CN109149348A - 一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器 - Google Patents

一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN109149348A
CN109149348A CN201811208679.8A CN201811208679A CN109149348A CN 109149348 A CN109149348 A CN 109149348A CN 201811208679 A CN201811208679 A CN 201811208679A CN 109149348 A CN109149348 A CN 109149348A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
double half
gauss
mirror
electro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811208679.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109149348B (zh
Inventor
吕彦飞
夏菁
刘会龙
胡总华
薛蒙
李泽宇
陈婷婷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yunnan University YNU
Original Assignee
Yunnan University YNU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yunnan University YNU filed Critical Yunnan University YNU
Priority to CN201811208679.8A priority Critical patent/CN109149348B/zh
Publication of CN109149348A publication Critical patent/CN109149348A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109149348B publication Critical patent/CN109149348B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/115—Q-switching using intracavity electro-optic devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本发明提供了一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，包括：泵浦源、耦合光学系统、输入镜、激光增益介质、电光晶体、衍射光学元件组成；所述泵浦源发出的激光束，采用端面泵浦方式通过耦合光学系统耦合到激光增益介质内，输入镜为平面镜与衍射光学元件构成激光谐振腔，衍射光学元件作为选择腔内激光束强度分布的同时兼作输出耦合镜将巨脉冲双半高斯空心光束输出到腔外。电光晶体两端设有环形正电极和环形负电极。本发明的优点在于：避免了出现实心光束通过电光晶体中心时的“漏光”现象；使调Q过程中不再依赖调Q器件消光比；可调谐单个巨脉冲全固态空心激光输出；比传统电光调Q激光器有更高的单脉冲能量。

