CN109167242A - 一种确定被动调q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法 - Google Patents

一种确定被动调q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于固体激光器领域，具体涉及一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法。本发明通过计算和调节二维饱和吸收材料在谐振腔中的位置，使作用在其上的振荡激光光强在一定的泵浦功率范围内保持恒定，进而锁定激光器脉冲重复频率，本发明具有结构紧凑、易于操作、效率高、输出脉冲能量大的优点。

Description

一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉 冲重复频率的方法
技术领域
本发明属于固体激光器领域，具体涉及一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法。
背景技术
本发明中的锁定脉冲重复频率是指在被动调Q固体激光器中实现输出脉冲重复频率的恒定，利用此方法得到更大的脉冲能量和稳定的重复频率输出。固体激光器因其具有高功率、窄线宽、高光束质量等优点，在激光医疗和激光测量等领域有着重要和广泛的应用需求。在实际应用中，大多要求激光器输出单脉冲能量为毫焦(mJ)量级，峰值功率为千瓦(kW)级。目前，获得脉冲激光输出的方法主要包括主动调Q和被动调Q技术。主动调Q技术通常采用在激光器谐振腔中插入电光调制器或声光调制器来实现脉冲输出，重复频率由外部施加的电信号调制频率决定。但是，由于电(声)光调制单元的引入，限制了激光器的小型化和集成度，造价成本较高。被动调Q技术主要利用非线性饱和吸收材料，对谐振腔损耗进行调制，获得脉冲激光输出。由于无需外加信号调制系统，且饱和吸收材料本身尺寸能做的很小，甚至能通过键合技术与激光晶体复合在一起，因此，在高效率、小型化、低成本等方面具有突出的优势。尤其是，采用二维饱和吸收材料(包括石墨烯、二硫化物、拓扑绝缘体等)，直接制备到谐振腔镜片上，使得激光装置更加简洁紧凑。然而，需要指出的是，在被动调Q激光器中，脉冲输出的重复频率是随着泵浦功率的增加而发生变化，难以保持恒定。针对被动调Q激光器，至今尚未提出有效的办法来锁定脉冲重复频率。
在已有文献资料报道中，基于饱和吸收体的被动调Q固体激光器的脉冲重复频率、单脉冲能量的变化规律都是随着泵浦功率的增加而增加。重复频率随泵浦功率的增大，直接抑制了单脉冲增益和输出脉冲能量。当前，增大被动调Q激光器输出脉冲能量，通常采用如下方法：更换性能优越的激光晶体和饱和吸收体、采用高功率泵浦、改变饱和吸收体透过率、改变谐振腔结构等。但是，这些方法一方面会需要同步调整原本激光器的结构，另一方面仍然无法解决输出脉冲重复频率随泵浦功率变化的问题。本发明提出了一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法，目的是解决被动调Q脉冲输出的重复频率随泵浦功率变化的技术难题，并基于此改善单脉冲增益和提升输出脉冲能量。该方法的原理是：基于激光晶体的热透镜效应，利用二维光学材料在超薄厚度上优异的饱和吸收性能，通过调节二维饱和吸收材料在谐振腔中的位置，使作用在其上的振荡激光光强在一定的泵浦功率范围内保持恒定，进而锁定激光器输出脉冲的重复频率。利用此方法实现被动调Q激光器的重复频率锁定，具有结构紧凑、无需外加信号调制系统、便于操作、效率高、有利于提升输出脉冲能量等优点。本发明内容在公开数据库中未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法。本发明具有结构紧凑、易于操作、效率高、输出脉冲能量大的优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法，所述的方法包括如下步骤：
步骤1.给定预设泵浦源1的功率值；
步骤2.通过激光晶体4的物理参数和预设泵浦功率得到激光晶体4的热焦距F，激光晶体4为Tm:YAP，，其中激光晶体4的物理参数为ωp＝200μm，K＝0.11Wcm-1·K-1，ηh＝0.22，dn/dT＝10.08×10-6K-1，α＝1.5cm-1，l＝8mm；
步骤3.通过仿真计算，得到热透镜效应下谐振腔振荡模式重新分布后的激光束腰位置；
步骤4.搭建激光器装置；
步骤5.将二维饱和吸收材料5插入到谐振腔内通过仿真计算得到激光束腰所在位置；
步骤6.开启光纤耦合二极管激光器，泵浦光经过耦合透镜组2和输入镜3照射到激光晶体4上，产生的激光通过输出镜6输出，由探测器7接收并由示波器8观察，微调石墨烯蓝宝石基片位置及俯仰角度，同时用探测器7将输出脉冲信号导入示波器8，观察示波器8直至脉冲输出波形稳定；
步骤7.记录输出脉冲的重复频率数据，在泵浦功率3.2W-5.5W范围内，脉冲重复频率恒定在13.2KHz，即实现了脉冲重复频率锁定，得到单脉冲能量随泵浦功率的变化曲线，实验观察到在3.2W-5.5W重复频率锁定区呈线性增长，获得了输出脉冲能量的提升。
所述的激光晶体4的热焦距F的公式为
其中Pin是泵浦功率，ωp是泵浦光斑半径，K是晶体的热导率，ηh是热负载比，dn/dT是热光系数，α是晶体对泵浦光的吸收系数，l是晶体长度。
所述的二维饱和吸收材料5为石墨烯蓝宝石基片。
