CN109494560B - 一种脉宽分立可调的调q激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉宽分立可调的调Q激光器，包括：第一石英玻璃棒(2‑1)、第二输出镜(7‑2)和第二反射镜(1‑2)以及沿光轴依次设置的第一反射镜(1‑1)、第一偏振片(3‑1)、第一半波片(4‑1)、Q开关(5)、增益介质(6)、第二偏振片(3‑2)、第二半波片(4‑2)、第三偏振片(3‑3)和第一输出镜(7‑1)。本发明实施方式提供的调Q激光器可以通过调节第一半波片和第二半波片的角度，实现4种脉宽分立可调的激光输出。并且，调Q激光器能够实现单光束输出或者双光束输出。

Description

一种脉宽分立可调的调Q激光器
技术领域
本发明涉及调Q激光器领域，尤其是涉及一种脉宽分立可调的调Q激光器。
背景技术
在调Q激光器输出平均功率一定的情况下，峰值功率主要取决于重复频率和脉冲宽度，这使得脉冲宽度的调节具有一定的实际应用价值，一般调Q激光器输出激光的脉冲宽度与激光器的腔长成正比。脉宽分立可调的调Q激光器在工业、医疗及科研等应用中已显示出其应用特性，具有较大的开发潜力及应用前景。为了获得脉宽分立可调的调Q激光器，现有技术主要采取以下三种方式，但是这三种方式本身存在以下的缺点。
1)多台调Q激光器并用：如果需要几种脉宽，这种方案则是直接采用几种脉宽的调Q激光器并用，这种方式虽然能实现多束分立脉宽的调Q激光输出。但是，采用多台调Q激光器并用，体积大、不利于小型化实用化、并且使用成本太高。
2)采用激光谐振腔外通过斩波开关，这种方式是将原有激光器输出脉宽的基础上斩波，能够获得更短脉宽的激光器。采用这种方式只能将脉宽变短，无法调节脉宽的长短。并且，斩波会大大降低输出激光的平均功率，脉宽缩短几倍，其平均功率降低几倍；并且斩波开关的方式只能单光束输出，不能实现脉宽分立可调的双光束输出。
3)采用插入移出半波片的方式的方案，该方案在腔内组合使用多个半波片和偏振片，通过插入移出半波片的方式，改变调Q激光器的腔长，从而改变输出激光的脉宽。但该方案采用直接增长的方式调谐脉宽，但是，过长的腔长会导致激光器的体积变大，不利于小型化、实用化、并且生产成本较高；同时在不断插入移出半波片的过程中，会降低激光器的稳定性；并且也只能单光束输出，不能实现脉宽分立可调的双光束输出。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种脉宽分立可调的调Q激光器。
为解决上述问题，本发明的第一方面，提供了一种脉宽分立可调的调Q激光器，该调Q激光器包括：第一石英玻璃棒、第二输出镜和第二反射镜以及沿光轴依次设置的第一反射镜、第一偏振片、第一半波片、Q开关、增益介质、第二偏振片、第二半波片、第三偏振片和第一输出镜；第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片分别按布鲁斯特角设置；第一石英玻璃棒设置有第一入射窗口和第一出射窗口；第一石英玻璃棒的一端设置有曲率为R1的第一反射面；另一端设置为曲率为R1的第二反射面；第一入射窗口设置在第二反射面上，出射窗口设置在第一反射面或第二反射面上；第一入射窗口设置在经第一偏振片反射的光的光轴上，第二反射镜设置在经第一出射窗口射出的光的光轴上。
进一步地，从第一入射窗口进入石英玻璃棒内的光束，经过第一反射面反射至第二反射面构成一个反射循环周期；或者，从第一入射窗口进入石英玻璃棒内的光束，从第二反射面反射至第一反射面并反射回第二反射面构成一个反射循环周期；相邻两个反射循环周期中，两条从第一反射面反射至第二反射面的光线的夹角为θ1,以及两条从第二反射面反射至第一反射面的光线的夹角为θ1；其中，θ1＝2cos-1(1-d1/R1)，并且满足ν1θ1＝μ1π；其中，d1为石英玻璃棒的长度，R1为第一反射面和第二反射面的曲率半径，ν1为往返次数，且ν1与μ1均为正整数。
进一步地，还包括第二石英玻璃棒；石英玻璃棒设置有第二入射窗口和第二出射窗口；石英玻璃棒的一端设置有曲率为R2的第三反射面；另一端设置为曲率为R2的第四反射面；第二入射窗口设置在第四反射面上，第二出射窗口设置在第三反射面或第四反射面上；第二入射窗口设置在经第三偏振片反射的光的光路上，第二输出镜设置在经第二出射窗口射出的光的光轴上。
进一步地，从第二入射窗口进入石英玻璃棒内的光束，经过第三反射面反射至第四反射面构成一个反射循环周期；或者，从第二入射窗口进入石英玻璃棒内的光束，从第四反射面反射至第三反射面并反射回第四反射面构成一个反射循环周期；相邻两个反射循环周期中，两条从第三反射面反射至第四反射面的光线的夹角为θ2,以及两条从第四反射面反射至第三反射面的光线的夹角为θ2；其中，θ2＝2cos-1(1-d2/R2)，并且满足ν2θ2＝μ2π；其中，d2为石英玻璃棒的长度，R2为第三反射面和第四反射面的曲率半径，ν2为往返次数，且ν2与μ2均为正整数。
进一步地，第一半波片的快轴方向与经第二偏振片形成的p偏振光的夹角φ1为0°、45°或90°；第二半波片的快轴方向与经第二偏振片形成的p偏振光的夹角φ2的范围是：0°、45°或90°。
进一步地，第一半波片的快轴方向与经第二偏振片形成的p偏振光的夹角φ1的范围是：0°、45°或90°；第二半波片的快轴方向与经第二偏振片形成的p偏振光的夹角φ2的范围是：0°<φ2<45°和45°<φ2<90°。
进一步地，还包括第三石英玻璃棒，第三石英玻璃棒的入射窗口设置在经第一偏振片透过的光的光路上，第一反射镜设置在经第三石英玻璃棒的出射窗口射出的光的光轴上；和/或，还包括第四石英玻璃棒，第四石英玻璃棒的入射窗口设置在经所述第三偏振片透过的光的光路上，所述第一输出镜设置在经所述第四石英玻璃棒的出射窗口射出的光的光轴上。
进一步地，第一反射镜和第二反射镜镀有高反膜；第一输出镜和第二输出镜镀有对于输出波长一定透射率的膜；第一反射面和第二反射面镀有高反膜。
进一步地，Q开关为电光调Q开关、声光调Q开关、染料调Q开关或色心晶体调Q开关中的一种。
进一步地，增益介质为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺镱钇铝石榴石Yb:YAG、陶瓷、二氧化碳CO2、氦-氖气、铜蒸气、砷化镓GaAs、硫化镉CdS、磷化铟InP、若丹明6G或若丹明B中的一种。
进一步地，激光器的泵浦方式为端泵或侧泵。
进一步地，石英玻璃棒、第二输出镜和第二反射镜以及沿光轴依次设置的第一反射镜、第一偏振片、第一半波片、Q开关、增益介质、第二偏振片、第二半波片、第三偏振片和第一输出镜任一两者之间设置有标准具、波片、体布拉格光栅、双折射滤波片、非线性频率变换晶体中的任意一种或多种。
根据本发明的另一方面，提供了一种脉宽分立可调的调Q激光器，包括：第五石英玻璃棒、第四输出镜以及沿光轴依次设置的第三反射镜、Q开关、增益介质、第四偏振片、第三半波片、第五偏振片和第三输出镜；第四偏振片和第五偏振片分别按布鲁斯特角设置；石英玻璃棒设置有第三入射窗口和第三出射窗口；石英玻璃棒的一端设置有曲率为R3的第五反射面；另一端设置为曲率为R3的第六反射面；第三入射窗口设置在第六反射面上，出射窗口设置在所述第五反射面或所述第六反射面上；第三入射窗口设置在经第五偏振片反射的光的光路上，第四输出镜设置在经所述出射窗口射出的光的光轴上。