Description

一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种获得可调谐单个巨脉冲空心激光输出的半导体泵浦可调谐全固态激光器。
背景技术
Q开关技术是通过在激光器振荡过程中改变谐振腔Q值，以产生窄脉宽、高峰值功率激光输出的技术。其中电光Q开关具有开关速度快、输出脉冲窄等特点，在中低功率固体激光器中得到了广泛应用，但是，电光Q开关难以应用于高功率固体激光器中。这是因为，传统的电光调Q固体激光器采用偏振棱镜或者介质膜片作为起偏振元件，并利用某些晶体的电光效应做成电光Q开关器件，输出线偏振的脉冲激光，这种调Q方式在中低功率运行良好，一旦提高功率或重复频率后，Q开关的偏振片的热退偏振效应严重降低了Q开关的消光比，因此对脉冲激光的输出影响很大[1]，使输出能量下降很快[2-4]。然而，目前高能量、高重复频率的固体激光器在工业加工、军事装备、空间通信和医疗诊治等领域有着重要的应用价值。传统电光调Q激光器中，当在电光晶体上施加纵向电场时，由于电力线在电光晶体中心轴线处产生最大弯曲，且晶体中心处电力线之间的排斥作用，使电光晶体中心的处的加电压无效，导致调Q过程中出现“漏光”现象，特别是高功率调Q激光器会发生的“关不住门”现象。
参考文献
[1]张红波,孙峰,叶艾,刘在洲,新型电光调Q脉冲固体激光器的研究,光学与光电技术,2005,3(6):19-21；
[2]R.Fluck,M.R.Hermann,and L.A.Hackel,Energetic and thermalperformance of high-gain diode-side-pumped Nd:YAG rods,Appl.Phys.B,2000,70(4):491-498；
[3]J.H.Ji,X.L.Zhu,and C.Y.Wang,Comparison of laser performance ofelectro-optic Q-switched Nd:YAG ceramic/single crystal laser,"Chin.Opt.Lett.2000,4(4):219-221；
[4]R.Weber,T.Graf,and H.P.Weber,Self-Adjusting compensating thermallens to balance the thermally introduced lens in solid-state lasers,IEEE J ofQuantum Eletron.2007,36(6):757-764；
[5]吕彦飞,董渊,李述涛,李青松,金光勇,张喜和,用于减少相位突变点的一种衍射光学元件改进设计方法,光学学报,2012,32,0505001.
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，包括：泵浦源1、耦合光学系统2、输入镜3、激光增益介质4、电光晶体、衍射光学元件6组成；
所述泵浦源1发出的激光束，采用端面泵浦方式通过耦合光学系统2耦合到激光增益介质4内，输入镜为平面镜3与衍射光学元件6构成激光谐振腔，衍射光学元件6作为选择腔内激光束强度分布的同时兼作输出耦合镜将巨脉冲双半高斯空心光束输出到腔外。电光晶体两端设有环形正电极5和环形负电极7；
进一步地，泵浦源1采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器；
进一步地，光学耦合系统2采用芯直径为400μm的光纤和一对凸面相对的平凸透镜组成；
进一步地，激光增益介质4采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体；
进一步地，输入镜3为一平面镜，两端镀808nm波长增透膜，同时对869-946nm波长镀高反射膜；
进一步地，衍射光学元件6作为谐振腔内约束光场强度分布元件，目标光场强度为双半高斯函数分布，两端对869-946nm波长镀透过率约3％，同时作为输出耦合镜将双半高斯光束输出到腔外。
与现有技术相比本发明的优点在于：双半高斯空心激光通过电光晶体时，避开了电力线最大弯曲区域，光束集中于电场较均匀外沿区域，从而避免出现实心光束通过电光晶体中心时的“漏光”现象。使调Q过程中不再依赖调Q器件消光比，可以把Q开关的门关死，从而使激光增益介质的上能级粒子数积累能力达到极限。此外，通过改变电压的值可以使激光波长可调谐，进而实现可调谐单个巨脉冲全固态空心激光输出。该光束径的光强分布具有在内边缘处呈阶跃分布的独特点，在其内边缘处具有极大的梯度力，可在微观粒子的光学操控、原子冷却、光信息处理、材料科学等领域具有重要的应用。又由该激光束还具有中间部分光场较大区域光强为零的特点，这对于研究玻色-爱因斯坦凝聚等自身的统计物理性质和动力学行为非常重要。另外，该激光器比传统电光调Q激光器有更高的单脉冲能量，且能量集中在光环区域，因此在激光加工领域(例如激光打孔)有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例电光晶体内部电力线分布图；
图3为本发明实施例Nd:YAG晶体准三能级主要跃迁波长图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，包括：泵浦源1、耦合光学系统2、输入镜3、激光增益介质4、电光晶体、衍射光学元件6组成；
工作原理说明：泵浦源1发出的激光束，采用端面泵浦方式通过耦合光学系统2耦合到激光增益介质4内，输入镜为平面镜3与衍射光学元件6构成激光谐振腔，衍射光学元件6作为选择腔内激光束强度分布的同时兼作输出耦合镜将巨脉冲双半高斯空心光束输出到腔外。
双半高斯光束在谐振腔内的自再现原理：利用GS迭代算法(吕彦飞等对该算法已进行了深入的研究[5])设计衍射光学元件的同时还能实现谐振腔内激光模式自再现，在激光谐振腔内模式自再现过程可描述如下：设输入镜处的初始振荡光场为高斯分布(GS算法设定初始值时一般为随机函数)，经衍射光学元件进行傅立叶变换的衍射光场的振幅用双半高斯分布光场的振幅来替换，再将该替换后的光场进行逆傅立叶变换光场的振幅用初始光场振幅来替换，该迭代过程反复多次进行，直至误差函数值不再降低为止，此时输出光场为双半高斯分布。在每次迭代过程中相位都会改变，最后根据衍射光学元件处光场分布便可以得到相位分布，由相位分布可以确定衍射光学元件加工参数。
