CN110190501B - 一种基于体布拉格光栅的主动调q方法 - Google Patents

一种基于体布拉格光栅的主动调q方法 Download PDF

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Abstract

一种基于体布拉格光栅的主动调Q方法，属于固体激光技术领域。将体布拉格光栅与激光工作介质、泵浦源、谐振腔腔镜(或者在激光工作介质端面直接镀膜作为谐振腔腔镜)构成一个激光器谐振腔。利用透射式体布拉格光栅的角度选择性或者反射式体布拉格光栅的频谱选择性，通过利用外部调制方法，使体布拉格光栅对谐振腔振荡激光的衍射效率发生周期性变化，实现谐振腔腔内损耗的主动控制，从而实现谐振腔Q值的主动调制，实现主动调Q。本发明所述的方法，由于体布拉格光栅厚度较薄，且谐振腔内不需要插入偏振片等其他元件，因而可以有效缩短谐振腔长度，实现短谐振腔长度的主动调Q，获得脉冲宽度较窄的激光输出。

Description

一种基于体布拉格光栅的主动调Q方法
技术领域
本发明涉及一种基于体布拉格光栅的主动调Q方法，属于固体激光技术领域。
背景技术
脉冲调Q固体激光器由于峰值功率高，在激光雷达、远程探测、激光非线性应用、激光加工等领域都有非常广泛的应用需求。
目前，采用主动调Q的方法获得激光脉冲主要包括电光调Q方法和声光调Q方法，将电光器件或声光器件放置于激光器谐振腔腔内，通过控制谐振腔内振荡光的偏振态(电光调Q)和强度(声光调Q)，从而控制谐振腔内部的损耗，实现对腔内Q值的主动调制，获得调Q脉冲。但由于谐振腔内插入了具有一定长度的调Q元件(通常长度为几十毫米)，增加了谐振腔的长度，因而影响了输出激光的脉冲宽度，输出激光脉冲宽度较宽，通常为几个纳秒到几十纳秒。为了获得脉冲宽度为纳秒或者纳秒以下的窄脉冲调Q激光输出，目前通常采用微片激光器被动调Q的方法，利用较薄的可饱和吸收材料作为被动调Q元件(如：掺杂Cr4+的晶体、半导体可饱和吸收镜SESAM、石墨烯等可饱和吸收材料)，实现较短的谐振腔长度。但被动调Q与主动调Q激光器相比，由于受可饱和吸收体漂白过程不可控等因素的影响，输出激光脉冲的频率稳定性和强度稳定性较差。为了提高被动调Q微片激光器的稳定性，国内外研究人员提出了多种方法，主要包括：预抽运技术、可饱和吸收体主动漂白技术、自种子注入技术和混合调Q技术等。这些技术通过增加外部调制手段，降低激光脉冲的时序抖动，但同时也使得激光器变得更加复杂，限制了应用范围。
发明内容
本发明的目的在于利用体布拉格光栅作为调Q器件，实现短腔长主动调Q，获得窄脉冲激光输出的一种新方法。
本发明的特征在于，利用体布拉格光栅的选模特性实现主动调Q，包括利用透射式体布拉格光栅的角度选择性或者反射式体布拉格光栅的频谱选择性。通过外部调制方法(例如，在体布拉格光栅上施加调制电压，或者利用驱动器使体布拉格光栅的角度发生周期性变化，或者在体布拉格光栅之前加入光学元件使谐振腔振荡光光轴相对于体布拉格光栅的角度发生周期性变化，或者其他方式的外部调制方法)，使体布拉格光栅对谐振腔振荡激光的衍射效率发生周期性变化，实现谐振腔腔内损耗的主动控制，从而实现谐振腔Q值的主动调制，实现主动调Q。
进一步，本发明所述的基于体布拉格光栅的主动调Q方法，将体布拉格光栅与激光工作介质、泵浦源、谐振腔腔镜(或者在激光工作介质端面直接镀膜作为谐振腔腔镜)构成一个激光器谐振腔。由于体布拉格光栅厚度较薄(为毫米级的，只有几毫米，最薄可以小于1毫米)，且谐振腔内不需要插入偏振片等其他元件，因而可以有效缩短谐振腔长度，实现短谐振腔长度的主动调Q，获得脉冲宽度较窄的激光输出。
体布拉格光栅选自透射式体布拉格光栅或/和反射式体布拉格光栅。
