CN109950778A - 一种端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器装置，能够实现高效率单频脉冲激光输出。在连续泵浦条件下，可以实现高重复频率较大能量单频脉冲激光输出；在脉冲泵浦条件下，可以实现大能量较低重复频率单频脉冲激光输出；而且通过增加板条增益介质横向尺寸及泵浦源功率，可以有效提升输出脉冲能量。因而本发明对提升诸如相干多普勒测风激光雷达、差分吸收激光雷达等激光主动探测系统的综合效能具有积极意义。

Description

一种端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器装置

技术领域

本发明涉及一种激光器装置，特别涉及一种高效率的端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器装置，以兼顾实现大能量和高重复频率技术指标，解决高注入泵浦功率下的腔内模式匹配问题。

背景技术

大气风场是气候学和大气动力学研究的重要参数。利用风场数据，人们可以更加准确的认识大气的变化规律，提升对气象和气候分析和预测的能力，同时对能量、水、气溶胶和其它空气物质圈的深入探索具有深远的意义。农业生产、风力发电、航空航天、交通安全等众多应用对高分辨率、高精度、高时效性的风场数据都有迫切需求。在诸多大气风场观测手段中，多普勒测风激光雷达是大气风场测量的一个重要的技术途径，具有时空分辨率高、速度分辨率高、测速范围广、抗干扰能力强等优点。而且，星载多普勒测风激光雷达是目前唯一能够获得全球三维风场分布的技术手段。

多普勒测风激光雷达对探测激光源提出较高要求，既要满足单纵模、窄线宽、高稳定度、高光束质量要求，又要有足够的重复频率、单脉冲能量和脉冲宽度。在测风激光雷达中，脉冲能量与光束质量主要影响激光雷达的探测距离；脉冲的重复频率主要影响激光雷达的扫描速度，重复频率越高，也就意味着能更快的获得风场信息和更加精准的风场位置信息；激光的线宽及波长稳定度主要影响测速精度；脉宽主要影响测距精度，即风场的位置信息。同时应用平台希望激光器转换效率尽量高，从而降低功耗，同时兼顾小体积和轻量化要求。

然而，在现有技术中单个激光器很难实现上述所有技术要求，一般需要采用注入锁定技术方案，将一束单纵模、窄线宽、光束质量良好的连续激光(通常称之为种子激光)注入到一个从动脉冲激光器中，并控制脉冲激光器的谐振腔长度，使得与种子光频率相邻近的模式起振，并抑制其它模式振荡，实现单频脉冲激光输出。

目前，按泵浦方式划分，已报道的注入锁定单频脉冲激光器通常有两种模式：端面泵浦和侧面泵浦。传统端面泵浦方案中主要以光纤耦合输出半导体激光器或固体激光器作为泵浦源，泵浦棒状晶体为主，优点是模式匹配较好，但由于泵浦区域有限，会限制总的注入泵浦功率，热透镜效应相对来说较严重，此类方案多用于产生较高重复频率(可达百赫兹及以上)单频激光输出，但能量通常较低(一般十毫焦以内，如采用谐振泵浦方式等特殊的工作方式可达几十毫焦)。侧面泵浦方案中主要以半导体激光器作为泵浦源，泵浦棒状或板条晶体，优点是注入总功率高，缺点是模式匹配较差，转换效率低，废热较多，此类方案多用于产生较低重复频率(五十赫兹及以内)单频脉冲激光输出，但可实现较大能量(一般可达百毫焦及以上)，不过输出高能量的同时，保持高光束质量的难度会增加。

如附图1所示，现有技术中常见的注入锁定单频脉冲激光器结构示意图。单频连续种子光1a经过透镜组2a整形后，耦合注入到“8”字环形腔中。“8”字环形腔由两片平凹反射镜33a、34a，一片平面反射镜32a和一片部分反射镜31a组成。整个腔的形状如蝴蝶状，两个平凹反射镜在“蝴蝶”的“翅膀”边上形成两个高斯腰斑处。增益介质4a和Q开关5a分别放置在这两个腰斑处。泵浦方式采用激光二极管侧面脉冲泵浦，泵浦波长与增益介质的吸收峰一致。利用作动器7a(如压电陶瓷)作为作动器调节谐振腔长度，光电二极管8a探单频连续种子激光在腔内形成的谐振信号，通过外部伺服控制系统9a实现信号采集及控制信号输出，当谐振腔内某个模式与注入的单频种子激光源频率匹配时，打开Q开关获得单频脉冲激光输出。