进一步地，从所述第三入射窗口进入所述石英玻璃棒内的光束，经过所述第五反射面反射至所述第六反射面构成一个反射循环周期；或者，从所述第三入射窗口进入所述第五石英玻璃棒内的光束，从所述第六反射面反射至所述第五反射面并反射回所述第六反射面构成一个反射循环周期；相邻两个所述反射循环周期中，两条从所述第五反射面反射至所述第六反射面的光线的夹角为θ3,以及两条从所述第六反射面反射至所述第五反射面的光线的夹角为θ3；其中，θ3＝2cos-1(1-d3/R1)，并且满足ν3θ3＝μ3π；其中，d3为所述石英玻璃棒的长度，R3为所述第五反射面和所述第六反射面的曲率半径，ν3为往返次数，且ν3与μ3均为正整数。
进一步地，第三半波片的快轴方向与经第四偏振片形成的p偏振光的夹角φ3的范围是：0°、45°或90°。
进一步地，第三半波片的快轴方向与经第四偏振片形成的p偏振光的夹角φ3的范围是：0°<φ3<45°和45°<φ3<90°。
进一步地，第三反射镜镀有高反膜；第三输出镜和第四输出镜镀有对于输出波长一定透射率的膜；第五反射面和第六反射面镀有高反膜。
进一步地，Q开关为电光调Q开关、声光调Q开关、染料调Q开关或色心晶体调Q开关中的一种。
进一步地，增益介质为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺镱钇铝石榴石Yb:YAG、陶瓷、二氧化碳CO2、氦-氖气、铜蒸气、砷化镓GaAs、硫化镉CdS、磷化铟InP、若丹明6G或若丹明B中的一种。
进一步地，激光器的泵浦方式为端泵或侧泵。
进一步地，第五石英玻璃棒、第四输出镜以及沿光轴依次设置的第三反射镜、第四偏振片、Q开关、增益介质、第五偏振片、第三半波片、第六偏振片和第三输出镜任一两者之间设置有标准具、波片、体布拉格光栅、双折射滤波片、非线性频率变换晶体中的任意一种或多种。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明实施方式提供的调Q激光器设置有第一反射镜和第二反射镜、第一输出镜和第二输出镜，同时在增益介质两侧分别设置有第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片、第一半波片和第二半波片，通过调节第一半波片和第二半波片的角度，能够输出4种分立可调的脉宽。并且，本发明实施方式提供的调Q激光器能够实现单光束输出或者双光束输出。
(2)通过在调Q激光器的光路中设置石英玻璃棒，使得光束能够从石英玻璃棒的入射窗口射入在石英玻璃棒两端的反射面上反射多次，符合νθ＝μπ的光束从石英玻璃棒出射窗口输出。通过上述石英玻璃棒，一方面，光线经ν次往返传输，能够增加光路的实际光程，与现有技术相比，可以增长调Q激光器的脉宽；另一方面，当θ角满足闭合条件，光线经ν次往返传输从出射窗口射出时的q参数与射入前完全相同，也就是实现了q参数的单位变换，使得石英玻璃棒本身在光路中具有零效应长度，从而能够输出稳定的长脉冲Q激光。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式提供的脉宽分立可调的调Q激光器的结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式的调Q激光器中石英玻璃棒2-1内光束的传输示意图；
图3是根据本发明第一实施方式提供的调Q激光器中第一反射面或第二反射面上的光斑分布示意图；
图4(a)是根据本发明第二实施方式提供的脉宽分立可调的调Q激光器的结构示意图；
图4(b)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的一种单光束传输示意图；
图4(c)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的另一种单光束传输示意图；
图4(d)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的又一种单光束传输示意图；
图4(e)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的另一种单光束传输示意图；
图5(a)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的一种双光束传输示意图；
图5(b)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的另一种双光束传输示意图；
图6是根据本发明第三实施方式提供的脉宽分立可调的调Q激光器的结构示意图。
附图标记：
1-1：第一反射镜；1-2：第二反射镜；2-1：第一石英玻璃棒；2-1-1：第一入射窗口；2-1-2：第一反射面；2-1-3：第二反射面；2-1-4：出射窗口；2-2：第二石英玻璃棒；2-2-1：第二入射窗口；2-2-2：第三反射面；2-2-3：第四反射面；2-2-4：2-3：第五石英玻璃棒；2-3-1：第三入射窗口；2-3-2：第五反射面；2-3-3：第六反射面；2-3-4：第三出射窗口；3-1：第一偏振片；3-2：第二偏振片；3-3：第三偏振片；3-4：第四偏振片；3-5第五偏振片；4-1：第一半波片；4-2：第二半波片；4-3：第三半波片；5：Q开关；6：增益介质；7-1：第一输出镜；7-2：第二输出镜；7-3：第三输出镜；7-4第四输出镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1是本发明第一实施方式提供的脉宽分立可调的调Q激光器的结构示意图。
如图1所示，该调Q激光器包括：第一石英玻璃棒2-1、第二输出镜7-2和第二反射镜1-2以及沿光轴依次设置的第一反射镜1-1、第一偏振片3-1、第一半波片4-1、Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2、第二半波片4-2、第三偏振片3-3和第一输出镜7-1。
其中，第一偏振片3-1、第二偏振片3-2和第三偏振片3-3分别按布鲁斯特角设置。
需要说明的是，一般，如果第一偏振片3-1、第二偏振片3-2和第三偏振片3-3为石英玻璃制成，则布鲁斯特角为55.6°。可选的，还可以设置为第一偏振片和光轴的夹角为45°，则在第一偏振片表面镀有45°P偏振光高透膜，45°s偏振光高反膜。
进一步需要说明的是，第二偏振片3-2的作用是起振p偏振光，第一偏振片3-1和第三偏振片3-3的作用主要是反射s偏振光，透过p偏振光。而第一半波片4-1和第二半波片4-2的作用是改变偏振光的振动面，即改变偏振光的振动方向。
还需要说明的是，本发明第一实施方式以第一偏振片3-1靠近Q开关的为钝角，第二偏振片3-2和第三偏振片3-3靠近Q开关也为钝角，如果第三偏振片3-3按照布鲁斯特角设置，靠近Q开关为锐角设置，将第二石英玻璃棒2-2设置在图1所示的光线下方即可。
石英玻璃棒2-1设置有第一入射窗口2-1-1和第一出射窗口2-1-4；石英玻璃棒2-1的一端设置有曲率为R1的第一反射面2-1-2；另一端设置为曲率为R1的第二反射面2-1-3；入射窗口2-1-1和出射窗口2-1-4同时设置在第一反射面2-1-2或第二反射面上2-1-3上，或者入射窗口2-1-1设置在第一反射面2-1-2上，出射窗口2-1-4设置在第二反射面2-1-3上；或者入射窗口2-1-1设置在第二反射面2-1-3上，出射窗口2-1-4设置在第一反射面2-1-2上。