本发明的有益效果在于：本发明通过计算和调节二维饱和吸收材料在谐振腔中的位置，使作用在其上的振荡激光光强在一定的泵浦功率范围内保持恒定，进而锁定激光器脉冲重复频率。本发明具有结构紧凑、无需外加信号调制系统、便于操作、效率高、有利于提升输出脉冲能量的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中等效热透镜谐振腔结构示意图；
图3为本发明中的激光器装置图；
图4为本发明中示波器接收到的脉冲波形图；
图5为本发明中脉冲重复频率随泵浦功率的变化曲线图；
图6为本发明中单脉冲能量随泵浦功率的变化曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图1-6对本发明做进一步的描述：
实施例1
本发明的物理原理为：基于激光晶体4的热透镜效应，对谐振腔振荡模式的光场分布变化进行理论分析。等效热透镜谐振腔结构如图2所示。
经激光晶体4的热透镜作用后，谐振腔内激光模式的光斑半径ω(z)满足
其中上述公式(1)中的ω(z)为z位置激光光斑半径，ωo为z0位置激光束腰半径。fo为高斯光束共焦参数，表示为
当二维饱和吸收材料放置在距离4热透镜中心L0处，根据图2，则有
z-z0＝L0-F (3)
其中公式(3)中F为激光晶体4的热透镜焦距。将公式(2)和(3)带入公式(1)得到
由公式(4)可知，激光晶体4的热透镜焦距的变化会引起谐振腔中模式尺寸随之变化。
定义谐振腔内激光功率为Pl，则z处的激光光强I为
公式(5)中所述的热透镜焦距F由泵浦功率Pin所诱导变化，其关系为，
在公式(6)中，Pin是泵浦功率，ωp是泵浦光斑半径，K是晶体的热导率，ηh是热负载比，dn/dT是热光系数，α是晶体对泵浦光的吸收系数，l是晶体长度。
令则有带入公式(5)得，
令重频锁定区域的特征泵浦功率为P0，ΔP为相对P0的泵浦功率偏移量，则Pin＝P0+ΔP，代入公式(7)得
令考虑到激光器的线性输入-输出工作特性，则谐振腔内的激光功率为Pl＝η(Pin-Pth)/t，其中η为激光器输出的斜率效率，Pth为泵浦阈值功率，t输出耦合镜的透过率。因此，公式(8)可进一步表示为
由公式(9)分析可知，由于参数b相当于参数a来说小得多，当泵浦功率Pin很小时，导致bPin远小于a，因此，作用在二维饱和吸收材料上的光强为其随泵浦功率的增加呈线性增长；当在高泵浦功率Pin作用下，将导致bPin远大于a，作用在二维饱和吸收材料上的光强将变为作用光强趋于恒定。考虑到饱和吸收体的响应速率与作用光强具有依赖关系，通常，作用光强的增大会提升饱和吸收体的响应速率，这就导致以往的被动调Q激光器的脉冲重复频率表现出随着泵浦功率的增长而增大的行为。然而，如本发明所述，通过恰当地利用晶体的热透镜效应，在二维饱和吸收材料上产生恒定的作用光强。作用光强的恒定，将直接导致饱和吸收体开关调制速率不再随泵浦功率而变化，从而实现输出脉冲重复频率的锁定。
基于晶体热透镜效应锁定被动调Q激光器脉冲重复频率的方法，激光器装置包括泵浦源1、耦合透镜组2、输入镜3、激光晶体4、二维饱和吸收材料5、输出镜6、探测器7、示波器8，如图3所示，其中输入镜3、激光晶体4、二维饱和吸收材料5、输出镜6构成谐振腔。
所述的泵浦源1为光纤耦合二极管激光器，其发射波长在25℃时为790nm，发射纤芯半径200μm，数值孔径为0.22。
所述的耦合透镜组2的工作距离75mm，成像比1:2。
所述的输入镜3是平面镜，其表面镀有790nm波段增透膜，同时镀有1.9μm波段高反膜。
所述的激光晶体4为Tm:YAP晶体，Tm3+掺杂浓度为3％，横截面尺寸为3mm×3mm，长度l为8mm，Tm:YAP晶体两端同时镀有790nm和1.9μm波段增透膜。
所述的二维饱和吸收材料5为少层石墨烯，通过化学气相沉积法制备并转移到蓝宝石衬底上，制备出石墨烯蓝宝石基片。
所述的输出镜6是平凹镜，其曲率半径150mm，对输出激光透射率2％。
所述的示波器8测量激光脉冲重复频率并记录脉冲波形。
给定预设泵浦功率，通过公式(6)计算激光晶体4的热焦距F。其中激光晶体Tm:YAP物理参数ωp＝200μm，K＝0.11Wcm-1·K-1，ηh＝0.22，dn/dT＝10.08×10-6K-1，α＝1.5cm-1，l＝8mm。
通过仿真计算，得到热透镜效应下谐振腔振荡模式重新分布后的激光束腰位置。
搭建Tm:YAP激光器装置。
将石墨烯蓝宝石基片插入到谐振腔内通过仿真计算给出的激光束腰所在位置。
开启光纤耦合二极管激光器，泵浦光经过耦合透镜组2和输入镜3照射到激光晶体4上，产生的激光通过输出镜6输出，由探测器7接收并由示波器8观察。微调石墨烯蓝宝石基片位置及俯仰角度，同时用探测器7将输出脉冲信号导入示波器8，观察示波器8直至脉冲输出波形稳定，如图4所示。
记录输出脉冲的重复频率数据，如图5所示，实验观察到在泵浦功率3.2W-5.5W范围，脉冲重复频率恒定在13.2KHz，即实现了脉冲重复频率锁定。单脉冲能量随泵浦功率的变化曲线如图6所示，实验观察到在3.2W-5.5W重复频率锁定区呈线性增长，获得了输出脉冲能量的明显提升。
这里必须指出的是，本发明中给出的其他未说明的实施方式和结构说明因为都是本领域的公知方式和公知结构，根据本发明所述的名称或描述，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未做进一步说明。本方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术。