这种结构的优势是，泵浦耦合系统简单，且可以注入高能量，获得大能量单频脉冲激光输出。然而采用该结构的激光器，模式匹配较差，激光器阈值高、转换效率低、散热要求高，由于其通常采用脉冲侧面泵浦方式，保证泵浦光峰值功率的同时降低平均功率，因此通常输出激光重复频率较低。

综上，亟需提供一种高效率的注入锁定单频脉冲激光装置，兼顾实现大能量和高重复频率技术指标，解决高注入泵浦功率下的腔内模式匹配等问题。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种端面泵浦注入锁定单频脉冲条板激光器装置，包括：泵浦源及泵浦光耦合系统、谐振腔以及板条增益介质、种子激光源及种子光注入耦合系统，其特征在于：所述泵浦源发出的泵浦光经过所述泵浦光耦合系统整形成一条均匀的矩形光斑，所述矩形光斑的横向尺寸与所述增益介质的宽度方向相匹配，所述矩形光斑的纵向尺寸与所述增益介质处的振荡激光模式匹配。

进一步的，所述矩形光斑在所述增益介质中的宽度方向完全充满，在所述增益介质中的高度方向仅中央部分充满。

进一步的，所述种子光注入耦合系统包括种子光整形系统；所述种子光由所述种子激光源发出，经所述种子光整形系统后进入所述谐振腔并与所述谐振腔内振荡激光模式相匹配。

进一步的，所述种子光整形系统包括依序交错设置的水平方向整形透镜组和竖直方向整形透镜组；

所述水平方向整形透镜组包括第一水平方向整形柱面透镜组和第二水平方向整形柱面透镜组；

所述竖直方向整形透镜组包括：第一竖直方向整形柱面透镜组和第二竖直方向整形柱面透镜组；

所述水平方向整形透镜组和竖直方向整形透镜组按照：第一水平方向整形柱面透镜组、第一竖直方向整形柱面透镜组、第二水平方向整形柱面透镜组、第二竖直方向整形柱面透镜组的顺序交错设置。

进一步的，所述谐振腔为“8”字环形腔，所述环形腔内的振荡激光模式在所述增益介质的宽度方向的填充因子为0.85-1.1。

进一步的，所述谐振腔包括Q开关，所述Q开关与所述增益介质分别设置在所述环形腔的两个束腰位置处。

进一步的，还包括注入锁定伺服控制系统，所述注入锁定伺服控制系统具有：作动器，设置于所述谐振腔的一腔镜上，用于控制所述谐振腔的腔长；

光电探测器，设置在所述作动器对应位置处，用于探测所述谐振腔内谐振信号；

以及伺服控制系统，用于所述Q开关的驱动信号输出、所述作动器的驱动信号输出以及对所述光电探测器探测到的谐振信号的采集及计算。

进一步的，所述增益介质为大宽高比板条激光增益介质。

进一步的，所述增益介质的宽×长两个面镀金与紫铜热沉焊接，所述紫铜热沉内部设有水通道以接入冷却循环水。

进一步的，所述泵浦源为叠阵半导体激光器，可工作在连续模式和脉冲模式，所述泵浦源发射的泵浦光波长与所述增益介质的吸收峰一致；

所述种子激光源输出的为窄线宽单频连续激光，所述种子激光源发射的种子光波长与所述增益介质的发射峰一致。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器，通过将增益介质设计成大宽高比的板条状结构，板条晶体的上下两个大面作为散热面提高散热效率，提高单频脉冲激光的稳定性；

(2)本发明的端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器，采用叠阵半导体激光器作为泵浦源，通过光束整形装置，实现模式匹配，提高单频脉冲激光的转换效率；

(3)本发明的端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器，由于板条晶体通光面尺寸较大，可提升总注入泵浦功率，实现高重频、大能量单频激光输出；

(4)本发明的端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器，其谐振腔能够使腔内振荡激光多次通过增益介质，并利用大宽高比板条晶体垂直方向单一热透镜的特点，使垂直方向模式与泵浦光匹配，水平方向充满整个晶体，提高激光器整体效率；

(5)本发明可以在不同模式下实现高效率单频脉冲激光输出。在连续泵浦条件下，可以实现高重复频率较大能量单频脉冲激光输出；在脉冲泵浦条件下，可以实现大能量较低重复频率单频脉冲激光输出。