本发明的调Q原理：选择布儒斯特角切割的激光增益介质4，在倾斜面的反射光只有垂直入射面的完全线偏振光波，当电光晶体KDP两端加上λ/4电压时，由于泡克尔斯效应，使往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变π/2，光束不能在谐振腔中通过，谐振腔处于最低Q状态(关门)。当双半高斯激光光束通过电光晶体时，绕开了电力线最大弯曲区域，光束集中于电场较均匀外沿区域，不会出现“漏光”现象，由于泵浦光的激励作用，上能级粒子数便迅速增加，当电光晶体上的电压突然撤去时，光束可自由通过激光谐振腔，此时谐振腔处于最高Q值状态(开门)，从而产生单个激光巨脉冲输出。
本发明的可调谐原理：如图2所示，设电光晶体沿着长轴和短轴方向的折射率分别ne和no，电光晶体两端环形正电极5和环形负电极7之间的距离为D，γ为电光晶体的电光系数，d为电光晶体的长度。由布儒斯特角切割的激光增益介质和电光晶体可构成Lyot滤波效应，因此腔内波长为λ的激光透过率T为
由式(1)可以看出电光晶体两端的电压变化时，波长的透过率T随之改变，因此适当的调节电压，波长可以被谐振腔选择，实现波长的可调谐。
如图1所示的结构实施，其中泵浦源1采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器，光学耦合系统2采用芯直径为400μm的光纤和一对平凸透镜组成，将泵浦功率注入到激光增益介质中，激光增益介质4采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，对泵浦模块和Nd:YAG进行TEC致冷；输入镜3为一平面镜，两端镀808nm波长增透膜，同时对869-946nm波长镀高反射膜；衍射光学元件6作为谐振腔内约束光场强度分布元件，目标光场强度为双半高斯函数分布，两端对869-946nm波长镀透过率约3％，同时作为输出耦合镜将双半高斯光束输出到腔外。图3可以看出，Nd:YAG在准三能级主要跃迁波长有10个，由公式(1)可以得出当电压为2.17kV(对于869nm波长为λ/4电压)时，10个跃迁波长中869nm的透过率为100％，而其它波长的透过率均小于0.3％，因此当电压调到2.17kV时，输出光束为869nm双半高斯空心巨脉冲激光；同样地，当电压调节到2.19kV(对于875nm波长为λ/4电压)时，10个跃迁波长中875nm的透过率为100％，而其它波长的透过率均小于0.22％，因此当电压调到2.19kV时，输出光束为875nm双半高斯空心巨脉冲激光。同理，当电压分别调节到2.20kV、2.21kV、2.22kV、2.228kV、2.23kV、2.25kV、2.35kV和2.37kV时，可分别输出光束为878nm、884nm、885nm、891nm、892nm、899nm、938nm和946nm双半高斯空心巨脉冲激光。事实上，不仅可以在Nd:YAG准三能级激光系统可以实现波长调谐，可以推广到Nd:YAG的四能级激光系统或其它激光系统。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，包括：泵浦源(1)、耦合光学系统(2)、输入镜(3)、激光增益介质(4)、电光晶体、衍射光学元件(6)组成；
所述泵浦源(1)发出的激光束，采用端面泵浦方式通过耦合光学系统(2)耦合到激光增益介质(4)内，输入镜为平面镜(3)与衍射光学元件(6)构成激光谐振腔，衍射光学元件(6)作为选择腔内激光束强度分布的同时兼作输出耦合镜将巨脉冲双半高斯空心光束输出到腔外；电光晶体两端设有环形正电极(5)和环形负电极(7)。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，其特征在于：泵浦源(1)采用输出波长为808nm光纤耦合二极管阵列的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，其特征在于：光学耦合系统(2)采用芯直径为400μm的光纤和一对凸面相对的平凸透镜组成。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，其特征在于：激光增益介质(4)采用Φ6mm×3mm、1.0at.％钕离子掺杂浓度的钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，其特征在于：输入镜(3)为一平面镜，两端镀808nm波长增透膜，同时对869-946nm波长镀高反射膜。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器，其特征在于：衍射光学元件(6)作为谐振腔内约束光场强度分布元件，目标光场强度为双半高斯函数分布，两端对869-946nm波长镀透过率约3％，同时作为输出耦合镜将双半高斯光束输出到腔外。
CN201811208679.8A 2018-10-17 2018-10-17 一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器 Expired - Fee Related CN109149348B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811208679.8A CN109149348B (zh) 2018-10-17 2018-10-17 一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811208679.8A CN109149348B (zh) 2018-10-17 2018-10-17 一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109149348A true CN109149348A (zh) 2019-01-04
CN109149348B CN109149348B (zh) 2020-03-10