可选的，入射窗口2-1-1和出射窗口2-1-4的面积大小适配。
第一入射窗口2-1-1设置在经第一偏振片3-1反射的光的光路上，第二反射镜1-2设置在经第一出射窗口2-1-4射出的光的光轴上。
具体地，从第一入射窗口2-1-1进入石英玻璃棒2-1内的光束，经过第一反射面2-1-2反射至第二反射面2-1-3构成一个反射循环周期；或者，从第一入射窗口2-1-1进入石英玻璃棒2-1内的光束，从第二反射面2-1-3反射至第一反射面2-1-2并反射回第二反射面2-1-3构成一个反射循环周期；相邻两个反射循环周期中，两条从第一反射面2-1-2反射至第二反射面2-1-3的光线的夹角为θ1,以及两条从第二反射面2-1-3反射至第一反射面2-1-2的光线的夹角为θ1；其中，θ1＝2cos-1(1-d1/R1)，并且满足ν1θ1＝μ1π；其中，d1为石英玻璃棒的长度，R1为第一反射面2-1-2和第二反射面2-1-3的曲率半径，ν1为往返次数，且ν1与μ1均为正整数。
可选的，通过下述方法确定石英玻璃棒的尺寸和曲率：
首先，根据需要，确定石英玻璃棒的光束折返次数v1和μ1(无实际意义，仅仅是作为π的整数倍)根据闭合光路公式ν1θ1＝μ1π计算得到旋转角度θ1，根据θ1＝2cos-1(1-d1/R1)计算得到石英玻璃棒的曲率R1和长度d1的关系，可以先确定石英玻璃棒2-1的长度，从而得到石英玻璃棒的曲率。
可选的，当确定石英玻璃棒的长度d和曲率R后，可以根据预先确定的往返次数ν1确定石英玻璃棒的入射窗口和出射窗口是否在同一面，将石英玻璃棒的入射窗口设置在沿增益介质射出的光的光路上，以确定入射窗口的位置，由于石英玻璃棒的长度和曲率确定，旋转角也确定，石英玻璃棒内光束的反射路径也是可以计算的，最后确定出射窗口的位置，出射窗口设置在最后一次反射光的光口处。
综上所述，可以通过调整光在第一反射面和第二反射面之间的往返的次数ν1来改变光路的实际光程，从而获得稳定的调Q长脉冲激光输出。
进一步具体地，可以通过调整第二半波片4-2的快轴方向与经第二偏振片3-2形成的p偏振光的夹角φ2的值确定调Q激光器输出单光束或者输出双光束。
优选的，当φ2的范围是：0°、45°或90°时，调Q激光器输出单光束，当φ2的范围是:0°<φ2<45°和45°<φ2<90°时，调Q激光器输出双光束。
下面将详细说明本发明第一实施方式提供的调Q激光器是如何通过调节第二半波片4-2来实现单光束或双光束输出的。
增益介质6受激辐射出的光经过第二偏振片3-2使p偏振光透过，经过第二半波片4-2后，变为与p偏振光夹角为2φ2的偏振光。当φ2＝45°时，则经过第二半波片4-2的p偏振光的振动方向旋转90°，即变为s偏振光，该s偏振光经第三偏振片3-3反射至第二输出镜7-2，经第二输出镜7-2输出，因此，这种情况只能产生单光束。
当φ2＝0°或90°时，则p偏振光的振动方向旋转0°或180°，即任为p偏振光，则该p偏振光透过第三偏振片3-3沿第一输出镜7-1输出，因此，这种情况只能产生输出单光束。
当φ2为0°<φ2<45°和45°<φ2<90°时，与p偏振光夹角为2φ2的偏振光一部分会透过第三偏振片3-3沿第一输出镜7-1输出，另一部分会被第三偏振片3-3反射，被反射的光射出至第二输出镜7-2，经第二输出镜7-2输出，因此，这种情况可以产生双光束输出。
需要说明的是，当φ2为22.5°<φ2<45°或45°<φ2<67.5°时，从第三偏振片3-3反射的光会多于透过第三偏振片3-3的光束；当φ2为0°<φ2<22.5°或67.5°<φ2<90°时，从第三偏振片3-3反射的光会少于透过第三偏振片3-3的光束。综上，可以通过调节φ2的角度改变经第三偏振片3-3反射和透过的光功率。
进一步具体地，可以调节第一半波片4-1的快轴方向与经第二偏振片3-2形成的p偏振光的夹角φ1来调节光路的实际光程以获得4种脉冲宽度的激光。
下面将详细说明本发明第一实施方式提供的调Q激光器是如何通过调节第一半波片4-1来实现4种脉宽激光。
从第一输出镜7-1和/或第二输出镜7-2部分反射回的光，依次经过第三偏振片3-3、第二半波片4-2、第二偏振片3-2、增益介质6和Q开关，经过第一半波片4-1后，变为与p偏振光夹角为2φ1的偏振光。当φ1＝45°时，则经过第一半波片4-1的p偏振光的振动方向旋转90°，即变为s偏振光，该s偏振光经第一偏振片3-1反射经过第一石英玻璃棒2-1的入射窗口2-1-1进入，往返传输，从第一石英玻璃棒2-1的出射窗口2-1-4射出至第二反射镜1-2表面，经第二反射镜1-2原路反回至第一输出镜7-1和/或第二输出镜7-2输出。因此，这种情况下，光束的实际光程较长，输出光束的脉宽较长，可以得到长脉冲的调Q的激光，例如，脉冲宽度为10μs的激光。而输出哪一种脉冲宽度的激光，可需要调整φ1、φ2角度而定。
当φ1＝0°或90°时，经过第一半波片4-1后，p偏振光的振动方向旋转0°或180°、即任为p偏振光，则该p偏振光透过第一偏振片3-1反射至第一反射镜1-1后原路返回。因此，这种情况下，光束的实际光程较短，可以得到短脉冲的调Q的激光，例如，脉冲宽度为10ns的激光。
综上所述，可以通过调节第一半波片4-1的角度，来调节输出激光的脉冲宽度，通过第二半波片4-2的角度，来调节输出激光的脉冲宽度和哪一种光束，和经第三偏振片3-3反射和透过的光功率。
可选的，还可以设置有一个第三石英玻璃棒，第三石英玻璃棒的入射窗口设置在经第一偏振片3-1透过的光的光路上，第一反射镜1-1设置在经第三石英玻璃棒的出射窗口射出的光的光轴上。设置第三石英玻璃棒主要是为了增加透过第一偏振片3-1反射至第一反射镜1-1的光束的实际光程，以获得长脉冲的调Q激光。
可选的，还可以设置有一个第四石英玻璃棒，第四石英玻璃棒的入射窗口设置在经第三偏振片3-3透过的光的光路上，第一输出镜7-1设置在经第四石英玻璃棒的出射窗口射出的光的光轴上。设置第四石英玻璃棒主要是为了增加透过第三偏振片3-3反射至第一输出镜7-1的光束的实际光程，以获得长脉冲的调Q激光。
在一个实施例中，第一反射镜1-1和第二反射镜1-2镀有高反膜。
在一个实施例中，Q开关2为电光调Q开关、声光调Q开关、染料调Q开关或色心晶体调Q开关中的一种。
在一个实施例中，增益介质6为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺镱钇铝石榴石Yb:YAG、陶瓷、二氧化碳CO2、氦-氖气、铜蒸气、砷化镓GaAs、硫化镉CdS、磷化铟InP、若丹明6G或若丹明B中的一种。
在一个实施例中，激光器的泵浦方式为端泵或侧泵。
在一个实施例中，第一反射面2-1-2和第二反射面2-1-3镀有高反膜。
在一个实施例中，第一输出镜7-1和第二输出镜7-2镀有对于输出波长一定透射率的膜。
在一个实施例中，石英玻璃棒2-1、第二输出镜7-2和第二反射镜1-2以及沿光轴依次设置的第一反射镜1-1、第一偏振片3-1、第一半波片4-1、Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2、第二半波片4-2、第三偏振片3-3和第一输出镜7-1任一两者之间设置有标准具、波片、体布拉格光栅、双折射滤波片、非线性频率变换晶体中的任意一种或多种。例如，在Q开关5和增益介质6之间可插入标准具，用于压窄线宽或者选波长。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明实施方式提供的调Q激光器设置有第一反射镜、第一输出镜和第二输出镜，同时在增益介质两侧分别设置有第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片以及第一半波片和第二半波片，通过调节第一半波片和第二半波片的角度，可以输出4种脉宽分立可调的调Q激光。并且，本发明实施方式提供的调Q激光器能够实现单光束输出或者双光束输出。
