CN110165539B - 多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法及激光器，所述激光器包括：全反镜、激光介质、被动调Q晶体、输出镜、泵浦源、激光电源和多台阶控制器，其中：所述全反镜、激光介质、被动调Q晶体和输出镜构成激光器谐振腔，且沿着激光器光路方向依次顺序排列；所述泵浦源与激光介质上下排列，构成泵浦模块部分；所述泵浦源、激光电源、多台阶控制器组成泵浦光控制部分，且依次上下顺序排列。本发明方案中通过控制多台阶控制器中每个台阶高度及台阶之间的宽度，利用被动调Q可饱和吸收特性，获得子脉冲间隔可调的脉冲组激光输出，解决了常规被动调Q激光脉冲间隔不可控，及主动调Q时由于脉冲间隔变化导致调Q能量不等的技术问题。

Description

多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法及激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，特别是一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法及激光器。

背景技术

多脉冲组全固态激光器在脉冲激光测距、激光精密加工、激光与物质相互作用等领域具有重要的应用前景。多脉冲组激光可以通过主动调Q或者被动调Q技术实现，主动电光调Q通常采用电光或者声光调Q，被动调Q通常采用Cr:YAG方式，两者的共同点是利用长脉冲泵浦，在长脉冲泵浦期间内多次调Q，但是脉冲组之间的频率间隔不可调，为固定重频发射激光器。固定重频发射激光器在一些应用场景中会受到一定的限制，例如，激光加工和激光编码等场景需要脉冲组时间间隔可变，因此无法使用固定重频发射激光器。此外，采用常规主动调Q手段，长脉冲期间，通过常规多次调Q，改变调Q时间间隔是不能获得近似能量脉冲宽度子脉冲输出的，还需要在谐振腔内设置动态损耗器件，以实现近似能量脉冲宽度脉冲组输出，但是很难找到符合功能的动态损耗器，同时调试过程非常复杂，不易于操作。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法及激光器。

根据本发明的一方面，提出一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器，所述激光器包括：全反镜、激光介质、被动调Q晶体、输出镜、泵浦源、激光电源和多台阶控制器，其中：

所述全反镜、激光介质、被动调Q晶体和输出镜构成激光器谐振腔，且沿着激光器光路方向依次顺序排列；

所述泵浦源与激光介质上下排列，构成泵浦模块部分，所述泵浦源发出的泵浦光照射到激光介质上，使所述激光介质产生粒子数反转；

所述泵浦源、激光电源、多台阶控制器组成泵浦光控制部分，且依次上下顺序排列，所述多台阶控制器7将产生的多路方波信号发送到所述激光电源，控制所述激光电源输出多台阶电流波形，为所述泵浦源提供电源。

可选地，所述激光电源包括供电单元，所述供电单元的数量与所述多台阶控制器中的台阶数量保持一致，且分别为所述泵浦源提供电源。

可选地，所述激光电源包括导通开关，所述导通开关的数量与所述供电单元的数量保持一致，用于控制所述供电单元对泵浦源的供电和断开。

可选地，通过调节所述多台阶控制器的台阶高度控制所述泵浦源的功率。

可选地，通过调节所述多台阶控制7的台阶宽度控制多路方波信号的产生时间间隔。

可选地，所述全反镜镀有激光高反膜，具备激光全反的功能。

可选地，所述激光介质是产生激光谱线的介质，其两端面镀有激光增透膜。

可选地，所述激光器还包括光电探测器，所述光电探测器与多台阶控制器相连，且位于所述全反镜远离于所述激光介质的一侧，用于将所述全反镜透射出的光信号转变成电信号，触发所述多台阶控制器输出多路方波信号。

可选地，所述激光器还包括泵浦源热沉，所述泵浦源热沉紧贴所述泵浦源，用于控制所述泵浦源的工作温度。

根据本发明的另一方面，提出一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法，应用于如上所述的激光器中，所述方法包括：

