个布拉格光栅，但光栅造价很高、且大能量容易损坏，是此技术的瓶颈。而SBS脉冲压缩办法将单纵模纳秒脉宽的激光注入到SBS介质中，产生百皮秒脉宽。由于SBS的发生需要注入激光能量达到其阈值以上，因此对种子源输出的能量有很高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光器连续输出单纵模脉冲的几率达到100％、系统的抗干扰能力强，能量输出稳定度高，不受泵浦氙灯的老化而影响单纵模效果的输出单纵模激光束的激光器及其出光控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器，该激光器沿激光传输方向依次设置有全反射镜、小孔光阑、调Q组件、偏振片、第一四分之一波片、激光增益介质、第二四分之一波片和输出选模组件；

所述激光器还具有一泵浦源，所述泵浦源输出的能量由所述激光增益介质吸收、并形成为反转粒子数，且所述泵浦源为氙灯泵浦源；

所述全反射镜和所述输出选模组件组成谐振腔，且所述全反射镜为1064nm全反射镜；

所述调Q组件为带有光反馈控制电路的加压式光电Q开关、带有光反馈控制电路的退压式光电Q开关中的任意一种。

当所述调Q组件为带有光反馈控制电路的加压式光电Q开关时，所述带有光反馈控制电路的加压式光电Q开关包括可饱和吸收体、光电Q开关、以及后置四分之一波片；

当所述调Q组件为带有光反馈控制电路的退压式光电Q开关时，所述带有光反馈控制电路的退压式光电Q开关包括光电Q开关和前置可饱和吸收体；

光反馈控制电路包括；

沿所述偏振片的反射光方向设置的PIN光电探测器；

比较放大电路，所述比较放大电路的输入端与所述PIN光电探测器的输出端连接；

Q开关驱动电路，所述Q开关驱动电路的输入端与所述比较放大电路的输出端连接，所述Q开关驱动电路的输出端与所述光电Q开关的输入端连接；

延时电路，所述延时电路的输出端与所述Q开关驱动电路的输入端连接；以及

时序控制触发电路，所述时序控制触发电路的输出端与所述延时电路的输入端连接，所述时序控制触发电路的输出端与泵浦源控制连接；

该激光器的出光控制方法具体包括以下步骤：

S1、时序控制触发电路输出触发信号signal-1至泵浦源，泵浦源接收该signal-1信号后开始泵浦，一个泵浦周期的持续时间为T，其中，70μs≤T≤300μs；

S2、时序控制触发电路输出signal-1的同时，通过延时电路输出延时为T1的同步触发信号signal-2，该同步触发信号signal-2发送至Q开关驱动电路中的预激光电路，启动预激光过程，其中，预激光启动时刻为t1，结束时刻为t2，预激光持续时间为T2＝t2-t1，其中，5uS≤T2≤230uS，该预激光建立过程为：

S201、来自于偏振片反射的竖直振荡S光经PIN光电探测器转化为电信号，该电信号经比较放大电路处理后直接控制Q开关驱动电路输出的预激光电压值；

S202、Q开关驱动电路通过输出不同电压值来自动控制光电Q开关的开通量；

S203、预激光结束时刻t2与泵浦周期同步结束，该泵浦周期为T＝T1+T2；

S3、预激光过程中一个泵浦周期结束时，Q开关驱动电路接收到与signal-1同步输出的经延时电路延时T1+T2的触发信号signal-3，瞬间增加/退去光电Q开关两端电压，光电Q开关打开，使谐振腔增益高于损耗，输出单纵模激光束。

进一步的，所述光电Q开关为双电极光电Q开关或三电极光电Q开关。

进一步的，所述输出选模组件为单片的标准具、三片等间隔的标准具、输出镜与倾斜的标准具的组合中的任意一种。

进一步的，所述标准具为两面相互平行的镜片，所述镜片的厚度为2-18mm，且所述标准具的面型厚度变化小于30nm。

进一步的，所述输出选模组件为三片等间隔的标准具时，相邻所述标准具之间具有间隔环，该间隔环的材质为殷钢，且相邻所述标准具之间的间隔距离为8-25mm。

在上述技术方案中，本发明提供的一种可输出单纵模激光束的激光器及其出光控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明中氙灯泵浦激光器输出的单纵模激光能量要较半导体泵浦的能量高近百倍，在能量放大时较容易，有很强的技术优势；