(2)通过在调Q激光器的光路中设置石英玻璃棒，使得光束能够从石英玻璃棒的入射窗口射入在石英玻璃棒两端的反射面上反射多次，符合νθ＝μπ的光束从石英玻璃棒出射窗口输出。通过上述石英玻璃棒，一方面，光线经ν次往返传输，能够增加光路的实际光程，实现长脉冲调Q激光输出；另一方面，当θ角满足闭合条件，光线经ν次往返传输从出射窗口射出时的q参数与射入前完全相同，也就是实现了q参数的单位变换，使得石英玻璃棒本身在光路中具有零效应长度，从而能够输出稳定的长脉冲Q激光。
图2是根据本发明第一实施方式的调Q激光器中第一石英玻璃棒2-1内光束的传输示意图。
如图2所示，从入射窗口2-1-1进入石英玻璃棒2-1内的光束，初始时，从入射窗口2-1-1进入石英玻璃棒2-1内的光束，经过第一反射面2-1-2反射至第二反射面2-1-3构成一个反射循环周期；或者，当光束第二次反射至第一反射面之后，光束从第一反射面2-1-2反射至第二反射面2-1-3并反射回第一反射面2-1-2构成一个反射循环周期；或者，从入射窗口2-1-1进入石英玻璃棒2-1内的光束，从第二反射面2-1-3反射至第一反射面2-1-2并反射回第二反射面2-1-3构成一个反射循环周期。
相邻两个反射循环周期中，两条从第一反射面2-1-2反射至第二反射面2-1-3的光束或者两条从第一反射面2-1-3反射至第二反射面2-1-2的光束的夹角为旋转角度θ1，θ1小于或等于180°(当ν1＝μ1＝1时，θ1＝180°)，且θ1＝2cos-1(1-d1/R1)，其中，d1为石英玻璃棒2-1的长度，R1为第一反射面和第二反射面的曲率半径。当光束满足ν1θ1＝μ1π时，会形成闭合的光路，其中，ν1为往返次数，也就是循环周期的次数，且ν1与μ1均为正整数。
根据上述公式ν1θ1＝μ1π，由ABCD矩阵传输理论可以计算得到形成闭合光路的光束在石英玻璃棒中经过ν1次往返传播后的矩阵T为：
Figure GDA0002135354000000131
通过上述矩阵可以得知，该矩阵为单位矩阵，也就是说，经过ν次往返后，石英玻璃棒对光束提供了q参数的单位变换，也就是光线经ν次往返传输从出射窗口2-1-4射出时的q参数与从入射窗口2-1-1射入前完全相同，可知该石英玻璃棒2-1在光路中具有零效应长度。也就是在激光器内加入了石英玻璃棒2-1，除了增加光路的实际光程，并没有改变光束的光斑大小和发散角等性质，从而获得稳定的长脉冲调Q激光输出。
图3是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器中第一反射面或第二反射面上的光斑分布示意图。
如图3(a)所示，光入射至石英玻璃棒2-1，当满足ν1θ1＝μ1π时，光束会从出射窗口2-1-4输出。
光束每经过一次第一反射面或第二反射面的反射就有一个α。如果，改变入射光束相对光轴的角度，反射的光斑在第一反射面或第二反射面的分布轨迹组成一个椭圆或圆。
如图3(a)所示，本实施例以第一石英玻璃棒2-1内的光束传输为例，光束往返次数为ν1＝4，μ1＝2，θ1＝90°时，石英玻璃棒2-1第一反射面或第二反射面上的光斑分布图。实线的光斑为第一反射面2-1-2上的光斑，虚线的光斑为从第一反射面2-1-2上看的第二反射面2-1-3上的光斑。
光束由P0射入石英玻璃棒2-1，P0→P1′→P1→P2′→P2→P3′→P3→P4′，由P4′射出至第二反射镜1-2并经过其反射后，再由P4′射入，P4′→P3→P3′→P2→P2′→P1→P1′→P0，由P0射出至第一偏振片3-1。
图3(b)所示的例子中，令ν1＝9、μ1＝2、θ1＝40°时，石英玻璃棒2-1第一反射面或第二反射面上的光斑分布的点模式，实心的点为第一反射面2-1-2上形成的光斑，空心的点为第二反射面上形成的光斑，与图3(a)所示的激光器内光束的参数ν1＝4，μ1＝2，θ1＝90°相比，μ1相同时，改变往返的次数ν1可改变反射窗口上的光斑数，即改变光路的实际光程，同时与旋转角θ1成反比。
图3(c)所示的例子中，令ν1＝9、μ1＝4、θ1＝80°时，石英玻璃棒2-1两端曲面上的光斑分布的点模式，与图3(a)ν1＝9、μ1＝2、θ1＝40°相比，往返的次数ν1相同时，改变μ1可改变反射窗口上相邻两个循环周期形成的光斑夹角θ1，并与之正反比。
可选的，通过下述方法确定石英玻璃棒2-1的尺寸和曲率：
首先，根据需要，确定石英玻璃棒2-1的光束折返次数v1和μ1(无实际意义，仅仅是作为π的整数倍)根据闭合光路公式ν1θ1＝μ1π计算得到旋转角度θ1，根据θ1＝2cos-1(1-d1/R1)计算得到石英玻璃棒的曲率R1和长度d1的关系，可以先确定石英玻璃棒2-1的长度，从而得到石英玻璃棒2-1的曲率。
综上所述，可以通过调整光在第一反射面和第二反射面之间的往返的次数ν1来改变光路的实际光程，从而获得稳定的调Q长脉冲激光输出。
图4(a)是根据本发明第二实施方式提供的一种调Q激光器。
本发明第二实施方式提供的调Q激光器是在第一实施方式提供的调Q激光器基础上，增加了第二石英玻璃棒2-2。
第二石英玻璃棒2-2的入射窗口2-2-1设置在经第二偏振片3-3反射的光的光轴上，第二输出镜7-2设置在经第二石英玻璃棒2-2的出射窗口2-2-4射出的光的光轴上。
需要说明的是，第二石英玻璃棒2-2与第一石英玻璃棒2-1的性质相同，满足ν2θ2＝μ2π的光束可以从第二石英玻璃棒的出射窗口2-2-4射出。并且，第二石英玻璃棒的长度d2、曲率半径R2、折返次数和ν2、旋转角θ2可以与第一石英玻璃棒2-1的相同或者不同，可以视情况而定。
在一个实施例中，第三反射面2-2-2和第四反射面2-2-3镀有高反膜。
本发明第二实施方式提供的调Q激光器，能够输出四种分立脉宽单光束以及双光束。
下面将结合图4(b)-图4(e)详细说明本发明第二实施方式提供的调Q激光器是如何能够实现四种分立脉宽的单光束输出的。
在图4(b)所示的例子中，调Q激光器的第一偏振片3-1、第二偏振片3-2和第三偏振片3-3以布鲁斯特角放置，使第一半波片4-1的快轴与p偏振光的夹角φ1设置为0°或90°，使第二半波片4-2的快轴与p偏振光的夹角φ2设置为0°或90°。
以下将详细说明上述调Q激光器内光束的振荡路径：增益介质6受激辐射出的光，经过第二偏振片3-2，p偏振光透过，透过的p偏振光经第二半波片4-2仍为p偏振光，透过第三偏振片3-3，经输出镜7-1反射，原路返回经过第三偏振片3-3、第二半波片4-2、第二偏振片3-2、增益介质6、Q开关5、经第一半波片4-1后任为p偏振光，透过第一偏振片3-1，经第一反射镜1-1反射，原路返回经过第一偏振片3-1、第一半波片4-1，Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡。当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第一输出镜7-1输出。
