CN110829172B - 一种重频2倍于电光调q频率的激光输出方法及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重复频率2倍于电光调Q频率的激光输出方法及激光器，该激光器包括：激光输出镜、电光调Q晶体、45°反射镜、第一起偏器、第一抛物面镜、第一激光全反射镜、第一耦合透镜组、第一光纤、第一泵浦源、第一激光增益介质、第二抛物面镜、四分之一波片、第三抛物面镜、第二激光全反射镜、第二耦合透镜组、第二光纤、第二泵浦源、第二激光增益介质、第四抛物面镜和第二起偏器，周期性对电光调Q晶体进行加压和退压，所述激光器输出重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光。本发明采用交替泵浦双激光增益介质以及退压调Q与升压调Q相结合的方式，来实现激光输出重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光输出。

Description

一种重频2倍于电光调Q频率的激光输出方法及激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，特别是一种重复频率2倍于电光调Q频率的激光输出方法及激光器。

背景技术

激光二极管(LD)端面抽运的全固态调Q激光器具有较窄的脉冲宽度、较高的峰值功率、较好的光束质量和较高的转换效率，伴随着LD制备工艺及其抽运技术的日趋完善，近年来得到了迅速的发展，在军事国防、激光通信、激光微精细加工等领域得到了十分重要的应用。目前获得高重复频率、窄脉冲调Q激光的方式通常采用被动调Q或主动调Q技术，其中主动调Q技术具有脉冲重复频率可控、单脉冲能量大、峰值功率高等特点而被广泛使用。常用的主动调Q技术包括声光调Q技术和电光调Q技术，与声光调Q技术相比，电光调Q技术具有开关速度快、脉冲宽度窄等优点，可以实现重复频率从几赫兹到几十千赫兹、脉冲宽度从亚纳秒到纳秒量级的脉冲输出。目前比较常用的电光调Q方案如图1所示(《Solid-StateLaser Engineering》，Sixth Revised and Updated Edition，Walter Koechner，P500)，图1中，101为激光谐振腔的全反射镜，102为电光调Q晶体，103为起偏器，104为激光晶体棒，105为激光谐振腔输出镜。在已知技术中，存在以下三方面不足：一，每对电光调Q晶体施加一次调Q信号，只能获得一个调Q激光脉冲输出，也就是说施加在电光晶体上的驱动信号频率和激光脉冲的输出频率是相等的，已知技术无法在较低的调Q频率下获得高重频激光输出；二，目前的电光调Q频率受到电光晶体的自身特性的限制，其最高调Q频率在200kHz左右，因此已知技术的激光重频上限为200kHz左右，无法获得大于200kHz的电光调Q输出；三，若在大注入高重频条件下运转时，由于采用单一增益介质工作，自身热负担过重，会带来很严重的热透镜效应，从而既降低了光束质量，又限制了单脉冲输出能量的提高。因此，现有的技术方案无法突破脉冲激光的重复频率和单脉冲能量相互制约的事实。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光输出重复频率2倍于电光调Q频率的激光输出方法及激光器，其采用交替泵浦双激光增益介质以及退压调Q与升压调Q相结合的方式，来实现激光输出重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光输出。

根据本发明的一方面，提出一种激光输出重复频率为2倍于电光调Q频率的激光器，所述激光器包括：激光输出镜、电光调Q晶体、45°反射镜、第一起偏器、第一抛物面镜、第一激光全反射镜、第一耦合透镜组、第一光纤、第一泵浦源、第一激光增益介质、第二抛物面镜、四分之一波片、第三抛物面镜、第二激光全反射镜、第二耦合透镜组、第二光纤、第二泵浦源、第二激光增益介质、第四抛物面镜和第二起偏器，其中：

所述第一泵浦源发出的泵浦光经过第一耦合透镜组耦合到第二抛物面镜后，被反射到第一激光增益介质上，从而泵浦第一激光增益介质；

所述第二泵浦源发出的泵浦光经过第二耦合透镜组耦合到第四抛物面镜后，反射到第二激光增益介质上，从而泵浦第二激光增益介质；

所述第一激光增益介质、第一激光全反射镜、第一抛物面镜、第一起偏器、45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜构成第一路激光谐振腔；

