CN110137791A - 一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器 - Google Patents

一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器，包括：泵浦源、增益介质、泵浦光整形系统、4f像传递系统、声光Q开关和平面输出耦合镜；所述增益介质、4f像传递系统、声光Q开关和平面输出耦合镜位于谐振腔中；泵浦源激发出的泵浦光，经整形系统进行泵浦光的光斑大小调整后，入射到增益介质产生激光，增益介质产生的激光通过4f像传递系统进行像传递，再经声光Q开关，入射到平面输出耦合镜，由平面输出耦合镜输出。本发明提供的采用4f像传递系统的长脉宽激光器，利用4f像传递系统作为光束传输系统，改善了现有技术中光束在长距离传输过程中尤其是谐振腔内有透镜时容易产生畸变的缺陷。

Description

一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器
技术领域
本发明属于长脉冲固体激光器技术领域，具体涉及一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器。
背景技术
由于LD(Laser Diode，激光二极管)泵浦的全固态脉冲激光器具有效率高、功率大、光束质量好、稳定性高等特点，因而不仅在光存储、干涉测量、信息处理、污染检查等民用技术领域有着广泛的应用，而且为激光雷达、激光制导、瑞利信标等军事应用提供了可靠的光源，因此具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。在一些实际应用中，比如瑞利信标，脉宽关系到接收信号的截取长度以及系统的效率，需要较长的脉宽才能满足要求。通常是使谐振腔变长达到延长脉宽的目的，但光束在长距离传输过程中容易产生畸变，尤其是在腔内有透镜的情况下，会导致光束质量严重下降。
4f系统是最典型的一种相干光学信息处理系统，4f系统具有像传递功能，当系统的物面和像面间的变换矩阵满足B＝0的关系时，系统的菲涅耳数N趋近于无穷，相当于传输距离为0，此时物像可以不失真地传输，即4f系统可以将前级的优质光束无畸变地传输到下一级。
因此，有必要研究出将4f系统应用到长脉宽激光器的技术方案。
发明内容
为了解决上述现有技术中光束在长距离传输过程中尤其是谐振腔内有透镜时容易产生畸变的技术问题，本发明提出了一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器，技术方案如下：
一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器，包括：泵浦源、增益介质、泵浦光整形系统、4f像传递系统、声光Q开关和平面输出耦合镜；所述增益介质、4f像传递系统、声光Q开关和平面输出耦合镜位于谐振腔中；泵浦源激发出的泵浦光，经整形系统进行泵浦光的光斑大小调整后，入射到增益介质产生激光，增益介质产生的激光通过4f像传递系统进行像传递，再经声光Q开关，入射到平面输出耦合镜，由平面输出耦合镜输出。
进一步地，泵浦源为采用端面泵浦的LD泵浦源。
进一步地，所述长脉宽激光器包括第一弯月镜和第二弯月镜，第一弯月镜位于泵浦光整形系统和增益介质之间，第二弯月镜位于增益介质和泵浦光反射系统之间。
进一步地，泵浦光整形系统由第一平凸透镜和第二平凸透镜组成，第一平凸透镜位于泵浦源和第二平凸透镜之间，第二平凸透镜位于第一平凸透镜和第一弯月镜之间。
进一步地，4f像传递系统包括第三平凸透镜和第四平凸透镜，第三平凸透镜和第四平凸透镜的焦距相同；第三平凸透镜位于第一弯月镜和第四平凸透镜之间；
物面与第三平凸透镜之间的距离、第三平凸透镜与频谱平面之间的距离、频谱平面与第四平凸透镜之间的距离、第四平凸透镜与平面输出耦合镜之间的距离均取为第三平凸透镜的焦距。
进一步地，所述长脉宽激光器还包括泵浦光反射系统，泵浦光反射系统用于将增益介质未吸收的泵浦光反射和整形后，再次进入增益介质。
进一步地，泵浦光反射系统包括第五平凸透镜和第一平面全反镜，第五平凸透镜位于第二弯月镜和第一平面全反镜之间。
进一步地，所述长脉宽激光器包括第二平面全反镜，第二平面全反镜位于谐振腔的反射端，与输出端相对。
进一步地，第一弯月镜的放置方向与水平方向夹角为81o，第二弯月镜的放置方向与水平方向夹角为99o，第二平面全反镜的放置方向与水平方向夹角为72o。