2、采用选模输出组件可使谐振腔内的纵模数量急剧减小，落在增益介质荧光谱线内的纵模数更少，因而有利于单纵模形成，此外本发明中所采用的单片标准具组成的谐振反射器优点为简单经济，节省空间，抗损伤阈值更高；腔内倾斜放置标准具具有谱线透过率率更尖锐和多片标准具组成的谐振反射器优点在于产生的自由光谱更宽，谱线反射率更尖锐，形成单纵模线宽更窄；

3、采用带有光反馈控制电路的加压式/退压式光电Q开关组件。光反馈控制电路可实时监测“预激光”期间谐振腔内的光强，保证此光强既不能形成激光输出又可形成振荡，且在振荡中建立单纵模振荡；光反馈的另一个好处是激光器永远不受泵浦源的衰减而影响单纵模的形成几率；

4、在激光器内加入可饱和吸收体。可饱和吸收体的特性为对光强较弱的荧光衰减大，对光强较强的荧光衰减小，在“预激光”期间可使单纵模更快更稳定的建立。可饱和吸收体本身也有很大程度的“预激光”作用；

5、增益介质两侧加入两个四分之一波片。两个波片可使工作物质内振荡的光为圆偏振光，消除“空间烧孔”效应。有利于单纵模形成；

6、谐振腔内插入小孔光阑。小孔光阑起到限模作用，基膜几乎不损耗，形成振荡，高阶横模损耗大不能振荡，基横模有利于单纵模振荡形成。基横模光斑均匀度最好、发散角最小。加入小孔光阑后脉宽也会降低；

7、谐振腔长足够短。谐振腔腔长为12-15cm左右，短的腔长也使纵模数量降低，同时短有利于降低脉宽，是2.5-3ns脉宽种子光输出的必要保证，普通的调Q激光器的脉宽为8ns-20ns；

8、本发明中采用三电极Q开关，相当于两个Q开关的串联，其中一个电极为公用电极，公用电极和一个电极两端加Q开关的正常驱动电压，公用电极和另一电极两端加Q开关的“预激光”电压，这样可简化Q驱动电路的控制；

9、本发明中采用的双电极Q开关器件结构简单，节省空间，成本更低。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的调Q组件为光电调Q晶体及光反馈控制电路的整体光路结构示意图；

图2-a是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的输出选膜组件的第一种结构示意图；

图2-b是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的输出选膜组件的第二种结构示意图；

图2-c是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的输出选膜组件的第三种结构示意图；

图3是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的调Q组件为被动调Q晶体的整体光路结构示意图；

图4是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的带有光反馈控制电路的整体光路结构示意图；

图5-a是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的加压式光电Q开关组件的第一种结构示意图；

图5-b是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的加压式光电Q开关组件的第二种结构示意图；

图5-c是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的退压式光电Q开关组件的第一种结构示意图；

图5-d是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的退压式光电Q开关组件的第二种结构示意图；

图6是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的光反馈控制电路原理框图；

图7-a是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的出光控制方法流程图一；

图7-b是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的出光控制方法流程图二；

图8是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的光电Q开关的三电极结构示意图；

图9-a是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的光电Q开关为三电极时加压式电压波形图；

图9-b是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的加压式光电Q开关的预激光过程的电压波形图；

图9-c是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的常规Q驱动电压波形图；

图10-a是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的光电Q开关为三电极时退压式电压波形图；

图10-b是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的退压式光电Q开关的预激光过程的电压波形图；