Family

ID=64808327

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811208679.8A Expired - Fee Related CN109149348B (zh) 2018-10-17 2018-10-17 一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109149348B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115219420A (zh) * 2022-06-09 2022-10-21 云南大学 新型飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1392512A (en) * 1971-08-31 1975-04-30 Siemens Ag Tunable laser systems
US4233569A (en) * 1976-03-19 1980-11-11 General Electric Company High power laser with tuning and line narrowing capability
JPH04346484A (ja) * 1991-05-24 1992-12-02 Tosoh Corp パルスレーザー発振器
CN101075023A (zh) * 2007-06-28 2007-11-21 山东大学 消除dkdp晶体电光开关内反向电场影响的方法
CN201805140U (zh) * 2010-08-16 2011-04-20 山东大学 一种带有辅助电极的普克尔盒
CN104934847A (zh) * 2015-06-23 2015-09-23 中国科学院福建物质结构研究所 一种Littrow构型电光调Q激光器
CN106299998A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 中国科学院福建物质结构研究所 可调谐电光调q开关和激光器
US20180284561A1 (en) * 2014-11-07 2018-10-04 Cornell University Electro-optic modulator using cavity-coupled bus waveguide

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1392512A (en) * 1971-08-31 1975-04-30 Siemens Ag Tunable laser systems
US4233569A (en) * 1976-03-19 1980-11-11 General Electric Company High power laser with tuning and line narrowing capability
JPH04346484A (ja) * 1991-05-24 1992-12-02 Tosoh Corp パルスレーザー発振器
CN101075023A (zh) * 2007-06-28 2007-11-21 山东大学 消除dkdp晶体电光开关内反向电场影响的方法
CN201805140U (zh) * 2010-08-16 2011-04-20 山东大学 一种带有辅助电极的普克尔盒
US20180284561A1 (en) * 2014-11-07 2018-10-04 Cornell University Electro-optic modulator using cavity-coupled bus waveguide
CN104934847A (zh) * 2015-06-23 2015-09-23 中国科学院福建物质结构研究所 一种Littrow构型电光调Q激光器
CN106299998A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 中国科学院福建物质结构研究所 可调谐电光调q开关和激光器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R. SUNDAR等: "Generation of flattened Gaussian beam profiles in a Nd:YAG laser with a Gaussian mirror resonator", 《APPLIED OPTICS》 *
李建平: "激光空心光束的研究及在激光内雕中的应用", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士)信息科技辑》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115219420A (zh) * 2022-06-09 2022-10-21 云南大学 新型飞秒时域微纳空间分辨多功能磁光仪

Also Published As

Publication number Publication date
CN109149348B (zh) 2020-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5119382A (en) Tetravalent chromium doped passive Q-switch
CN101414729B (zh) 一种自锁模激光器
CN103022888B (zh) 一种偏振光泵浦的碱金属蒸汽激光器
CN210201151U (zh) 一种全固态绿光激光器
CN111431021A (zh) 一种正交偏振输出的激光器
Shang et al. Research progress on thermal effect of LD pumped solid state laser
CN102545018B (zh) 半导体激光器泵浦的低重复频率全固态皮秒蓝光激光器
CN109149348A (zh) 一种可调谐高能单脉冲双半高斯空心激光器
Yu et al. Comparison of electro-optical and acousto-optical Q-switched, high repetition rate Nd: GdVO 4 laser
CN105720476A (zh) 基于激光增益突升的高峰值窄脉冲激光器
Chen et al. High power Q-switched TEM 00 Nd: YVO 4 laser with self-adaptive compensation of thermal lensing effect
CN115473116A (zh) 基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法
CN212182756U (zh) 一种正交偏振输出的激光器
Zhao et al. High-Pulse-Performance Diode-Pumped Actively Q-Switched c-cut $\hbox {Nd: Lu} _ {0.1}\hbox {Y} _ {0.9}\hbox {VO} _ {4} $ Self-Raman Laser
CN104701726A (zh) 基于内腔双折射晶体走离效应的柱矢量脉冲激光器
CN115473118A (zh) 一种宽温域稳定的全固态激光器及倍频激光器
CN107994453A (zh) 激光二极管泵浦的二硫化钨调Q的Yb：GYSO全固态激光器
CN109149351B (zh) 调q激光器
CN114883905A (zh) 基于石墨烯吸收体的被动调Q Nd:KLu(WO4)2人眼安全激光器
CN108512025B (zh) 一种被动调Q Yb:CaYAlO4全固态脉冲激光器
JPH04229690A (ja) 弱吸収レーザ材をポンピングするための装置及び方法
Zhao et al. 3-W, 3.8 µm self-optical parametric oscillator by pulsed pumping based on Nd: MgO: PPLN crystal
Yu et al. Nd3+-doped phosphate fiber lasers with high peak power under direct pumping
RU226934U1 (ru) Лазер
US20220302669A1 (en) Raman amplifier with shared resonator

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200310

Termination date: 20201017