进一步地，泵浦源的中心波长为888nm，光斑大小为400um，数值孔径为0.22NA，泵浦功率为100W；
增益介质为Nd:YVO4，尺寸为4*4*30mm，Nd3+的掺杂浓度为0.5％；
第一平面全反镜为针对888nm的平面全反镜；
第一弯月镜的曲率半径为1000mm；
第二弯月镜的曲率半径为1000mm；
第一平凸透镜的焦距为30mm；
第二平凸透镜的焦距为60mm；
第三平凸透镜的焦距和第四平凸透镜的焦距均为400mm；
第三平凸透镜和第四平凸透镜之间的距离为800mm，物面到第三平凸透镜的距离为400mm；平面输出耦合镜和第四平凸透镜之间的距离为400mm；
第五平凸透镜的焦距为60mm；
声光Q开关的设置频率为12KHz；
平面输出耦合镜的透过率为15％；
谐振腔的腔长为2.4m。
本发明的有益效果：本发明提供的采用4f像传递系统的长脉宽激光器，利用4f像传递系统作为光束传输系统，改善了现有技术中光束在长距离传输过程中尤其是谐振腔内有透镜时容易产生畸变的缺陷。本发明在保证光束无畸变传输的前提下拉长谐振腔，并配合输出镜的透过率，达到延长脉宽的目的。
附图说明
图1是本发明提出的采用4f像传递系统的长脉宽激光器的结构示意图；
图2是本发明提出的4f像传递系统的结构示意图。
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白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员都知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。文中所用的“第一”、“第二”等的表述，仅是为了区分技术特征，并无实质含义。
本发明提出的采用4f像传递系统的长脉宽激光器，如图1所示，所述采用4f像传递系统的长脉宽激光器包括：泵浦源1、增益介质2、泵浦光整形系统、4f像传递系统、声光Q开关12和平面输出耦合镜13。泵浦源1激发出的泵浦光，经整形系统进行泵浦光的光斑大小调整后，入射到增益介质2产生激光，增益介质2产生的激光通过4f像传递系统进行像传递，再经声光Q开关12，入射到平面输出耦合镜13，由平面输出耦合镜13输出。
泵浦源1为LD(激光二极管，Laser Diode)泵浦源，采用端面泵浦的方式，以得到高光束质量。
优选地，LD泵浦源1的中心波长为888nm，光斑大小为400um，数值孔径为0.22NA，泵浦功率为100W。
谐振腔包括增益介质2、4f像传递系统、声光Q开关12和平面输出耦合镜13。
优选地，谐振腔的腔长为2.4m。
增益介质2优选为Nd:YVO4，尺寸为4*4*30mm，Nd3+的掺杂浓度为0.5％。
泵浦光整形系统由第一平凸透镜6和第二平凸透镜7组成，目的是将泵浦光的光斑调整成合适的大小后进入增益介质2，使得基模和泵浦光能够相匹配。第一平凸透镜6位于泵浦源1和第二平凸透镜7之间。
优选地，第一平凸透镜6的焦距f 6＝30mm，第二平凸透镜7的焦距f 7＝60mm。
4f像传递系统包括第三平凸透镜10和第四平凸透镜11，第三平凸透镜10和第四平凸透镜11的焦距相同。第三平凸透镜10位于第一弯月镜4和第四平凸透镜11之间。第三平凸透镜10和第四平凸透镜11分别对应图2中的L1和L2。
优选地，第三平凸透镜10和第四平凸透镜11为傅里叶透镜。
优选地，第三平凸透镜10的焦距f10和第四平凸透镜11的焦距f11均为400mm，第三平凸透镜10和第四平凸透镜11之间的距离为800mm，物面P到第三平凸透镜10的距离为400mm。
声光Q开关12的设置频率为12KHz。
平面输出耦合镜13对应图2中的像面P2。
平面输出耦合镜13的透过率为15％。
平面输出耦合镜13和第四平凸透镜11之间的距离为400mm。
图1中的P点、P1和平面输出耦合镜13对应图2中的物面P、频谱平面P1以及像面P2。物面P、第三平凸透镜10(对应图2的L1)、频谱平面P1(即滤波面，对应图2的P1)、第四平凸透镜11(对应图2的L2)、平面输出耦合镜13(对应图2的像面P2)依次的距离均取为第三平凸透镜10的焦距。
根据光学传输矩阵，得到4f像传递系统的物面P和像面P2间的光学传输矩阵B＝0，此时激光光束可以无畸变地从物面P传输到平面输出耦合镜13处。
进一步地，所述长脉宽激光器包括第一弯月镜4和第二弯月镜5，用于补偿增益介质2的热透镜效应，扩大稳定区，得到高激光功率。