图10-c是本发明公开的一种可输出单纵模激光束的激光器的常规Q驱动电压波形图。

附图标记说明：

1、全反射镜；2、小孔光阑；3、调Q组件；4、偏振片；5、第一四分之一波片；6、激光增益介质；7、泵浦源；8、第二四分之一波片；9、输出选膜组件；

301、被动调Q晶体；302、光电Q开关；303、光反馈控制电路；

30201-30202-30203、电极引脚；

3031、PIN光电探测器；3032、比较放大电路；3033、Q开关驱动电路；3034、时序控制触发电路；3035、延时电路；

901、标准具。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

参见图1所示；

本发明的一种可输出单纵模激光束的激光器，该激光器沿激光传输方向依次设置有全反射镜1、小孔光阑2、调Q组件3、偏振片4、第一四分之一波片5、激光增益介质6、第二四分之一波片8和输出选模组件9；

另外，本发明的激光器还具有一泵浦源7，泵浦源7输出的能量由激光增益介质6吸收、并形成为反转粒子数，且泵浦源7为氙灯泵浦源；其中，上述的全反射镜1和输出选模组件9组成谐振腔，且全反射镜1为1064nm全反射镜；

更具体的，上述的调Q组件3为被动调Q晶体301、带有光反馈控制电路303的加压式光电Q开关、带有光反馈控制电路303的退压式光电Q开关中的任意一种。其中，光反馈检测电路303用于实际监控谐振腔内的光强，自动调节“预激光”电压。

如图2a-2c所示，图1中的输出选膜组件9分别为图2-a中的单片标准具901、图2-b中的多片等间隔标准具901以及图2-c中的输出镜加倾斜标准具901组合，每种标准具901均为两片相互平行的镜片(平面)，而镜片厚度为2-18mm，面型厚度变化小于30nm，材料为K9玻璃、蓝宝石、石英等材料，多片间隔环材料为殷钢材料，间隔距离为8-25mm。采用输出选模组件可使谐振腔内的纵模数量急剧减小，落在增益介质荧光谱线内的纵模数更少，因而有利于单纵模形成。另外，上述的小孔光阑2的直径为0.5-2.2mm。激光增益介质6为掺杂浓度为1.1％的Nd：YAG晶体，长度为40-110mm，直径为3-6mm，调Q晶体材料可以为KD*P、Li：NbO3、BBO晶体中任意一种。

优选的，调Q组件3为被动调Q晶体301时，被动调Q晶体301为Cr：YAG可饱和吸收体；其中，被动调Q晶体301的初始透过率为T＝4％～80％。

当调Q组件3为带有光反馈控制电路303的加压式光电Q开关时，带有光反馈控制电路303的加压式光电Q开关包括可饱和吸收体、光电Q开关302、以及后置四分之一波片。

当调Q组件3为带有光反馈控制电路303的退压式光电Q开关时，带有光反馈控制电路303的退压式光电Q开关包括光电Q开关302和前置可饱和吸收体。

另外，作为优选的实施方式：上述的光电Q开关302为双电极光电Q开关或三电极光电Q开关。

其中，光反馈控制电路303包括；

沿偏振片4的反射光方向设置的PIN光电探测器3031；

比较放大电路3032，比较放大电路3032的输入端与PIN光电探测器3031的输出端连接；

Q开关驱动电路3033，Q开关驱动电路3033的输入端与比较放大电路3032的输出端连接，Q开关驱动电路3033的输出端与光电Q开关302的输入端连接；

延时电路3035，延时电路3035的输出端与Q开关驱动电路3033的输入端连接；以及

时序控制触发电路3034，时序控制触发电路3034的输出端与延时电路3035的输入端连接，时序控制触发电路3034的输出端与泵浦源7控制连接。

实施例一：

图1中所示的调Q组件3中的一种可以是图3中所示的被动调Q晶体301，被动调Q晶体301优选为可饱和吸收体Cr：YAG(可饱和吸收体又称饱和吸收体，饱和吸收体(saturableabsorber)是激光谐振腔内调Q技术中使用的一种开关晶体材料。饱和吸收体对微光的吸收系数随入射光强增大而减小，当达到饱和值时对激光呈现透明，利用其这种饱和吸收特性对激光腔内的损耗(Q值)进行调制，并发射脉冲，产生的脉冲宽度在几纳秒甚至几十皮秒量级。)，其初始透过率T＝4％-80％。被动调Q晶体301所构成的激光器结构包括延光束传输方向依次设置的1064nm全反射镜1、小孔光阑2、被动调Q晶体301、偏振片4、第一四分之一波片5、激光增益介质6、泵浦源7、第二四分之一波片8、输出选模组件9组成，其中选模组件9可以为如图2a-2c中所示的任意一种选模组件。