对于透射式体布拉格光栅，入射角度相对于光栅的布拉格角度不同的激光，光栅对激光的衍射效率不同(称为光栅的角度选择性)。在包含透射式体布拉格光栅的谐振腔中，通过外部调制方法改变谐振腔内振荡光与光栅的布拉格角度之间的偏移量(例如，通过外加调制电压使光栅的布拉格角度发生偏移，或者利用驱动器使光栅的角度发生周期性变化，或者在光栅之前加入光学调制元件使谐振腔振荡光相对于光栅的角度发生周期性变化等方法)，使光栅衍射效率发生周期性变化，可以实现谐振腔腔内损耗的主动控制，从而实现谐振腔腔内Q值的主动调制，实现主动调Q，输出调Q激光脉冲。
对于反射式体布拉格光栅，不同波长(或称为不同频率、不同振荡纵模)的激光，光栅的衍射效率不同(称为光栅的频谱选择性或称为波长选择性)。在包含反射式体布拉格光栅的谐振腔中，通过外部调制方法改变光栅的布拉格波长(例如，通过外加调制电压使光栅的布拉格波长发生偏移)，使光栅布拉格波长与谐振腔振荡波长的波长差发生周期性变化，这种变化使光栅对谐振腔振荡激光的衍射效率发生周期性变化，可以实现谐振腔腔内损耗的主动控制，从而实现谐振腔腔内Q值的主动调制，实现主动调Q，输出调Q激光脉冲。
本发明所述基于体布拉格光栅的主动调Q方法，与其他主动调Q方法相比具有以下优点：
由于体布拉格光栅厚度薄，且谐振腔内不需要插入偏振片等其他元件，因而可以有效减少谐振腔长度，可以有效减少调Q激光脉冲宽度，获得窄脉冲激光输出；结构紧凑，可以用于微型激光器调Q。
附图说明
图1是一种透射式体布拉格光栅的衍射效率与激光相对于光栅布拉格角度偏离量的关系图；
图2是一种反射式体布拉格光栅的衍射效率与激光波长相对于光栅布拉格波长的关系图；
图3是根据本发明的一个实施例，是利用透射式体布拉格光栅主动调Q激光器的结构示意图；
图4是根据本发明的一个实施例，是利用反射式体布拉格光栅主动调Q激光器的结构示意图；
图5是根据本发明的一个实施例，是利用组合透射式和反射式体布拉格光栅主动调Q激光器的结构示意图；
图6是外加周期性电压的示意图。
附图标记说明：
1—半导体二极管泵浦源；2—传输光纤；3—耦合聚焦镜；4—激光工作介质；5—透射式体布拉格光栅；6—输出镜；7—反射式体布拉格光栅；U0—周期性电压的低压值；U1—周期性电压的高压值。
具体实施方式
本发明所述的基于体布拉格光栅的主动调Q方法，将体布拉格光栅与激光工作介质、泵浦源、谐振腔腔镜(或者在激光工作介质端面直接镀膜作为谐振腔腔镜)构成一个激光器谐振腔。
在泵浦光作用到激光工作物质时，通过外部调制方法(例如，在体布拉格光栅上施加调制电压，或者在体布拉格光栅之前加入光学元件使谐振腔振荡光光轴相对于光栅的角度发生周期性变化，或者利用驱动器使光栅的角度发生周期性变化，或者利用其他方式的外部调制方法)，使体布拉格光栅对谐振腔振荡激光的衍射效率发生周期性变化，实现谐振腔腔内损耗的主动控制。当体布拉格光栅对谐振腔振荡激光衍射效率低时，谐振腔损耗较大，处于低Q值状态，激光振荡阈值高，无法形成激光振荡，谐振腔内积累反转粒子数。当体布拉格光栅对谐振腔振荡激光衍射效率高时，谐振腔内损耗小，处于高Q值状态，当达到激光振荡阈值时，积累的反转粒子数快速跃迁到低能级，输出激光脉冲。
实施例1
图3示出了本发明的一个实施例，是利用透射式体布拉格光栅主动调Q激光器的结构示意图。在本实施例中，光纤耦合的半导体二极管输出的泵浦光，经过耦合聚焦透镜3，聚焦于激光工作介质4内，激光工作介质4的后端面镀泵浦光高透过率振荡光高反射率的二向色膜，刻于光折变电光晶体内的透射式体布拉格光栅5上外加电场，利用外加电场实现光栅衍射效率的快速调制，入射到光栅5上的振荡光光轴与光栅5的布拉格角方向一致，振荡光经光栅5衍射后，光路发生偏折，衍射光与入射光成一夹角，输出镜6与衍射光方向垂直，输出镜6镀振荡光的部分反射率膜，与激光工作介质4后端面的二向色膜构成谐振腔。
