CN110635340A - 一种新型可调的微型人眼安全固体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型可调微型人眼安全固体激光器，该装置是利用准直透镜技术将声光反馈技术相结合，将输出的短脉冲激光进行实时处理，该技术主要应用于微型人眼安全固体激光器，使其具有良好的出射发散角特性；本发明的有益效果是(1)解决了微型固体激光器普遍存在的光腔较短与光束质量好的矛盾，有效地改善了微型固体激光器出射光光束扩散角偏大的问题，为微型固体激光器能广泛应用于各种场合提供了技术保障，同时使得固体激光器的具有更好的稳定性。

Description

一种新型可调的微型人眼安全固体激光器
技术领域
本发明涉及微型激光器技术领域，具体涉及一种新型可调的微型人眼安全固体激光器。
背景技术
1.5μm波长激光处于通信窗口，在光通信领域有着广泛的应用。同时，波长为1.5μm附近的激光处于人眼不敏感的波段，穿透烟雾能力强，特别是小体积、低功耗、宽温度适应范围、高稳定性和低成本的1.5μm波段微型脉冲激光器，在无人机、测距望远镜和军事等激光测距领域有着广阔的应用前景。
但是1.5μm微型全固态人眼安全激光器由于腔体变短，输出的光束在远距离传输时，光斑发散角严重变大，这就使其难以满足实际测量和应用。因此，为了满足实际测量和应用的要求，必须对激光光束进行准直。所谓的准直就是要求有很小的发散角或在一定的距离内光斑半径小于额定值，这种波束变换技术叫做准直。目的是改善光束的方向性，即压缩光束的发散角使高斯光束经准直后转换为平行光束。
本发明涉及的是以940nm的LD激光器泵浦Er3+/Yb3+共掺晶体激光器，出射波长为1.5μm的人眼安全微型激光器。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种使得微型人眼安全固体激光器具有良好的出射光特性，尤其是解决发散角过大的问题。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种微型人眼安全固体激光器，其特征在于：
①包括LD泵浦激光器(1)、聚焦透镜一(2)、前腔镜(3)、增益介质(4)、耦合介质(5)、调Q晶体(6)、输出镜(7)、聚焦透镜二(8)、声光晶体(9)、刀口(10)、激光调制器(11)、扩束准直透镜组(12)、声光调制器(13)；LD泵浦激光器(1)，聚焦透镜一(2)、前腔镜(3)、增益介质(4)、耦合介质(5)、调Q晶体(6)、输出镜(7)、聚焦透镜二(8)、声光晶体(9)、刀口(10)和扩束准直透镜组(12)在同一光轴上；
②LD泵浦激光器(1)受到激光调制器(11)的调制，可以加载s1(t)函数特性；受到调制的激光束经过聚焦透镜一(2)和前腔镜(3)后形成聚焦在增益介质(4)上，使得增益介质(4)产生1550nm的激发光；
③增益介质(4)产生的激发光经过耦合介质(5)及调Q晶体(6)后到达输出镜(7)，输出镜(7)与前腔镜(3)形成平行腔体，使得LD泵浦激发光在腔体中来回振荡，激发增益介质(4)形成1550nm激光；
④当1550nm的激光功率达到调Q晶体(6)的阈值时，透射穿过调Q晶体(6)和输出镜(7)，由聚焦透镜二(8)形成平行光；
⑤声光调制器(13)对经过声光晶体(9)的平行光进行s2(t)调制，0级衍射激光被刀口(10)阻挡，1级衍射光出射到扩束准直透镜组(12)上，
⑥扩束准直透镜组(12)根据出光位置进行调节，形成高质量、小的扩散角1550nm出射激光。
进一步地，其特征在于，LD泵浦激光器(1)是中心波长为940nm的高功率连续激光器，其功率大于1W。
进一步地，其特征在于，前腔镜(3)和输出镜(7)镀膜后，可形成中心波长为1550nm，线宽20nm的谐振腔。
进一步地，其特征在于，所述增益介质(4)的材料是Er3+/Yb3+共掺杂玻璃晶体。
进一步地，其特征在于，所述调Q晶体(6)为掺钴铝酸镁晶体。
进一步地，其特征在于，声光晶体(9)调制信号s2(t)和激光调制器(11)调制信号s1(t)的振幅一致，相位差恒定，尤其是相位差为180°。
本发明提出是为了使得微型人眼安全固体激光器具有良好的出射光特性，尤其是解决发散角过大的问题。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)解决了微型固体激光器普遍存在的光腔较短与光束质量好的矛盾。通过上述技术方案有效地改善了微型固体激光器出射光光束扩散角偏大的问题，为微型固体激光器能广泛应用于各种场合提供了技术保障。