根据预设子脉冲间隔，设置所述多台阶控制器中每个台阶的高度和台阶之间的宽度，产生预设时间间隔的多路方波信号；

将多路方波信号输入至所述激光电源上，并为所述泵浦源供电；

所述泵浦源输出多台阶泵浦光，并依次对所述激光介质进行泵浦；

每个台阶泵浦结束时，所述激光器谐振腔中激光增益都大于损耗，输出子脉冲间隔可调的脉冲组激光。

本发明提出了多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法及激光器，本发明方案通过控制多台阶控制器中每个台阶高度及台阶之间的宽度，利用被动调Q可饱和吸收特性，获得子脉冲间隔可调的脉冲组激光输出，解决了常规被动调Q激光脉冲间隔不可控，及主动调Q时由于脉冲间隔变化导致调Q能量不等的技术问题。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的实现三台阶泵浦光输出的流程图；

图3是根据本发明一实施例的三台阶脉冲波形与三个子脉冲间隔可调脉冲组的对应关系图；

图4是根据本发明另一实施例的多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器的结构示意图；

图5是根据本发明一实施例的多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法的流程图。

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。

图1是根据本发明一实施例的多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器的结构示意图，如图1所示，所述激光器包括：全反镜1、激光介质2、被动调Q晶体3、输出镜4、泵浦源5、激光电源6和多台阶控制器7，其中：

所述全反镜1、激光介质2、被动调Q晶体3和输出镜4构成激光器谐振腔，且沿着激光器光路方向依次顺序排列；

所述泵浦源5与激光介质2上下排列，构成泵浦模块部分，所述泵浦源5发出的泵浦光照射到激光介质2上，使所述激光介质2产生粒子数反转；

所述泵浦源5、激光电源6、多台阶控制器7组成泵浦光控制部分，且依次上下顺序排列，所述多台阶控制器7将产生的多路方波信号发送到所述激光电源6，控制所述激光电源6输出多台阶电流波形，为所述泵浦源5提供电源。

本发明一实施方式中，所述激光电源6包括供电单元，所述供电单元的数量与所述多台阶控制器7中的台阶数量保持一致，且分别为所述泵浦源5提供电源。

本发明另一实施方式中，所述激光电源6由具有外控功能的多个常规激光供电电源组成。

本发明一实施方式中，所述激光电源6包括导通开关，所述导通开关的数量与所述供电单元的数量保持一致，用于控制所述供电单元对泵浦源5的供电和断开。激光电源6接收来自多台阶控制器7发出的多路方波信号，每一路方波信号触发控制激光电源6内部对应的导通开关，从而使激光电源6内部对应的供电单元对泵浦源5进行供电。

本发明一实施方式中，通过调节所述多台阶控制器7的台阶高度控制所述泵浦源5的功率。在本实施例中，多台阶控制器7的台阶高度相当于泵浦源5所产生的泵浦光的功率。多台阶控制器7的台阶越高，即激光输出所需的时间越短，则调Q子脉冲的时间间隔越短。

本发明一实施方式中，通过调节所述多台阶控制器7的台阶宽度控制多路方波信号的产生时间间隔。其中，可以根据实际需要，提前设置调Q子脉冲的时间间隔，再根据调Q子脉冲的时间间隔设置多台阶控制器7的台阶宽度。

具体地，多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器的具体工作原理为：

多台阶控制器7将多个台阶幅值和时间间隔信息转化成多路方波信号，激光电源6接收来自多台阶控制器7发出的多路方波信号，每一路方波信号触发控制激光电源6内部对应的导通开关，从而使激光电源6内部对应的供电单元对泵浦源5进行供电。泵浦源5发出多台阶泵浦光照射到激光介质2，每一个台阶泵浦即将结束时，激光增益都大于谐振腔的损耗，根据被动调Q输出的特点，都会产生一个子脉冲，台阶的数量等于脉冲的个数，台阶的宽度近似等于子脉冲之间的时间间隔，当子脉冲时间间隔需要调整时，需要改变多台阶泵浦光的台阶高度使每一个台阶结束时刻为调Q脉冲完全释放时刻。这样就实现了通过控制多台阶控制器7中每个台阶高度和台阶宽度，获得子脉冲时间间隔可调的脉冲组激光输出。