通过控制光栅5上外加电压的高低，控制光栅5的衍射效率，从而实现腔内损耗的控制。调整光路和泵浦光强度，在光栅5没有外加电压时，使谐振腔输出激光。在光栅5上外加电压，使光栅5的布拉格角度发生偏移，由图1可知，此时光栅5对振荡激光的衍射效率降低，谐振腔损耗增大，当外加电压达到使谐振腔无法输出激光时，将该电压作为外加周期性电压的高压值U1，将零电压作为外加周期性电压的低压值U0。在光栅5上施加如图6所示的周期性电压，将高压U1和低压U0作为一个周期，当在光栅5上施加高压U1时，谐振腔未达到振荡条件，积累反转粒子数，当光栅5上外加电压变为低压U0时，谐振腔达到振荡条件，积累的反转粒子数快速跃迁到低能级，输出激光脉冲。
实施例2
图4示出了本发明的一个实施例，是利用反射式体布拉格光栅主动调Q激光器的结构示意图。在本实施例中，光纤耦合的半导体二极管输出的泵浦光，经过耦合聚焦透镜3，聚焦于激光工作介质4内，激光工作介质4的后端面镀泵浦光高透过率振荡光高反射率的二向色膜，刻于光折变电光晶体内的反射式体布拉格光栅7上外加电场，利用外加电场实现光栅衍射效率的快速调制，反射式体布拉格光栅7作为调Q元件，同时也作为输出元件，相当于部分透过率的输出镜，与激光工作介质4后端面的二向色膜构成谐振腔。由于谐振腔内只包含激光工作物质4和光栅7，因而可以实现很短的腔长。
通过控制光栅7上外加电压的高低，控制光栅7的衍射效率，从而实现腔内损耗的控制。调整光路和泵浦光强度，在光栅7没有外加电压时，使谐振腔输出激光。在光栅7上外加电压，使光栅7的布拉格波长发生偏移，此时谐振腔损耗增大，当外加电压达到使谐振腔无法输出激光时，将该电压作为外加周期性电压的高压值U1，将零电压作为外加周期性电压的低压值U0。在光栅7上施加如图6所示的周期性电压，将高压U1和低压U0作为一个周期，当在光栅7上施加高压U1时，谐振腔未达到振荡条件，积累反转粒子数，当光栅7上外加电压变为低压U0时，谐振腔达到振荡条件，积累的反转粒子数快速跃迁到低能级，输出激光脉冲。
实施例3
图5示出了本发明的一个实施例，是利用组合透射式和反射式体布拉格光栅主动调Q激光器的结构示意图。在本实施例中，光纤耦合的半导体二极管输出的泵浦光，经过耦合聚焦透镜3，聚焦于激光工作介质4内，激光工作介质4的后端面镀泵浦光高透过率振荡光高反射率的二向色膜，透射式体布拉格光栅5和反射式体布拉格光栅7分别刻于两块光折变电光晶体内，可以在光栅5和光栅7上同时外加电场，也可以只在一块光栅上外加电场，实现光栅衍射效率的快速调制，入射到光栅5上的振荡光光轴与光栅5的布拉格角方向一致，振荡光经光栅5衍射后，光路发生偏折，衍射光与入射光成一夹角，反射式体布拉格光栅7与衍射光方向垂直，相当于部分透过率的输出镜，与激光工作介质4后端面的二向色膜构成谐振腔。
通过控制光栅上外加电压的高低，控制光栅的衍射效率，从而实现腔内损耗的控制。调整光路和泵浦光强度，在光栅没有外加电压时，使谐振腔输出激光。在光栅上外加电压，此时谐振腔损耗增大，当外加电压达到使谐振腔无法输出激光时，将该电压作为外加周期性电压的高压值U1，将零电压作为外加周期性电压的低压值U0。在光栅上施加如图6所示的周期性电压，将高压U1和低压U0作为一个周期，当在光栅上施加高压U1时，谐振腔未达到振荡条件，积累反转粒子数，当光栅上外加电压变为低压U0时，谐振腔达到振荡条件，积累的反转粒子数快速跃迁到低能级，输出激光脉冲。
在上述实施例中，所采用的体布拉格光栅厚度较薄(只有几毫米，最薄可以小于1毫米)，且谐振腔内不需要插入偏振片等其他元件，因而可以有效缩短谐振腔长度，实现短谐振腔长度的主动调Q，获得脉冲宽度较窄的激光输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于体布拉格光栅的主动调Q方法，其特征在于：利用体布拉格光栅的选模特性实现主动调Q，包括利用透射式体布拉格光栅的角度选择性或者反射式体布拉格光栅的频谱选择性；通过外部调制方法，使体布拉格光栅对谐振腔振荡激光的衍射效率发生周期性变化，实现谐振腔腔内损耗的主动控制，从而实现谐振腔Q值的主动调制，实现主动调Q；