被动调Q方式下激光器输出光束的工作过程为：泵浦源7输出能量，激光增益介质6吸收所述泵浦源7输出的能量后形成反转粒子数，从激光增益介质6中自发辐射输出的光为非相干光，依次经过第一四分之一波片5和偏振片4，竖直振荡的S光被偏振片4反射出腔外，水平振荡的p光经过偏振片4起振，此时荧光较少，由于可饱和吸收体自身特性，此时其吸收系数较大，少量的荧光被可饱和吸收体301吸收，不能形成振荡。泵浦源7继续对激光增益介质6泵浦，腔内荧光变强，可饱和吸收体(被动调Q晶体301)吸收系数变小，当泵浦源7提供能量使增益介质6中反转粒子数达到最大值，荧光数量达到一定值时，可饱和吸收体被“漂白”透明，激光透过可饱和吸收体，经过小孔光阑2、1064nm全反射镜1反射，再次经过可饱和吸收体301，偏振态仍为P偏振态，可自由通过偏振片4，再次经过第一四分之一波片5后激光偏振态变为圆偏振光，继续经过激光增益介质6时形成受激辐射，经过第二四分之一波片8后，激光再次变为线偏振光，部分光经输出选模组件9反射，为谐振腔提供正反馈，继续振荡，另一部分光输出腔外，形成激光输出。

具体实施方式二：

图1中调Q组件3还可以为图4中所示带有光反馈控制电路303的光电Q开关302组件，带有光反馈控制电路303的光电Q开关302组件所构成的激光器结构包括延光束传输方向依次设置的1064nm全反射镜1、小孔光阑2、光电Q开关302组件、光反馈控制电路303、偏振片4、第一四分之一波片5、激光增益介质6、泵浦源7、第二四分之一波片8、输出选模组件9组成，其中输出选模组件9为如图2a-2c中所示的任意一种选模组件。

其中，光电Q开关302组件可以为带有光反馈控制电路303的加压式光电Q开关或带有光反馈控制电路303的退压式光电Q开关，加压式光电Q开关具有如下两种组合结构第一种方式为如图5-a所示的可饱和吸收体、双电极光电Q开关、后置四分之一波片组合方式，第二种方式如图5-b所示的可饱和吸收体、三电极光电Q开关、后置四分之一波片组合方式。

退压式光电Q开关的具有以下两种方式：第一方式为如图5-c所示的可饱和吸收体后放置双光电极Q开关，第二种方式为如图5-d所示的可饱和吸收体后放置三光电极Q开关。

光反馈控制电路303结构原理框图如图6所示，光反馈控制电路303由PIN光电探测器3031、比较放大电路3032、Q开关驱动电路3033、时序控制触发电路3034以及延时电路3035组成，其中，PIN光电探测器3031沿偏振片4的反射光方向设置，比较放大电路3032的输入端与PIN光电探测器3031的输出端相连，输出端与Q开关驱动电路3033的输入端相连；Q开关驱动电路3033输出端与光电Q开关302的输入端相连，输入端分别与比较放大电路3032的输出端及延时电路3035的输出端相连；延时电路3035的输入端与时序控制触发电路3034的输出端相连，输出端与Q开关驱动电路3033相连，时序控制触发电路3034的输出端与泵浦源7相连。

实施例三：

本实施例还公开了该可输出单纵模激光束的激光器的出光控制方法，具体包括如下步骤：

S1、时序控制触发电路3034输出触发信号signal-1至泵浦源7，泵浦源7接收该signal-1信号后开始泵浦，一个泵浦周期的持续时间为T，其中，70μs≤T≤300μs；