下面将以多台阶控制器7为三台阶控制器为例，参考图2和图3具体说明三台阶控制器用于实现三个子脉冲组间隔可调激光输出的示例性过程。

图2是根据本发明一实施例的实现三台阶泵浦光输出的流程图，如图2所示，多台阶控制器7将脉冲组中三个子脉冲间隔数据转化成三路方波信号，依据三个子脉冲间隔要求，控制器7输出三路方波信号，三个方波信号之间存在一定延时，并且三个方波信号的结束时刻相同，即第一路方波信号宽度最宽，最后一路方波宽度最窄。延时的三个方波信号接入到由三路独立的供电单元组成的激光电源6中，每路供电单元分别对泵浦源5供电，根据安培电流叠加原理，泵浦源5的供电总电流为三路供电单元提供的电流之和，三台阶电流形成，泵浦源5会根据三台阶电流输出三台阶泵浦光。

图3是根据本发明一实施例的三台阶脉冲波形与三个子脉冲间隔可调脉冲组的对应关系图，如图3所示，当泵浦源5开始泵浦时，在第一个台阶时，由于泵浦能量相对最低，激光介质2吸收泵浦光能量形成粒子数反转的速度最低，需要较长的时间积累，当第一个台阶结束时，激光介质2的增益达到激光器的阈值，信号光开始振荡，被动调Q晶体3的透过率开始下降，激光增益与损耗差值变大，信号光迅速变大，形成第一个脉冲调Q激光。

当第二个台阶泵浦光泵浦激光介质2时，由于第二个台阶高度大于第一个台阶高度，激光介质2的粒子数密度积累速度比第一个台阶时明显加快，当第二个台阶结束时，激光介质2的增益再次达到激光器的阈值，输出第二个脉冲调Q激光。

第三个台阶泵浦光泵浦激光介质2时，由于第三个台阶高度大于第二个台阶高度，激光介质2的粒子数密度积累速度较第二个台阶时更快，当第三个台阶结束时，激光介质2的增益再次达到激光器的阈值，输出第三个脉冲调Q激光。

因此，基于上述方案，实现了三个子脉冲间隔逐步变短的可调脉冲组。应当了解的是，该示例仅为示例使用，并非是对于本发明的限制，本公开中的多台阶控制器7中的台阶数量、每个台阶高度和台阶宽度可以根据实际需要进行设定，本公开对此不作具体限定。

本发明实施例中的多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器，通过控制多台阶控制器7中每个台阶高度及台阶之间的宽度，利用被动调Q可饱和吸收特性，获得子脉冲间隔可调的脉冲组激光输出，解决了常规被动调Q激光脉冲间隔不可控，及主动调Q时由于脉冲间隔变化导致调Q能量不等的技术问题。

图4是根据本发明另一实施例的多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器的结构示意图，如图4所示，所述激光器还包括光电探测器8，所述光电探测器8与多台阶控制器7相连，且位于所述全反镜1远离于所述激光介质2的一侧，用于将所述全反镜1透射出的光信号转变成电信号，触发所述多台阶控制器7输出多路方波信号。在本发明实施例中，多台阶控制器7的延时是根据实验数据积累，然后预先设置的。第一路脉冲输出的时候，全反镜1会透射出极少的一部分光，光电探测器8将光信号转变为电信号，电信号触发多台阶控制器7输出第二路方波信号；第二路脉冲输出的时候，全反镜1又会透射出极少的一部分光，光电探测器8再次将光信号转变为电信号，电信号再次触发多台阶控制器7输出第三路方波信号，依次下去，直到多台阶控制器7输出多路方波信号。在本实施例中，可以自动实现多路方波信号的产生时间间隔，而不用通过人工调节多台阶控制器7的台阶宽度。

本发明一实施方式中，所述全反镜1镀有激光高反膜，具备激光全反的功能。所述全反镜1为平面镜、凹面镜和凸面镜中的任意一种，使激光器维持在稳定的区间内，保持激光器具有较低的衍射损耗。