利用透射式体布拉格光栅的角度选择性时，在体布拉格光栅上施加调制电压，或者利用驱动器使体布拉格光栅的角度发生周期性变化，或者在体布拉格光栅之前加入光学元件使谐振腔振荡光光轴相对于体布拉格光栅的角度发生周期性变化；
利用反射式体布拉格光栅的频谱选择性时：通过外部调制方法改变光栅的布拉格波长，使光栅布拉格波长与谐振腔振荡波长的波长差发生周期性变化。
2.根据权利要求1所述的主动调Q方法，其特征在于：对于透射式体布拉格光栅，通过外部调制方法改变谐振腔内振荡光与光栅的布拉格角度之间的偏移量，为通过外加调制电压使光栅的布拉格角度发生偏移，或者利用驱动器使光栅的角度发生周期性变化，或者在光栅之前加入光学调制元件使谐振腔振荡光相对于光栅的角度发生周期性变化。
3.根据权利要求1所述的主动调Q方法，其特征在于：对于反射式体布拉格光栅，通过外部调制方法改变光栅的布拉格波长，为通过外加调制电压使光栅的布拉格波长发生偏移。
4.根据权利要求1所述的主动调Q方法，其特征在于：体布拉格光栅选自透射式体布拉格光栅或/和反射式体布拉格光栅；
对于透射式体布拉格光栅，入射角度相对于光栅的布拉格角度不同的激光，光栅对激光的衍射效率不同；在包含透射式体布拉格光栅的谐振腔中，通过外部调制方法改变谐振腔内振荡光与光栅的布拉格角度之间的偏移量，使光栅衍射效率发生周期性变化，可以实现谐振腔腔内损耗的主动控制，从而实现谐振腔腔内Q值的主动调制，实现主动调Q，输出调Q激光脉冲；
对于反射式体布拉格光栅，不同波长或称为不同频率、不同振荡纵模的激光，光栅的衍射效率不同，称为光栅的频谱选择性或称为波长选择性；在包含反射式体布拉格光栅的谐振腔中，通过外部调制方法改变光栅的布拉格波长，使光栅布拉格波长与谐振腔振荡波长的波长差发生周期性变化，这种变化使光栅对谐振腔振荡激光的衍射效率发生周期性变化，可以实现谐振腔腔内损耗的主动控制，从而实现谐振腔腔内Q值的主动调制，实现主动调Q，输出调Q激光脉冲。
5.根据权利要求4所述的主动调Q方法，其特征在于：透射式体布拉格光栅和反射式体布拉格光栅分别刻于两块光折变电光晶体内，在透射式体布拉格光栅和反射式体布拉格光栅上同时外加电场，或只在一块光栅上外加电场，实现光栅衍射效率的快速调制，入射到透射式体布拉格光栅上的振荡光光轴与透射式体布拉格光栅的布拉格角方向一致，振荡光经透射式体布拉格光栅衍射后，光路发生偏折，衍射光与入射光成一夹角，反射式体布拉格光栅与衍射光方向垂直，相当于部分透过率的输出镜，与激光工作介质后端面的二向色膜构成谐振腔；
通过控制光栅上外加电压的高低，控制光栅的衍射效率，从而实现腔内损耗的控制；调整光路和泵浦光强度，在光栅没有外加电压时，使谐振腔输出激光；在光栅上外加电压，此时谐振腔损耗增大，当外加电压达到使谐振腔无法输出激光时，将该电压作为外加周期性电压的高压U1，将零电压作为外加周期性电压的低压U0；在光栅上施加周期性电压，将高压U1和低压U0作为一个周期，当在光栅上施加高压U1时，谐振腔未达到振荡条件，积累反转粒子数，当光栅上外加电压变为低压U0时，谐振腔达到振荡条件，积累的反转粒子数快速跃迁到低能级，输出激光脉冲。
6.根据权利要求1-5任一项所述的主动调Q方法，其特征在于：将体布拉格光栅与激光工作介质、泵浦源、谐振腔腔镜构成一个激光器谐振腔。
7.根据权利要求6所述的主动调Q方法，其特征在于：所述的谐振腔腔镜为在激光工作介质端面直接镀膜作为谐振腔腔镜。
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