图4(c)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的另一种光束传输示意图。
如图4(c)所示，调Q激光器的第一偏振片3-1、第二偏振片3-2和第三偏振片以布鲁斯特角放置，使第一半波片4-1的快轴与p偏振光的夹角φ1设置为45°，使第二半波片4-2的快轴与p偏振光的夹角φ2设置为0°或90°。
以下将详细说明上述调Q激光器内光束的振荡路径：增益介质6受激辐射出的光，经过第二偏振片3-2，p偏振光透过，透过的p偏振光经第二半波片4-2仍为p偏振光，透过第三偏振片3-3，经输出镜7-1反射，原路返回经过第三偏振片3-3、第二半波片4-2、第二偏振片3-2、增益介质6、Q开关5、经第一半波片4-1后变为s偏振光，该s偏振光经第一偏振片3-1反射，经石英玻璃棒2-1的入射窗口2-1-1射入石英玻璃棒2-1内，在第一石英玻璃棒2-1内往返传输，符合闭合光路ν1θ1＝μ1π条件的从第一石英玻璃棒2-1的出射窗口2-1-4射出至第二反射镜1-2表面，被第二反射镜1-2反射至第一石英玻璃棒2-1内，经过往返传输从第一石英玻璃棒2-1的入射窗口射出至第一偏振片3-1的表面，经过第一偏振片3-1后任为s偏振光、经第一半波片4-1后变为p偏振光，透过Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡。当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第一输出镜7-1输出。
图4(d)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的又一种光束传输示意图。
如图4(d)所示，使第一半波片4-1的快轴与p偏振光的夹角φ1设置为0°或90°，使第二半波片4-2的快轴与p偏振光的夹角φ2设置为45°。
以下将详细说明上述调Q激光器内光束的振荡路径：增益介质6受激辐射出的光，经过第二偏振片3-2，p偏振光透过，透过的p偏振光经第二半波片4-2变为s偏振光，该s偏振光经第三偏振片3-3反射，经石英玻璃棒2-2的入射窗口2-2-1射入石英玻璃棒2-2内，在第二石英玻璃棒2-2内往返传输，符合闭合光路ν2θ2＝μ2π条件的从第二石英玻璃棒2-2的出射窗口2-2-4射出至第二输出镜7-2表面，被第二输出镜7-2表面反射至第二石英玻璃棒2-2内，经过往返传输从第二石英玻璃棒2-2的入射窗口射出至第三偏振片3-3的表面，经过第三偏振片3-3后任为s偏振光、经第二半波片为变为p偏振光，透过第二偏振片3-2、增益介质6、Q开关5，经第一半波片4-1后任为p偏振光，透过第一偏振片3-1，经第一反射镜1-1反射，原路返回经过第一偏振片3-1、第一半波片4-1，Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡。当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第二输出镜7-2输出。
图4(e)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的另一种光束传输示意图。
如图4(e)所示，使第一半波片4-1的快轴与p偏振光的夹角φ1设置为45°，使第二半波片4-2的快轴与p偏振光的夹角φ2设置为45°。
以下将详细说明上述调Q激光器内光束的振荡路径：增益介质6受激辐射出的光，经过第二偏振片3-2，p偏振光透过，透过的p偏振光经第二半波片4-2变为s偏振光，该s偏振光经第三偏振片3-3反射，经入射窗口2-2-1射入第二石英玻璃棒2-2内，在第二石英玻璃棒2-2内往返传输，符合闭合光路ν2θ2＝μ2π条件的从第二石英玻璃棒2-2的出射窗口2-2-4射出至第二输出镜7-2表面，被第二输出镜7-2表面反射至第二石英玻璃棒2-2内，经过往返传输从第二石英玻璃棒2-2的入射窗口射出至第三偏振片3-3的表面，经过第三偏振片3-3后任为s偏振光、经第二半波片3-2为变为p偏振光，透过第二偏振片3-2、增益介质6、Q开关5，经第一半波片4-1后变为s偏振光，该s偏振光经第一偏振片3-1反射，经入射窗口2-1-1射入石英玻璃棒2-1内，在第一石英玻璃棒2-1内往返传输，符合闭合光路ν1θ1＝μ1π条件的从第一出射窗口2-1-4射出至第二反射镜1-2表面，被第二反射镜1-2反射至第一石英玻璃棒2-1内，经过往返传输从第一石英玻璃棒2-1的入射窗口射出至第一偏振片3-1的表面，经过第一偏振片3-1后任为s偏振光、经第一半波片4-1后变为p偏振光，透过Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡。当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第一输出镜7-2输出。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明实施方式提供的调Q激光器设置有第一反射镜和第二反射镜、第一输出镜和第二输出镜，同时在增益介质两侧分别设置有第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片以及第一半波片和第二半波片，通过调节第一半波片和第二半波片的角度，实现4种分立可调的脉宽。并且，本发明实施方式提供的调Q激光器能够实现单光束输出或者双光束输出。
(2)通过在调Q激光器的光路中设置石英玻璃棒，使得光束能够从石英玻璃棒的入射窗口射入在石英玻璃棒两端的反射面上反射多次，符合νθ＝μπ的光束从石英玻璃棒出射窗口输出。通过上述石英玻璃棒，一方面，光线经ν次往返传输，能够增加光路的实际光程；另一方面，当θ角满足闭合条件，光线经ν次往返传输从出射窗口射出时的q参数与射入前完全相同，也就是实现了q参数的单位变换，使得石英玻璃棒本身在光路中具有零效应长度，从而能够输出稳定的长脉冲Q激光。
下面将结合图5(a)和图5(b)来说明本发明第二实施方式提供的调Q激光器是如何实现两种双光束输出的。
图5(a)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的一种双光束传输示意图。
如图5(a)所示，使第一半波片4-1的快轴与p偏振光的夹角φ1设置为0°或90°，使第二半波片4-2的快轴与p偏振光的夹角φ2设置为0<φ2<45°或者45°<φ2<90°。