附图说明

图1是现有技术中注入锁定单频脉冲激光器结构示意图；

图2是本发明端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图2所示，是本发明注入锁定单频脉冲激光器结构示意图。主要包括：泵浦源及泵浦光耦合系统，谐振腔以及增益介质，种子激光源及种子光注入耦合系统，并可进一步包括注入锁定伺服控制系统。

(1)泵浦源及泵浦光耦合系统

泵浦源1发射的泵浦光经过耦合系统2，整形成一条均匀的矩形光斑，再经过第一平面反射镜3耦合到增益介质9中，所述矩形光斑的横向尺寸与所述增益介质的宽度方向相匹配，所述矩形光斑的纵向尺寸与所述增益介质处的振荡激光模式匹配。优选地，所述矩形光斑在增益介质中宽度方向完全充满，在高度方向仅中央部分充满。耦合系统2包括：第一柱面透镜21，第二柱面透镜22，第三柱面透镜24，第四柱面透镜25，矩形波导23以及球透镜26，其中矩形波导23起到混波的作用。

其中，耦合系统2中各个光学镜片的通光面均镀有泵浦光增透膜，平面反射镜3通光面镀有泵浦光高反膜。

作为优选方式，本发明中泵浦源1为叠阵半导体激光器，可工作在连续模式和脉冲模式。泵浦源1发射的光波长与增益介质9的吸收峰一致。进一步优选地，本发明可通过选用掺杂Nd、Er、Tm、Ho等不同稀土离子的激光晶体以及与之匹配的泵浦源，可以实现多种波长的单频脉冲激光输出。

(2)种子激光源及种子光注入耦合系统

种子光注入耦合系统包括隔离器5、种子光整形系统6、第二平面反射镜71和第三平面反射镜72。种子激光源4发射的激光依此通过隔离器5、种子光整形系统6后，再经过第二平面反射镜71、第三平面反射镜72后注入环形腔8中。其中，种子光整形系统6包括：第一水平方向整形柱面透镜组61、第二水平方向整形柱面透镜组63，以及第一竖直方向整形柱面透镜组62和第二竖直方向整形柱面透镜组64，以分别对两个方向整形，使整形后的种子光模式与环形腔8振荡模式相匹配。

优选的，上述各整形柱面透镜组按照：第一水平方向整形柱面透镜组61、第一竖直方向整形柱面透镜组62、第二水平方向整形柱面透镜组63、第二竖直方向整形柱面透镜组64的顺序交错设置。

其中，种子光整形系统6中各个柱面透镜均镀有对种子光的增透膜。平面反射镜71和72镀有对种子光的高反膜。

作为优选方式，本发明中种子激光源4输出的为连续窄线宽单频激光，且具有较好的光束质量。种子激光源4发射的光波长与增益介质9的发射峰一致。

(3)谐振腔

本发明谐振腔优选为环形腔，尤其是“8”字环形腔。具体地，环形腔8包括：一平凹反射镜86，一平凹部分反射镜81，第四平面反射镜82，第五平面反射镜83，第六平面反射镜84，第七平面反射镜85，增益介质9以及Q开关10构成。整形后的种子光4经过部分反射镜81注入环形腔中8，经过第四平面反射镜82进入增益介质9。其中，第五平面反射镜83和第六平面反射镜84沿增益介质9的长度方向(图2中Z轴方向指示增益介质的长度方向)平行设置于其高度方向的两侧(图2中X轴方向指示增益介质的高度方向)，入增益介质9的种子光经过平面反射镜83和84而在增益介质9中多次通过，随后依此经第七平面反射镜85、平凹反射镜86、Q开关10和平凹部分反射镜81反射后，在环形腔8形成一次闭环传输，同时有部分种子光4经过平凹部分反射镜81输出到环形腔8外部。优选地，所述环形腔内的振荡激光模式在所述增益介质的宽度方向的填充因子为0.85-1.1，在满足该填充因子的条件下，并结合本发明其他部分的优化设计，能够使激光器装置实现较高的整体效率；更为优选地是填充因子为0.9-0.99。Q开关10可为声光Q开关或电光Q开关。增益介质9和Q开关10分别放置在环形腔的两个束腰位置处。