S2、时序控制触发电路3034输出signal-1的同时，通过延时电路输出延时为T1的同步触发信号signal-2，该同步触发信号signal-2发送至Q驱动中的预激光电路，启动预激光过程，其中，预激光启动时刻为t1，结束时刻为t2，预激光持续时间为T2＝t2-t1，其中，5uS≤T2≤230uS，该预激光建立过程为：

S201、来自于偏振片4反射的竖直振荡S光经PIN光电探测器3031转化为电信号，该电信号经比较放大电路3032处理后直径控制Q开关驱动电路3033输出的预激光电压值；

S202、Q开关驱动电路3033通过输出不同电压值来自动控制光电Q开关302的开通量；

S203、预激光结束时刻t2与泵浦周期同步结束，该泵浦周期为T＝T1+T2；

S3、预激光过程中一个泵浦周期结束时，Q开关驱动电路3033接收到与signal-1同步输出的经延时电路延时T1+T2的触发信号signal-3，瞬间增加/退去光电Q开关302两端电压，光电Q开关302谐振腔增益高于损耗，输出单纵模激光束。

另外，预激光产生的具体过程为:如图4及图6所示，泵浦源7输出能量，激光增益介质6吸收泵浦源7输出的能量后形成反转粒子数，从激光增益介质6中自发辐射输出的光为非相干光，依次经过第一四分之一波片5和偏振片4，竖直振荡的s光被偏振片4反射出腔外，水平振荡的p光经过偏振片4起振，竖直振荡的s光打在PIN光电探测器3031上，光反馈系统启动，光电Q开关302两端的电压变为受光强控制的变化电压，PIN光电探测器3031将光信号转为电压信号Vi并放大后输出给比较放大电路3032，与比较放大电路3032内设基准电压值V进行比较，如Vi<V或Vi>V，Q开关驱动电路3033根据光强自动调节光电Q开关302的“开通量”，光强越弱，光电Q开关302的“开通量”越大，光强越强，光电Q开关302的“开通量”越小，直至Vi＝V，从而控制谐振腔内的振荡荧光强弱，形成控制闭环。手动调节比较放大电路3032中的电位调节器可调节基准电压V，使腔内振荡的光强保持合理的强度，此过程即为“预激光”过程。此处PIN光电探测器3031接收的光强度稳定在即能保证谐振腔内单纵模的建立，又要使“预激光”期间不输出激光。

具体调节方法：

1、保证“预激光”期间不输出激光：关闭Q开关驱动电路3033中t2时刻的触发信号，用能量计检测激光器的输出能量，若能量计示数为0，则说明“预激光”期间不输出激光；若能量计示数不为0，则需要手动调节比较放大电路3032的电位器，减小V值，使“预激光”期间谐振腔中的振荡稳定时的光强降低；

2、单纵模的检验方法：用PIN光电探测器3031和示波器探测种子激光器输出的激光波形，若波形光滑，则输出频率单一，即为单纵模；若种子激光器输出激光波形为锯齿状，则说明种子激光器输出的光束是多纵模输出，此时应手动调节比较放大电路3032中的电位器，增大V值，使“预激光”期间谐振腔中的振荡稳定时的光强增强，保证光电Q开关302打开前，单纵模已在谐振腔内形成振荡。

光电Q开关302为三电极情况下的电压波形：

当光电Q开关为三电极情况下的电压波形，具体请参考图9的三电极的加压式电压波形及图10中的退压式电压波形两种情况，三电极光电Q开关结构如图8所示，其具有三个引脚电极30201、30202、30203，三电极光电Q开关相当于两个双电极Q开关的串联，其中30201、30202电极引脚控制常规Q开关驱动电路，30202、30203电极引脚控制预激光电路部分。

图9-a中的加压式电压波形由图9-b及图9-c中组成，图9-b中0～t1时刻光电Q开关302闭合，其两端电压为0，t1时刻预激光过程建立，预激光过程中光电Q开关302的30202、30203电极引脚的两端电压为变化的正向电压数值，其范围在0-1000V之间，t2时刻一个泵浦周期T结束，预激光过程结束，预激光持续时间为t2-t1。图9-c中，t2时刻光电Q开关302的30201、30202电极引脚瞬间加压，光电Q开关302瞬间打开，其30201、30203电极引脚的两端电压可达5000-6000V，谐振腔损耗值高于阈值，实现单横单纵模种子激光光束的输出。