以下将详细说明上述调Q激光器内光束的振荡路径：增益介质6受激辐射出的光，经过第二偏振片3-2，p偏振光透过，透过的p偏振光经第二半波片4-2变为与p偏振光夹角为2φ2的偏振光，该偏振光经第三偏振片3-3一部分反射部分透过，反射的光经入射窗口2-2-1射入石英玻璃棒2-2内，在第二石英玻璃棒2-2内往返传输，符合闭合光路ν2θ2＝μ2π条件的从第二石英玻璃棒2-2的出射窗口2-2-4射出至第二输出镜7-2表面，被第二输出镜7-2表面反射至第二石英玻璃棒2-2内，经过往返传输从第二石英玻璃棒2-2的入射窗口射出至第三偏振片3-3的表面，经过第三偏振片3-3、经第二半波片4-2，透过第二偏振片3-2后为p偏振光、经过增益介质6、Q开关5，经第一半波片4-1后任为p偏振光，透过第一偏振片3-1，经第一反射镜1-1反射，原路返回经过第一偏振片3-1、第一半波片4-1，Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡，当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第一输出镜7-2输出；该与p偏振光夹角为2φ2的偏振光另一部分透过第三偏振片3-3，经第一输出镜7-1反射，原路返回透过第三偏振片、第二半波片4-2、第二偏振片3-2后为任为p偏振光，经过增益介质6、Q开关5，经第一半波片4-1后任为p偏振光，透过第一偏振片3-1，经第一反射镜1-1反射，原路返回经过第一偏振片3-1、第一半波片4-1，Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡，当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第一输出镜7-1输出。
图5(b)是根据本发明第二实施方式提供的调Q激光器的另一种双光束传输示意图。
如图5(b)所示，使第一半波片4-1的快轴与p偏振光的夹角φ1设置为45°，使第二半波片4-2的快轴与p偏振光的夹角φ2设置为0<φ2<45°或者45°<φ2<90°。
以下将详细说明上述调Q激光器内光束的振荡路径：增益介质6受激辐射出的光，经过第二偏振片3-2，p偏振光透过，透过的p偏振光经第二半波片4-2变为与p偏振光夹角为2φ2的偏振光，该偏振光经第三偏振片3-3一部分反射部分透过，反射的光经石英玻璃棒的入射窗口2-2-1射入石英玻璃棒2-2内，在第二石英玻璃棒2-2内往返传输，符合闭合光路ν2θ2＝μ2π条件的从第二石英玻璃棒2-2的出射窗口2-2-4射出至第二输出镜7-2表面，被第二输出镜7-2表面反射至第二石英玻璃棒2-2内，经过往返传输从第二石英玻璃棒2-2的入射窗口射出至第三偏振片3-3的表面，经过第三偏振片3-3、经第二半波片4-2，透过第二偏振片3-2后为p偏振光、经过增益介质6、Q开关5，经第一半波片4-1后变为s偏振光，该s偏振光经第一偏振片3-1反射，经石英玻璃棒的入射窗口2-1-1射入石英玻璃棒2-1内，在第一石英玻璃棒2-1内往返传输，符合闭合光路ν1θ1＝μ1π条件的从第一石英玻璃棒2-1的出射窗口2-1-4射出至第二反射镜1-2表面，被第二反射镜1-2反射至第一石英玻璃棒2-1内，经过往返传输从第一石英玻璃棒2-1的入射窗口射出至第一偏振片3-1的表面，经过第一偏振片3-1后任为s偏振光、经第一半波片4-1后变为p偏振光，透过Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡，当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第二输出镜7-2输出；与p偏振光夹角为2φ2的偏振光另一部分透过第三偏振片3-3，经第一输出镜7-1反射，原路返回透过第三偏振片3-3、第二半波片4-2、第二偏振片后为p偏振光，经过增益介质6、Q开关5，经第一半波片4-1后变为s偏振光，该s偏振光经第一偏振片3-1反射，经石英玻璃棒的入射窗口2-1-1射入石英玻璃棒2-1内，在第一石英玻璃棒2-1内往返传输，符合闭合光路ν1θ1＝μ1π条件的从第一石英玻璃棒2-1的出射窗口2-1-4射出至第二反射镜1-2表面，被第二反射镜1-2反射至第一石英玻璃棒2-1内，经过往返传输从第一石英玻璃棒2-1的入射窗口射出至第一偏振片3-1的表面，经过第一偏振片3-1后任为s偏振光、经第一半波片4-1后变为p偏振光，透过Q开关5、增益介质6、第二偏振片3-2，如此往返振荡，当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第一输出镜7-1输出。
本发明第二实施方式提供的调Q激光器，具有如下的有益效果：
(1)本发明第二实施方式提供的调Q激光器设置有第一反射镜、第一输出镜和第二输出镜，同时在增益介质两侧分别设置有第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片以及第一半波片和第二半波片，通过调节第一半波片和第二半波片的角度，可以得到4种脉宽分立可调的调Q激光。并且，本发明实施方式提供的调Q激光器能够实现单光束输出或者双光束输出。
(2)通过在调Q激光器的光路中设置一个石英玻璃棒，使得光束能够从石英玻璃棒的入射窗口射入在石英玻璃棒两端的反射面上反射多次，符合νθ＝μπ的光束从石英玻璃棒出射窗口输出。通过上述石英玻璃棒，一方面，光线经ν次往返传输，能够增加光路的实际光程，实现长脉冲调Q激光输出；另一方面，当θ角满足闭合条件，光线经ν次往返传输从出射窗口射出时的q参数与射入前完全相同，也就是实现了q参数的单位变换，使得石英玻璃棒本身在光路中具有零效应长度，从而能够输出稳定的Q激光。
图6为本发明第三实施方式提供的脉宽分立可调的调Q激光器的结构示意图。
如图6所示，该调Q激光器包括：第五石英玻璃棒2-3、第四输出镜7-4以及沿光轴依次设置的第三反射镜1-3、Q开关5、增益介质6、第四偏振片3-4、第三半波片4-3、第五偏振片3-5和第三输出镜7-3。
第四偏振片3-4和第五偏振片3-5分别按布鲁斯特角设置。
需要说明的是，一般，如果第四偏振片3-4和第五偏振片3-5石英玻璃制成，则布鲁斯特角为55.6°。可选的，还可以设置为第五偏振片和光轴的夹角为45°，则在第五偏振片表面镀有45°P偏振光高透膜，45°s偏振光高反膜。
进一步需要说明的是，第四偏振片3-4的作用是起振p偏振光，第五偏振片3-5的作用主要是反射s偏振光，透过p偏振光。而第三半波片4-3的作用是改变偏振光的振动面，即改变偏振光的振动方向。
石英玻璃棒2-3设置有第三入射窗口2-3-1和第三出射窗口2-3-4；石英玻璃棒2-3的一端设置有曲率为R3的第五反射面2-3-2；另一端设置为曲率为R3的第六反射面2-3-3；第三入射窗口2-3-1设置在第六反射面2-3-3上，出射窗口2-3-4设置在第五反射面2-3-2或第六反射面2-3-3上；第三入射窗口2-3-1设置在经第五偏振片3-5反射的光的光路上，第四输出镜7-4设置在经出射窗口2-3-4射出的光的光轴上。
具体地，从第三入射窗口2-3-1进入石英玻璃棒2-3内的光束，经过第五反射面2-3-2反射至第六反射面2-3-3构成一个反射循环周期；或者，从第三入射窗口2-3-1进入第五石英玻璃棒2-3内的光束，从第六反射面2-3-3反射至第五反射面2-3-2并反射回第六反射面2-3-3构成一个反射循环周期；相邻两个反射循环周期中，两条从第五反射面2-3-2反射至第六反射面2-3-3的光线的夹角为θ3,以及两条从第六反射面2-3-3反射至第五反射面2-3-2的光线的夹角为θ3；其中，θ3＝2cos-1(1-d3/R3)，并且满足ν3θ3＝μ3π；其中，d3为石英玻璃棒2-3的长度，R3为第五反射面2-3-2和第六反射面2-3-3的曲率半径，ν3为往返次数，且ν3与μ3均为正整数。
进一步具体地，可以通过调整第三半波片4-3的快轴方向与经第四偏振片3-4形成的p偏振光的夹角φ3振的值确定调Q激光器输出单光束或者输出双光束。
可选的，φ3的范围是：0°、45°或90°时，调Q激光器输出单光束，当φ3的范围是:0°<φ3<45°和45°<φ3<90°时，调Q激光器输出双光束。