本发明一实施方式中，所述激光介质2是产生激光谱线的介质，其两端面镀有激光增透膜，在本发明实施例中，激光介质2为各向均匀激光介质或具有偏振特性激光介质。

本发明一实施方式中，所述被动调Q晶体3为可饱和吸收体器件，即利用可饱和吸收体的光强吸收特性，实现被动调Q的器件，表面镀有激光增透膜。

本发明一实施方式中，所述输出镜4是具有部分反射部分透射特性的镜片，脉冲组激光从输出镜4输出。

本发明一实施方式中，所述泵浦源5是LD光源，LD光源输出激光的波长与激光介质2吸收的谱线相对应。

本发明一实施方式中，所述激光电源6具有多路LD驱动电路，通过多路汇集，产生多台阶脉冲电流，为泵浦源5供电。

本发明一实施方式中，多台阶控制器7用于将脉冲组多子脉冲间隔数据转成多路方波信号，每路方波信号之间的延时为子脉冲之间的间隔。

本发明一实施方式中，所述激光器还包括泵浦源热沉，所述泵浦源热沉紧贴所述泵浦源5，用于控制所述泵浦源5的工作温度。

根据本发明的另一方面，还提出一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法，图5是根据本发明一实施例的多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法的流程图，如图5所示，所述方法包括步骤S501-S504：

在步骤S501中，根据预设子脉冲间隔，设置所述多台阶控制器7中每个台阶的高度和台阶之间的宽度，产生预设时间间隔的多路方波信号；

在步骤S502中，将多路方波信号输入至所述激光电源6上，并为所述泵浦源5供电；

在步骤S503中，所述泵浦源5输出多台阶泵浦光，并依次对所述激光介质2进行泵浦；

在步骤S504中，每个台阶泵浦结束时，所述激光器谐振腔中激光增益都大于损耗，输出子脉冲间隔可调的脉冲组激光。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (9)

1.一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出激光器，其特征在于，所述激光器包括：全反镜、激光介质、被动调Q晶体、输出镜、泵浦源、激光电源和多台阶控制器，其中：

所述全反镜、激光介质、被动调Q晶体和输出镜构成激光器谐振腔，且沿着激光器光路方向依次顺序排列；

所述泵浦源与激光介质上下排列，构成泵浦模块部分，所述泵浦源发出的泵浦光照射到激光介质上，使所述激光介质产生粒子数反转；

所述泵浦源、激光电源、多台阶控制器组成泵浦光控制部分，且依次上下顺序排列，所述多台阶控制器将产生的多路方波信号发送到所述激光电源，控制所述激光电源输出多台阶电流波形，为所述泵浦源提供电源；

所述激光电源包括供电单元，所述供电单元的数量与所述多台阶控制器中的台阶数量保持一致，且分别为所述泵浦源提供电源。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光电源包括导通开关，所述导通开关的数量与所述供电单元的数量保持一致，用于控制所述供电单元对泵浦源的供电和断开。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，通过调节所述多台阶控制器的台阶高度控制所述泵浦源的功率。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，通过调节所述多台阶控制的台阶宽度控制多路方波信号的产生时间间隔。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述全反镜镀有激光高反膜，具备激光全反的功能。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光介质是产生激光谱线的介质，其两端面镀有激光增透膜。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括光电探测器，所述光电探测器与多台阶控制器相连，且位于所述全反镜远离于所述激光介质的一侧，用于将所述全反镜透射出的光信号转变成电信号，触发所述多台阶控制器输出多路方波信号。

8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括泵浦源热沉，所述泵浦源热沉紧贴所述泵浦源，用于控制所述泵浦源的工作温度。

9.一种多台阶泵浦实现子脉冲组间隔可调输出方法，应用于如权利要求1-8任一项所述的激光器中，其特征在于，所述方法包括：

根据预设子脉冲间隔，设置所述多台阶控制器中每个台阶的高度和台阶之间的宽度，产生预设时间间隔的多路方波信号；

将多路方波信号输入至所述激光电源上，并为所述泵浦源供电；

所述泵浦源输出多台阶泵浦光，并依次对所述激光介质进行泵浦；

每个台阶泵浦结束时，所述激光器谐振腔中激光增益都大于损耗，输出子脉冲间隔可调的脉冲组激光。

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