第一弯月镜4位于泵浦光整形系统的第二平凸透镜7和增益介质2之间，放置方向与水平方向之间的夹角为81o；第二弯月镜5位于增益介质2和泵浦光反射系统的第五平凸透镜8之间，放置方向与水平方向之间的夹角为99o。
优选地，第一弯月镜4的曲率半径R4为1000mm；第二弯月镜5的曲率半径R5为1000mm。
进一步地，所述长脉宽激光器还包括泵浦光反射系统，泵浦光反射系统用于将增益介质2未吸收的泵浦光反射、整形后，再次进入增益介质2。
优选地，泵浦光反射系统包括第五平凸透镜8和第一平面全反镜9，第五平凸透镜8位于第二弯月镜5和第一平面全反镜9之间。
更优选地，第五平凸透镜8的焦距f 8＝60mm，第一平面全反镜9为针对888nm的平面全反镜。
所述长脉宽激光器还包括第二平面全反镜3，第二平面全反镜3位于谐振腔的反射端，与输出端相对，放置方向与水平方向之间的夹角为72o。
所述平面输出耦合镜13的透过率可配合谐振腔的长度和激光的脉宽进行调整，采用不同透过率的平面输出耦合镜13能够改变激光的脉宽。当平面输出耦合镜13的透过率越低时，激光谐振腔内光子的寿命越长，激光输出功率越小，激光脉宽越长。通过延长谐振腔的长度配合平面输出耦合镜13的透过率，可以达到延长脉宽的目的。根据本发明的长脉宽激光器可以得到激光的输出功率为26W，脉宽为130ns。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (10)

1.一种采用4f像传递系统的长脉宽激光器，其特征在于，包括：泵浦源、增益介质、泵浦光整形系统、4f像传递系统、声光Q开关和平面输出耦合镜；所述增益介质、4f像传递系统、声光Q开关和平面输出耦合镜位于谐振腔中；泵浦源激发出的泵浦光，经整形系统进行泵浦光的光斑大小调整后，入射到增益介质产生激光，增益介质产生的激光通过4f像传递系统进行像传递，再经声光Q开关，入射到平面输出耦合镜，由平面输出耦合镜输出。
2.根据权利要求1所述的长脉宽激光器，其特征在于，泵浦源为采用端面泵浦的LD泵浦源。
3.根据权利要求1或2所述的长脉宽激光器，其特征在于，所述长脉宽激光器包括第一弯月镜和第二弯月镜，第一弯月镜位于泵浦光整形系统和增益介质之间，第二弯月镜位于增益介质和泵浦光反射系统之间。
4.根据权利要求3所述的长脉宽激光器，其特征在于，泵浦光整形系统由第一平凸透镜和第二平凸透镜组成，第一平凸透镜位于泵浦源和第二平凸透镜之间，第二平凸透镜位于第一平凸透镜和第一弯月镜之间。
5.根据权利要求4所述的长脉宽激光器，其特征在于，4f像传递系统包括第三平凸透镜和第四平凸透镜，第三平凸透镜和第四平凸透镜的焦距相同；第三平凸透镜位于第一弯月镜和第四平凸透镜之间；
物面与第三平凸透镜之间的距离、第三平凸透镜与频谱平面之间的距离、频谱平面与第四平凸透镜之间的距离、第四平凸透镜与平面输出耦合镜之间的距离均取为第三平凸透镜的焦距。
6.根据权利要求5所述的长脉宽激光器，其特征在于，所述长脉宽激光器还包括泵浦光反射系统，泵浦光反射系统用于将增益介质未吸收的泵浦光反射和整形后，再次进入增益介质。
7.根据权利要求6所述的长脉宽激光器，其特征在于，泵浦光反射系统包括第五平凸透镜和第一平面全反镜，第五平凸透镜位于第二弯月镜和第一平面全反镜之间。
8.根据权利要求7所述的长脉宽激光器，其特征在于，所述长脉宽激光器包括第二平面全反镜，第二平面全反镜位于谐振腔的反射端，与输出端相对。
9.根据权利要求8所述的长脉宽激光器，其特征在于，第一弯月镜的放置方向与水平方向夹角为81°，第二弯月镜的放置方向与水平方向夹角为99°，第二平面全反镜的放置方向与水平方向夹角为72°。
10.根据权利要求9所述的长脉宽激光器，其特征在于，泵浦源的中心波长为888nm，光斑大小为400um，数值孔径为0.22NA，泵浦功率为100W；
增益介质为Nd:YVO4，尺寸为4*4*30mm，Nd3+的掺杂浓度为0.5％；
第一平面全反镜为针对888nm的平面全反镜；
第一弯月镜的曲率半径为1000mm；
第二弯月镜的曲率半径为1000mm；
第一平凸透镜的焦距为30mm；
第二平凸透镜的焦距为60mm；
第三平凸透镜的焦距和第四平凸透镜的焦距均为400mm；
第三平凸透镜和第四平凸透镜之间的距离为800mm，物面到第三平凸透镜的距离为400mm；平面输出耦合镜和第四平凸透镜之间的距离为400mm；
第五平凸透镜的焦距为60mm；
声光Q开关的设置频率为12KHz；
平面输出耦合镜的透过率为15％；
谐振腔的腔长为2.4m。
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