(2)使得固体激光器的具有更好的稳定性。本发明采用了一级衍射光作为出射光源，有效避免0级光源受到外界干扰的隐患。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明所提供的新型可调微型人眼安全固体激光器的结构示意图。
其中，1、LD泵浦激光器，2、聚焦透镜一，3、前腔镜，4、增益介质，5、耦合介质，6、调Q晶体，7、输出镜，8、聚焦透镜二，9、声光晶体，10、刀口，11、激光调制器，12、扩束准直透镜组，13、声光调制器。
图2是本发明中声光晶体衍射及刀口解调示意图；
图3是本发明中LD泵浦光源高斯分布示意图
图4是本发明中扩束示意图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本发明提出的一种新型可调微型人眼安全固体激光器结构如图1所示，具体包括LD泵浦激光器1、聚焦透镜一2、前腔镜3、增益介质4、耦合介质5、调Q晶体6、输出镜7、聚焦透镜二8、声光晶体9、刀口10、激光调制器11、扩束准直透镜组12、声光调制器13；
LD泵浦激光器1，聚焦透镜一2、前腔镜3、增益介质4、耦合介质5、调Q晶体6、输出镜7、聚焦透镜二8、声光晶体9、刀口10和扩束准直透镜组12在同一光轴上；
本发明的工作原理：
LD泵浦激光器1是中心波长为940nm的高功率连续激光器，其功率大于1W；前腔镜3和输出镜7镀膜后，可形成中心波长为1550nm，线宽20nm的谐振腔；增益介质4的材料是Er3+/Yb3+共掺杂玻璃晶体；调Q晶体6为掺钴铝酸镁晶体。
LD泵浦激光器1加一定的偏置电压V1后，受到激光调制器11的调制，可以加载s1(t)函数特性，同时声光晶体9调制信号s2(t)和激光调制器11调制信号s1(t)的振幅一致，相位差恒定，尤其是相位差为180°。
LD泵浦激光器1所发出的激光u(x，y，z0)被激光调制器11加载s1(t)调制后，可以表示为：
w(x，y；z0)＝u(x，y，z0)s1(t) (1)
其中w(x，y；z0)是被调制后的光束函数，x，y，z0为空间坐标，受到调制的激光束w(x，y；z0)，经过聚焦透镜一2和前腔镜3后形成聚焦在增益介质4上，使得增益介质4产生1550nm的激发光；增益介质4产生的激发光经过耦合介质5及调Q晶体6后到达输出镜7，输出镜7与前腔镜3形成平行腔体，使得LD泵浦激发光在腔体中来回振荡，激发增益介质4形成1550nm激光；
当1550nm的激光功率达到调Q晶体6的阈值时，透射穿过调Q晶体6和输出镜7，由聚焦透镜二8形成平行光；
该平行光的光强符合高斯分布如图3所示，可以写成：E(r，z)＝A(r，z)exp(-ikz)其中：
Figure BSA0000165770740000041
其中，A0为光功率(光强)，光斑半径：
Figure BSA0000165770740000042
r为极坐标，w0为腰斑尺寸，当z＝0处为场振幅减小到最大值
Figure BSA0000165770740000043
的r值；
Figure BSA0000165770740000044
为共焦参数，
Figure BSA0000165770740000045
为波数，λ为波长。等相面曲率半径
Figure BSA0000165770740000046
相位因子：
Figure BSA0000165770740000047
远场发散角：
Figure BSA0000165770740000048
其中w0为束腰半径；λ为波长及A0为光功率(光强)，根据w0和λ可以确定z0、θ0；结合A0可以确定函数A(r，z)、w(z)、R(z)、ψ及E(r，z)，场分布：
Figure BSA0000165770740000049
声光调制器13对经过声光晶体9的平行光进行s2(t)调制，在接收面探测到的入射波声场v(x，y，zr)与v(x，y，z0)之间的关系可以表示为：
W(fx，fy；zr)＝W(fx，fy；z0)H(fx，fy；zr-z0)
＝U(fx，fy；z0)S1(fx，fy)H(fx，fy；zr-z0)S2(fx，fy) (4)
其中H(fx，fy；z)是传播转换函数，公式为：
Figure BSA0000165770740000051
对于平面波v(x，y，z0)的指数分量(fx，fy)，其中fx，fy为频率函数，只有当
Figure BSA0000165770740000052
时，传播转换函数H(fx，fy；z)表示平面波在z方向传播z0距离后的相位变化；在
Figure BSA0000165770740000053