图10-a中的加压式电压波形由图10-b及图10-c中组成，图10-b中0～t1时刻光电Q开关302闭合，其30201、30202电极引脚的两端电压为3400V左右，光电Q开关302的30202、30203电极引脚无电压，t1时刻预激光过程建立，预激光过程中光电Q开关302的30202、30203电极引脚的两端电压为变化的反向电压数值，其范围在0～-1000V之间，t2时刻一个泵浦周期T结束，预激光过程结束，预激光持续时间为t2-t1。图10-c中，t2时刻光电Q开关302的30201、30202电压瞬间降低至反向负电压，光电Q开关302瞬间打开，其两端电压可达-2000V左右，谐振腔损耗值高于阈值，实现单横单纵模种子激光光束的输出。

在上述技术方案中，本发明提供的一种可输出单纵模激光束的激光器及其出光控制方法，具有以下有益效果：

1、本发明中氙灯泵浦激光器输出的单纵模激光能量要较半导体泵浦的能量高近百倍，在能量放大时较容易，有很强的技术优势；

2、采用输出选模组件9可使谐振腔内的纵模数量急剧减小，落在增益介质荧光谱线内的纵模数更少，因而有利于单纵模形成，此外本发明中所采用的单片标准具901组成的谐振反射器优点为简单经济，节省空间，抗损伤阈值更高；腔内倾斜放置标准具901具有谱线透过率率更尖锐和多片标准具组成的谐振反射器优点在于产生的自由光谱更宽，谱线反射率更尖锐，形成单纵模线宽更窄；

3、采用带有光反馈控制电路303的加压式/退压式光电Q开关组件。光反馈控制电路303可实时监测“预激光”期间谐振腔内的光强，保证此光强既不能形成激光输出又可形成振荡，且在振荡中建立单纵模振荡；光反馈的另一个好处是激光器永远不受泵浦源7的衰减而影响单纵模的形成几率；

4、在激光器内加入可饱和吸收体，可饱和吸收体的特性为对光强较弱的荧光衰减大，对光强较强的荧光衰减小，在“预激光”期间可使单纵模更快更稳定的建立。可饱和吸收体本身也有很大程度的“预激光”作用；

5、增益介质两侧加入两个四分之一波片。两个波片可使工作物质内振荡的光为圆偏振光，消除“空间烧孔”效应。有利于单纵模形成；

6、谐振腔内插入小孔光阑2。小孔光阑2起到限模作用，基膜几乎不损耗，形成振荡，高阶横模损耗大不能振荡，基横模有利于单纵模振荡形成。基横模光斑均匀度最好、发散角最小。加入小孔光阑2后脉宽也会降低；

7、谐振腔长足够短。谐振腔腔长为12-15cm左右，短的腔长也使纵模数量降低，同时短有利于降低脉宽，是2.5-3ns脉宽种子光输出的必要保证，普通的调Q激光器的脉宽为8ns-20ns；

8、本发明中采用三电极光电Q开关，相当于两个光电Q开关的串联，其中一个电极为公用电极，公用电极和一个电极两端加光电Q开关的正常驱动电压，公用电极和另一电极两端加光电Q开关的“预激光”电压，这样可简化Q开关驱动电路3033的控制；

9、本发明中采用的双电极Q开关器件结构简单，节省空间，成本更低。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (5)

1.一种可输出单纵模激光束的激光器，其特征在于，该激光器沿激光传输方向依次设置有全反射镜(1)、小孔光阑(2)、调Q组件(3)、偏振片(4)、第一四分之一波片(5)、激光增益介质(6)、第二四分之一波片(8)和输出选模组件(9)；