其中，平凹部分反射镜81镀有种子光部分反射膜，平凹反射镜86以及第四平面反射镜82、第六平面反射镜84和第七平面反射镜85均镀有对种子光的高反膜，而第五平面反射镜83既镀有对种子光的高反膜，又镀有对泵浦光的高透膜。增益介质9的宽×高两个面镀有对泵浦光和种子光增透膜

作为优选方式，本发明中增益介质9为大宽高比板条激光增益介质，如尺寸12mm(W：宽度)×1.5mm(H：高度)×10mm(L：长度)。在该大宽高比板条激光增益介质的设计基础上，优选增益介质9的宽×长两个面镀金与紫铜热沉焊接，并进一步优选：紫铜热沉内部有水通道，紫铜热沉接入冷却循环水，能够实现更优的散热效果。

(4)注入锁定伺服控制系统

注入锁定伺服控制系统包括：作动器11、光电探测器12和伺服控制系统13。

具体的，将作动器11固定在(如粘贴)平凹反射镜86上，用于控制整个环形腔的腔长，所述作动器优选为压电陶瓷。

进一步优选地，可在作动器11对应位置处设置光电探测器12，用于探测环形腔内谐振信号。

此外，还可以设置伺服控制系统13，以实现Q开关10驱动信号输出、作动器11驱动输出以及光电探测器12信号采集及计算等功能。

需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种端面泵浦注入锁定单频脉冲板条激光器装置，包括：泵浦源及泵浦光耦合系统、谐振腔以及板条增益介质、种子激光源及种子光注入耦合系统，其特征在于：所述泵浦源发出的泵浦光经过所述泵浦光耦合系统整形成一条均匀的矩形光斑，所述矩形光斑的横向尺寸与所述增益介质的宽度方向相匹配，所述矩形光斑的纵向尺寸与所述增益介质处的振荡激光模式匹配。

2.根据权利要求1所述的激光器装置，其特征在于：所述矩形光斑在所述增益介质中的宽度方向完全充满，在所述增益介质中的高度方向仅中央部分充满。

3.根据权利要求2所述的激光器装置，其特征在于：所述种子光注入耦合系统包括种子光整形系统；所述种子光由所述种子激光源发出，经所述种子光整形系统后进入所述谐振腔并与所述谐振腔内振荡激光模式相匹配。

4.根据权利要求3所述的激光器装置，其特征在于：所述种子光整形系统包括依序交错设置的水平方向整形透镜组和竖直方向整形透镜组；

所述水平方向整形透镜组包括第一水平方向整形柱面透镜组和第二水平方向整形柱面透镜组；

所述竖直方向整形透镜组包括：第一竖直方向整形柱面透镜组和第二竖直方向整形柱面透镜组；

所述水平方向整形透镜组和竖直方向整形透镜组按照：第一水平方向整形柱面透镜组、第一竖直方向整形柱面透镜组、第二水平方向整形柱面透镜组、第二竖直方向整形柱面透镜组的顺序交错设置。

5.根据权利要求1-4任一所述的激光器装置，其特征在于：所述谐振腔为“8”字环形腔，所述环形腔内的振荡激光模式在所述增益介质的宽度方向的填充因子为0.85-1.1。

6.根据权利要求5所述的激光器装置，其特征在于：所述谐振腔包括Q开关，所述Q开关与所述增益介质分别设置在所述环形腔的两个束腰位置处。

7.根据权利要求6所述的激光器装置，其特征在于：还包括注入锁定伺服控制系统，所述注入锁定伺服控制系统具有：作动器，设置于所述谐振腔的一腔镜上，用于控制所述谐振腔的腔长；

光电探测器，设置在所述作动器对应位置处，用于探测所述谐振腔内谐振信号；

伺服控制系统，用于所述Q开关的驱动信号输出、所述作动器的驱动信号输出以及对所述光电探测器探测到的谐振信号的采集及计算。

8.根据权利要求5所述的激光器装置，其特征在于：所述增益介质为大宽高比板条激光增益介质。

9.根据权利要求8所述的激光器装置，其特征在于：所述增益介质的宽×长两个面镀金与紫铜热沉焊接，所述紫铜热沉内部设有水通道以接入冷却循环水。

10.根据权利要求5所述的激光器装置，其特征在于：所述泵浦源为叠阵半导体激光器，可工作在连续模式和脉冲模式，所述泵浦源发射的泵浦光波长与所述增益介质的吸收峰一致；

所述种子激光源输出的为窄线宽单频连续激光，所述种子激光源发射的种子光波长与所述增益介质的发射峰一致。