下面将详细说明本发明第三实施方式提供的调Q激光器是如何通过调节第三半波片4-3来实现单光束或双光束输出的。
增益介质受激辐射出的光经过第四偏振片3-4使p偏振光透过，经过第三半波片4-3后，变为与p偏振光夹角为2φ3的偏振光。当φ3＝45°时，则经过第三半波片4-3的p偏振光变为90°，即变为s偏振光，该s偏振光经过第五偏振片3-5后，经过第三石英玻璃棒2-3的入射窗口2-3-1射入，在第三石英玻璃棒2-3内往返传输后，从其出射窗口2-3-4射出至第四输出镜7-4，经第四输出镜7-4输出，因此，这种情况只能产生单光束。
当φ3＝0°或90°时，则与p偏振光夹角为2φ3的偏振光变为0°或180°，则该偏振光透过第五偏振片3-5沿第三输出镜7-3输出，因此，这种情况只能产生输出单光束。可选的，这种情况可以得到脉冲宽度为10ns的激光。
当φ3为0°<φ3<45°和45°<φ3<90°时，与p偏振光夹角为2φ3的偏振光一部分会透过第五偏振片3-5沿第三输出镜7-3输出，另一部分会被第五偏振片3-5反射，被反射的光经过第五石英玻璃棒2-3的入射窗口2-3-1射入，在石英玻璃棒2-3内往返传输后，从其出射窗口2-3-4射出至第四输出镜7-4，经第四输出镜7-4输出，因此，这种情况可以产生双光束输出，两种光束的脉冲宽度的范围为10ns～10μs。
以下将说明当φ3为0°<φ3<45°和45°<φ3<90°时，上述调Q激光器内光束的振荡路径：增益介质6受激辐射出的光，经过第四偏振片3-4，p偏振光透过，透过的p偏振光经第三半波片4-3变为与p偏振光夹角为2φ3的偏振光，该偏振光经第五偏振片3-5一部分反射一部分透过，反射的光经石英玻璃棒的入射窗口2-3-1射入石英玻璃棒2-3内，在第五石英玻璃棒2-3内往返传输，符合闭合光路ν3θ3＝μ3π条件的从第三石英玻璃棒2-3的出射窗口2-3-4射出至第四输出镜7-4表面，被第四输出镜7-4表面反射至第五石英玻璃棒2-3内，经过往返传输从第五石英玻璃棒2-3的入射窗口射出至第五偏振片3-5的表面，经过第五偏振片3-5、经第三半波片4-3，透过第四偏振片3-4后为p偏振光、经过增益介质6、Q开关5后，经第三反射镜1-3反射，原路返回经过Q开关5、增益介质6、第四偏振片3-4，如此往返振荡，当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第四输出镜7-4输出；该与p偏振光夹角为2φ3的偏振光经另一部分透过第五偏振片3-5，经第三输出镜7-3反射，原路返回透过第五偏振片3-5、第三半波片4-3、第四偏振片3-4后为p偏振光，经过增益介质6、Q开关5后，经第三反射镜1-3反射，原路返回经过Q开关5、增益介质6、第四偏振片3-4，如此往返振荡，当调Q激光器的谐振腔内光子数达到输出阈值时，光束从镀有一定透过率的第三输出镜7-3输出。
需要说明的是，当φ3为22.5°<φ2<45°或45°<φ2<67.5°时，进入第五石英玻璃棒2-3的光会多于透过第五偏振片3-5的光束。当φ3为0°<φ3<22.5°和67.5°<φ3<90°时，进入第五石英玻璃棒2-3的光会少于透过第五偏振片3-5的光束。综上，可以通过调节第三半波片4-3的快轴方向与经第四偏振片3-4形成的p偏振光的夹角φ3的大小，来调整第五偏振片3-5的透射与反射功率比。
在一个实施例中，第三反射镜镀1-3有高反膜；第三输出镜7-3和第四输出镜镀7-4有对于输出波长一定透射率的膜；第五反射面2-3-2和第六反射面2-3-3镀有高反膜。
在一个实施例中，Q开关为电光调Q开关、声光调Q开关、染料调Q开关或色心晶体调Q开关中的一种。
在一个实施例中，增益介质为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺镱钇铝石榴石Yb:YAG、陶瓷、二氧化碳CO2、氦-氖气、铜蒸气、砷化镓GaAs、硫化镉CdS、磷化铟InP、若丹明6G或若丹明B中的一种。
在一个实施例中，激光器的泵浦方式为端泵或侧泵。
可选的，还可以在第五石英玻璃棒、第四输出镜以及沿光轴依次设置的第三反射镜、第四偏振片、Q开关、增益介质、第五偏振片、第三半波片、第六偏振片和第三输出镜任一两者之间设置有标准具、波片、体布拉格光栅、双折射滤波片、非线性频率变换晶体中的任意一种或多种。
本发明第三实施方式提供的调Q激光器，具有如下的有益效果：
(1)本发明第三实施方式提供的调Q激光器，通过调节第三半波片的角度，可以得到2种脉宽分立可调的调Q激光。并且，本发明实施方式提供的调Q激光器能够实现单光束输出或者双光束输出，还可以通过调节第二半波片的角度实现双光束输出时的功率比。
(2)通过在调Q激光器的光路中设置一个石英玻璃棒，使得光束能够从石英玻璃棒的入射窗口射入在石英玻璃棒两端的反射面上反射多次，符合ν3θ3＝μ3π的光束从石英玻璃棒出射窗口输出。通过上述石英玻璃棒，一方面，光线经ν3次往返传输，能够增加光路的实际光程，实现长脉冲调Q激光输出；另一方面，当θ3角满足闭合条件，光线经ν3次往返传输从出射窗口射出时的q参数与射入前完全相同，也就是实现了q参数的单位变换，使得石英玻璃棒本身在光路中具有零效应长度，从而能够输出稳定的Q激光。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (15)

1.一种脉宽分立可调的调Q激光器，其特征在于，包括：第一石英玻璃棒(2-1)、第二输出镜(7-2)和第二反射镜(1-2)以及沿光轴依次设置的第一反射镜(1-1)、第一偏振片(3-1)、第一半波片(4-1)、Q开关(5)、增益介质(6)、第二偏振片(3-2)、第二半波片(4-2)、第三偏振片(3-3)和第一输出镜(7-1)；
其中，所述第二输出镜(7-2)设置在沿所述第三偏振片(3-3)反射的光的光轴上；
所述第一偏振片(3-1)、第二偏振片(3-2)和第三偏振片(3-3)分别按布鲁斯特角设置；
所述第一石英玻璃棒(2-1)设置有第一入射窗口(2-1-1)和第一出射窗口(2-1-4)；
所述第一石英玻璃棒(2-1)的一端设置有曲率为R1的第一反射面(2-1-2)；另一端设置为曲率为R1的第二反射面(2-1-3)；
所述第一入射窗口(2-1-1)设置在所述第二反射面(2-1-3)上，所述出射窗口(2-1-4)设置在所述第一反射面(2-1-2)或所述第二反射面(2-1-3)上；
所述第一入射窗口(2-1-1)设置在经所述第一偏振片(3-1)反射的光的光轴上，所述第二反射镜(1-2)设置在经所述第一出射窗口(2-1-4)射出的光的光轴上；
从所述第一入射窗口(2-1-1)进入所述第一石英玻璃棒(2-1)内的光束，经过所述第一反射面(2-1-2)反射至所述第二反射面(2-1-3)构成一个反射循环周期；或者，
从所述第一入射窗口(2-1-1)进入所述第一石英玻璃棒(2-1)内的光束，从所述第二反射面(2-1-3)反射至所述第一反射面(2-1-2)并反射回所述第二反射面(2-1-3)构成一个反射循环周期；
相邻两个所述反射循环周期中，两条从所述第一反射面(2-1-2)反射至所述第二反射面(2-1-3)的光线的夹角为θ1,以及两条从所述第二反射面(2-1-3)反射至所述第一反射面(2-1-2)的光线的夹角为θ1；其中，θ1＝2cos-1(1-d1/R1)，并且满足ν1θ1＝μ1π；其中，d1为所述第一石英玻璃棒(2-1)的长度，R1为所述第一反射面(2-1-2)和所述第二反射面(2-1-3)的曲率半径，ν1为往返次数，且ν1与μ1均为正整数。