所述激光器还具有一泵浦源(7)，所述泵浦源(7)输出的能量由所述激光增益介质(6)吸收、并形成为反转粒子数，且所述泵浦源(7)为氙灯泵浦源；

所述全反射镜(1)和所述输出选模组件(9)组成谐振腔，且所述全反射镜(1)为1064nm全反射镜；

所述调Q组件(3)为带有光反馈控制电路(303)的加压式光电Q开关、带有光反馈控制电路(303)的退压式光电Q开关中的任意一种；

当所述调Q组件(3)为带有光反馈控制电路(303)的加压式光电Q开关时，所述带有光反馈控制电路(303)的加压式光电Q开关包括可饱和吸收体、光电Q开关(302)、以及后置四分之一波片；

当所述调Q组件(3)为带有光反馈控制电路(303)的退压式光电Q开关时，所述带有光反馈控制电路(303)的退压式光电Q开关包括光电Q开关(302)和前置可饱和吸收体；

所述光反馈控制电路(303)包括；

沿所述偏振片(4)的反射光方向设置的PIN光电探测器(3031)；

比较放大电路(3032)，所述比较放大电路(3032)的输入端与所述PIN光电探测器(3031)的输出端连接；

Q开关驱动电路(3033)，所述Q开关驱动电路(3033)的输入端与所述比较放大电路(3032)的输出端连接，所述Q开关驱动电路(3033)的输出端与所述光电Q开关(302)的输入端连接；

延时电路(3035)，所述延时电路(3035)的输出端与所述Q开关驱动电路(3033)的输入端连接；以及

时序控制触发电路(3034)，所述时序控制触发电路(3034)的输出端与所述延时电路(3035)的输入端连接，所述时序控制触发电路(3034)的输出端与泵浦源(7)控制连接；

该激光器的出光控制方法具体包括以下步骤：

S1、时序控制触发电路(3034)输出触发信号signal-1至泵浦源(7)，泵浦源(7)接收该signal-1信号后开始泵浦，一个泵浦周期的持续时间为T，其中，70μs≤T≤300μs；

S2、时序控制触发电路(3034)输出signal-1的同时，通过延时电路(3035)输出延时为T1的同步触发信号signal-2，该同步触发信号signal-2发送至Q开关驱动电路(3033)中的预激光电路，启动预激光过程，其中，预激光启动时刻为t1，结束时刻为t2，预激光持续时间为T2＝t2-t1，其中，5uS≤T2≤230uS，该预激光建立过程为：

S201、来自于偏振片(4)反射的竖直振荡S光经PIN光电探测器(3031)转化为电信号，该电信号经比较放大电路(3032)处理后直接控制Q开关驱动电路(3033)输出的预激光电压值；

S202、Q开关驱动电路(3033)通过输出不同电压值来自动控制光电Q开关(302)的开通量；

S203、预激光结束时刻t2与泵浦周期同步结束，该泵浦周期为T＝T1+T2；

S3、预激光过程中一个泵浦周期结束时，Q开关驱动电路(3033)接收到与signal-1同步输出的经延时电路(3035)延时T1+T2的触发信号signal-3，瞬间增加/退去光电Q开关(302)两端电压，光电Q开关(302)打开，使谐振腔增益高于损耗，输出单纵模激光束。

2.根据权利要求1所述的一种可输出单纵模激光束的激光器，其特征在于，所述光电Q开关(302)为双电极光电Q开关或三电极光电Q开关。

3.根据权利要求1所述的一种可输出单纵模激光束的激光器，其特征在于，所述输出选模组件(9)为单片的标准具(901)、三片等间隔的标准具(901)、输出镜与倾斜的标准具(901)的组合中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种可输出单纵模激光束的激光器，其特征在于，所述标准具(901)为两面相互平行的镜片，所述镜片的厚度为2-18mm，且所述标准具(901)的面型厚度变化小于30nm。

5.根据权利要求3所述的一种可输出单纵模激光束的激光器，其特征在于，所述输出选模组件(9)为三片等间隔的标准具(901)时，相邻所述标准具(901)之间具有间隔环，该间隔环的材质为殷钢，且相邻所述标准具(901)之间的间隔距离为8-25mm。

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