Claims (3)

1.一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：
步骤1.给定预设泵浦源(1)的功率值；
步骤2.通过激光晶体(4)的物理参数和预设泵浦功率得到激光晶体(4)的热焦距F，激光晶体(4)为Tm:YAP，，其中激光晶体(4)的物理参数为ωp＝200μm，K＝0.11Wcm-1·K-1，ηh＝0.22，dn/dT＝10.08×10-6K-1，α＝1.5cm-1，l＝8mm；
步骤3.通过仿真计算，得到热透镜效应下谐振腔振荡模式重新分布后的激光束腰位置；
步骤4.搭建激光器装置；
步骤5.将二维饱和吸收材料(5)插入到谐振腔内通过仿真计算得到激光束腰所在位置；
步骤6.开启光纤耦合二极管激光器，泵浦光经过耦合透镜组(2)和输入镜(3)照射到激光晶体(4)上，产生的激光通过输出镜(6)输出，由探测器(7)接收并由示波器(8)观察，微调石墨烯蓝宝石基片位置及俯仰角度，同时用探测器(7)将输出脉冲信号导入示波器(8)，观察示波器(8)直至脉冲输出波形稳定；
步骤7.记录输出脉冲的重复频率数据，在泵浦功率3.2W-5.5W范围内，脉冲重复频率恒定在13.2KHz，即实现了脉冲重复频率锁定，得到单脉冲能量随泵浦功率的变化曲线，实验观察到在3.2W-5.5W重复频率锁定区呈线性增长，获得了输出脉冲能量的提升。
2.根据权利要求1所述的一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法，其特征在于：所述的激光晶体(4)的热焦距F的公式为
其中Pin是泵浦功率，ωp是泵浦光斑半径，K是晶体的热导率，ηh是热负载比，dn/dT是热光系数，α是晶体对泵浦光的吸收系数，l是晶体长度。
3.根据权利要求1所述的一种确定被动调Q固体激光器中饱和吸收体位置实现锁定脉冲重复频率的方法，其特征在于：所述的二维饱和吸收材料(5)为石墨烯蓝宝石基片。
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