时，传播转换函数是一个按指数衰减的平面波分量，平面波v(x，y，z0)对应的是消失波。
在测量样品厚度方向，样品厚度是传播波长大几个数量级，消失波分支由于指数衰减损耗在计算中可以忽略。这样，式(5)表示传播转换函数的传播通道被约束在一个半径为1/Λ的圆形区域。该区域也限定了图像数据的空间取样范围，同理，当样品为矩形时，取样空间范围可以是Λ/2或更小的范围。
如图2所示，0级衍射激光被刀口10解调阻挡，1级衍射光出射到扩束准直透镜组12上。扩束准直透镜组12如图4所示：
变换矩阵为：
Figure BSA0000165770740000054
l为两个透镜之间距离且l＝f1+f2，
Figure BSA0000165770740000055
f1、f2分别为透镜L1和L2的焦距。w01和w02分别为输入激光和输出激光的束腰半径。输入激光位于透镜L1的前焦点上，输出激光位于透镜L2的后焦点上。
扩束比为：
扩束后远场发散角：
Figure BSA0000165770740000057
θ01和θ02分别为扩束前后的远场发散角。
透镜焦距公式：
Figure BSA0000165770740000058
r1和r2分别为透镜前后面的曲率半径(对于双凸透镜，r1＞0，r2＜0，对于平凸透镜，r1＞0，r2＝∞)，d为透镜厚度，n为材料折射率。
对于透镜L1(前透镜)，若采用双凸透镜，可令r1＝-r2＝r，d＝r1-r2＝2r(主面位置lH＝r1＝r，lH′＝r2＝-r)，则
若采用平凸透镜，即距曲面顶点位置的确定lH＝0，
Figure BSA0000165770740000063
则r＝(n-1)f1。
扩束准直透镜组12根据出光位置进行调整s1(t)和s2(t)或准直透镜组参数f1，f2，形成高质量、极小扩散角1550nm的激光。
当准直透镜组参数f1，f2一定时，通过调整声光晶体(9)调制信号s2(t)和激光调制器(11)调制信号s1(t)可以实现高质量、极小扩散角1550nm的激光。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型可调的微型人眼安全固体激光器，其特征在于：
①包括LD泵浦激光器(1)、聚焦透镜一(2)、前腔镜(3)、增益介质(4)、耦合介质(5)、调Q晶体(6)、输出镜(7)、聚焦透镜二(8)、声光晶体(9)、刀口(10)、激光调制器(11)、扩束准直透镜组(12)、声光调制器(13)；LD泵浦激光器(1)，聚焦透镜一(2)、前腔镜(3)、增益介质(4)、耦合介质(5)、调Q晶体(6)、输出镜(7)、聚焦透镜二(8)、声光晶体(9)、刀口(10)和扩束准直透镜组(12)在同一光轴上；
②LD泵浦激光器(1)受到激光调制器(11)的调制，可以加载s1(t)函数特性；受到调制的激光束经过聚焦透镜一(2)和前腔镜(3)后形成聚焦在增益介质(4)上，使得增益介质(4)产生1550nm的激发光；
③增益介质(4)产生的激发光经过耦合介质(5)及调Q晶体(6)后到达输出镜(7)，输出镜(7)与前腔镜(3)形成平行腔体，使得LD泵浦激发光在腔体中来回振荡，激发增益介质(4)形成1550nm激光；
④当1550nm的激光功率达到调Q晶体(6)的阈值时，透射穿过调Q晶体(6)和输出镜(7)，由聚焦透镜二(8)形成平行光；
⑤声光调制器(13)对经过声光晶体(9)的平行光进行s2(t)调制，0级衍射激光被刀口(10)阻挡，1级衍射光出射到扩束准直透镜组(12)上，
⑥调节窗口(12)根据出光位置进行调节，形成高质量、小的扩散角1550nm出射激光。
2.根据权利要求1所述的新型可调的微型人眼安全固体激光器，其特征在于，LD泵浦激光器(1)是中心波长为940nm的高功率连续激光器，其功率大于1W。
3.根据权利要求1所述的新型可调的微型人眼安全固体激光器，其特征在于，前腔镜(3)和输出镜(7)镀膜后，可形成中心波长为1550nm，线宽20nm的谐振腔。
4.根据权利要求1所述的新型可调的微型人眼安全固体激光器，其特征在于，所述增益介质(4)的材料是Er3+/Yb3+共掺杂玻璃晶体。
5.根据权利要求1所述的新型可调的微型人眼安全固体激光器，其特征在于，所述调Q晶体(6)为掺钴铝酸镁晶体。
6.根据权利要求1所述的新型可调的微型人眼安全固体激光器，其特征在于，声光晶体(9)调制信号s2(t)和激光调制器(11)调制信号s1(t)的振幅一致，相位差恒定，尤其是相位差为180°。
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