2.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，还包括第二石英玻璃棒(2-2)；
所述第二石英玻璃棒(2-2)设置有第二入射窗口(2-2-1)和第二出射窗口(2-2-4)；
所述第二石英玻璃棒(2-2)的一端设置有曲率为R2的第三反射面(2-2-2)；另一端设置为曲率为R2的第四反射面(2-2-3)；
所述第二入射窗口(2-2-1)设置在所述第四反射面(2-2-3)上，所述第二出射窗口(2-2-4)设置在所述第三反射面(2-2-2)或所述第四反射面(2-2-3)上；
所述第二入射窗口(2-2-1)设置在经所述第三偏振片(3-3)反射的光的光路上，所述第二输出镜(7-2)设置在经所述第二出射窗口(2-2-4)射出的光的光轴上。
3.根据权利要求2所述的调Q激光器，其特征在于，从所述第二入射窗口(2-2-1)进入所述第二石英玻璃棒(2-2)内的光束，经过所述第三反射面(2-2-2)反射至所述第四反射面(2-2-3)构成一个反射循环周期；或者，
从所述第二入射窗口(2-2-1)进入所述第二石英玻璃棒(2-2)内的光束，从所述第四反射面(2-2-3)反射至所述第三反射面(2-2-2)并反射回所述第四反射面(2-2-3)构成一个反射循环周期；
相邻两个所述反射循环周期中，两条从所述第三反射面(2-2-2)反射至所述第四反射面(2-2-3)的光线的夹角为θ2,以及两条从所述第四反射面(2-2-3)反射至所述第三反射面(2-2-2)的光线的夹角为θ2；其中，θ2＝2cos-1(1-d2/R2)，并且满足ν2θ2＝μ2π；其中，d2为所述第二石英玻璃棒(2-2)的长度，R2为所述第三反射面(2-2-2)和所述第四反射面(2-2-3)的曲率半径，ν2为往返次数，且ν2与μ2均为正整数。
4.根据权利要求1或2所述的调Q激光器，其特征在于，所述第一半波片(4-1)的快轴方向与经所述第二偏振片(3-2)形成的p偏振光的夹角φ1为0°、45°或90°；所述第二半波片(4-2)的快轴方向与经所述第二偏振片(3-2)形成的p偏振光的夹角φ2的范围是：0°、45°或90°。
5.根据权利要求1或2所述的调Q激光器，其特征在于，所述第一半波片(4-1)的快轴方向与经所述第二偏振片(3-2)形成的p偏振光的夹角φ1的范围是：0°、45°或90°；所述第二半波片(4-2)的快轴方向与经所述第二偏振片(3-2)形成的p偏振光的夹角φ2的范围是：0°<φ2<45°或45°<φ2<90°。
6.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，还包括第三石英玻璃棒，所述第三石英玻璃棒的入射窗口设置在经所述第一偏振片(3-1)透过的光的光路上，所述第一反射镜(1-1)设置在经所述第三石英玻璃棒的出射窗口射出的光的光轴上；和/或，
还包括第四石英玻璃棒，所述第四石英玻璃棒的入射窗口设置在经所述第三偏振片(3-3)透过的光的光路上，所述第一输出镜(7-1)设置在经所述第四石英玻璃棒的出射窗口射出的光的光轴上。
7.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述第一反射镜(1-1)和所述第二反射镜(1-2)镀有高反膜；所述第一输出镜(7-1)和第二输出镜(7-2)镀有对于输出波长一定透射率的膜；
所述第一反射面(2-1-2)和所述第二反射面(2-1-3)镀有高反膜。
8.根据权利要求1所述的调Q激光器，其特征在于，所述Q开关(5)为电光调Q开关、声光调Q开关、染料调Q开关或色心晶体调Q开关中的一种。
9.根据权利要求1所述的的调Q激光器，其特征在于，所述增益介质(6)为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺镱钇铝石榴石Yb:YAG、陶瓷、二氧化碳CO2、氦-氖气、铜蒸气、砷化镓GaAs、硫化镉CdS、磷化铟InP、若丹明6G或若丹明B中的一种。
10.一种脉宽分立可调的调Q激光器，其特征在于，包括：第五石英玻璃棒(2-3)、第四输出镜(7-4)以及沿光轴依次设置的第三反射镜(1-3)、Q开关(5)、增益介质(6)、第四偏振片(3-4)、第三半波片(4-3)、第五偏振片(3-5)和第三输出镜(7-3)；
所述第四偏振片(3-4)和第五偏振片(3-5)分别按布鲁斯特角设置；
所述第五石英玻璃棒(2-3)设置有第三入射窗口(2-3-1)和第三出射窗口(2-3-4)；
所述第五石英玻璃棒(2-3)的一端设置有曲率为R3的第五反射面(2-3-2)；另一端设置为曲率为R3的第六反射面(2-3-3)；
所述第三入射窗口(2-3-1)设置在所述第六反射面(2-3-3)上，所述出射窗口(2-3-4)设置在所述第五反射面(2-3-2)或所述第六反射面(2-3-3)上；
所述第三入射窗口(2-3-1)设置在经所述第五偏振片(3-5)反射的光的光路上，所述第四输出镜(7-4)设置在经所述出射窗口(2-3-4)射出的光的光轴上；
从所述第三入射窗口(2-3-1)进入所述第五石英玻璃棒(2-3)内的光束，经过所述第五反射面(2-3-2)反射至所述第六反射面(2-3-3)构成一个反射循环周期；或者，
从所述第三入射窗口(2-3-1)进入所述第五石英玻璃棒(2-3)内的光束，从所述第六反射面(2-3-3)反射至所述第五反射面(2-3-2)并反射回所述第六反射面(2-3-3)构成一个反射循环周期；
相邻两个所述反射循环周期中，两条从所述第五反射面(2-3-2)反射至所述第六反射面(2-3-3)的光线的夹角为θ3,以及两条从所述第六反射面(2-3-3)反射至所述第五反射面(2-3-2)的光线的夹角为θ3；其中，θ3＝2cos-1(1-d3/R3)，并且满足ν3θ3＝μ3π；其中，d3为所述第五石英玻璃棒(2-3)的长度，R3为所述第五反射面(2-3-2)和所述第六反射面(2-3-3)的曲率半径，ν3为往返次数，且ν3与μ3均为正整数。
11.根据权利要求10所述的调Q激光器，其特征在于，
所述第三半波片(4-3)的快轴方向与经所述第四偏振片(3-4)形成的p偏振光的夹角φ3的范围是：0°、45°或90°。
12.根据权利要求10所述的调Q激光器，其特征在于，
所述第三半波片(4-3)的快轴方向与经所述第四偏振片(3-4)形成的p偏振光的夹角φ3的范围是：0°<φ3<45°或45°<φ3<90°。
13.根据权利要求10所述的调Q激光器，其特征在于，所述第三反射镜(1-3)镀有高反膜；所述第三输出镜(7-3)和所述第四输出镜镀(7-4)有对于输出波长一定透射率的膜；第五反射面(2-3-2)和第六反射面(2-3-3)镀有高反膜。
14.根据权利要求10所述的调Q激光器，其特征在于，
所述Q开关(5)为电光调Q开关、声光调Q开关、染料调Q开关或色心晶体调Q开关中的一种。
15.根据权利要求10所述的调Q激光器，其特征在于，
所述增益介质(6)为掺钕钇铝石榴石Nd:YAG、掺镱钇铝石榴石Yb:YAG、陶瓷、二氧化碳CO2、氦-氖气、铜蒸气、砷化镓GaAs、硫化镉CdS、磷化铟InP、若丹明6G或若丹明B中的一种。
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