所述第二激光增益介质、第二激光全反射镜、第三抛物面镜、第二起偏器、四分之一波片、45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜构成第二路激光谐振腔；

当电光调Q晶体加压时，所述激光器输出第二路调Q激光，当电光调Q晶体退压时，所述激光器输出第一路调Q激光，周期性对电光调Q晶体进行加压和退压，所述激光器输出重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光。

可选地，所述第一抛物面镜和第二抛物面镜平行放置于激光输出光路的两侧且抛物面一侧朝向相同，所述第一激光增益介质置于靠近第一抛物面镜和第二抛物面镜的抛物面一侧。

可选地，所述第一耦合透镜组、第一光纤和第一泵浦源依次置于第二抛物面镜靠近抛物面一侧；所述第一激光全反射镜置于第一抛物面镜靠近抛物面的一侧；所述第一起偏器、45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜依次置于所述第一抛物面镜和第二抛物面镜远离第一激光增益介质的一侧。

可选地，所述第三抛物面镜和第四抛物面镜垂直于激光输出光路平行放置且抛物面一侧朝向相同，所述第二激光增益介质置于靠近第三抛物面镜和第四抛物面镜抛物面一侧。

可选地，所述第二耦合透镜组、第二光纤和第二泵浦源依次置于第四抛物面镜靠近抛物面一侧；所述第二激光全反射镜置于第三抛物面镜靠近抛物面的一侧；所述第二起偏器和四分之一波片依次置于第三抛物面镜和第四抛物面镜远离第二激光增益介质的一侧。

可选地，所述第一泵浦源和第二泵浦源均为半导体泵浦源。

可选地，所述激光器还包括调Q驱动模块，所述调Q驱动模块与所述电光调Q晶体连接，用于对电光调Q晶体施加调Q驱动信号。

可选地，所述调Q驱动信号为高压方波信号。

可选地，所述激光器还包括第一热沉和第二热沉，所述第一热沉置于第一激光增益介质的一侧，所述第二热沉置于第二激光增益介质的一侧，用于控制激光器的工作温度。

根据本发明的另一方面，提出一种重复频率2倍于电光调Q频率的激光输出方法，应用于如上所述的激光器中，所述方法包括：

为第一路激光谐振腔和第二路激光谐振腔提供脉冲泵浦光；

对电光调Q晶体施加四分之一波长电压，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质处于粒子数反转状态，第二路激光谐振腔处于低损耗状态，输出第二路调Q激光；

对电光调Q晶体退去四分之一波长电压，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第一路激光谐振腔处于低损耗状态，第一激光增益介质内的上能级反转粒子数发生雪崩式跃迁，输出第一路调Q激光；

周期性重复电光调Q晶体加压和退压状态，得到重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光输出。

本发明使用加压式电光调Q与退压式电光调Q相结合以实现激光输出重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光输出，使得在对电光调Q开关施加一次方波驱动信号的情况下，就能获得2个调Q脉冲激光输出，即激光的输出频率为电光Q开关驱动频率的2倍，在目前电光调Q开关重频为200kHz上限的情况下，能够获得400kHz的超高重频输出。另外，由于本发明采用了双增益介质交替泵浦的方式，使得激光重频的翻倍为两路输出频率的叠加，即当其中一个激光增益介质工作时另一个激光增益介质处于间歇散热状态，因此单个增益介质的热负担并没有加重，还可以继续维持原来的输出水平，从而突破了脉冲激光的重复频率和单脉冲能量相互制约关系，进而为高功率、高重频激光的获得提供一种有效途径。

附图说明

图1是现有技术中电光调Q输出激光器的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的一种重频2倍于电光调Q频率的激光器的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的各驱动信号的时序图；

图4是根据本发明一实施例的一种重频2倍于电光调Q频率的激光器的脉冲序列示意图；

图5是根据本发明一实施例的重频2倍于电光调Q频率的激光输出方法的流程图。

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。

根据本发明的一方面，提出一种重频2倍于电光调Q频率的激光器，图2是根据本发明一实施例的一种重频2倍于电光调Q频率的激光器的结构示意图，如图2所示，所述激光器包括：激光输出镜1、电光调Q晶体3、45°反射镜4、第一起偏器5、第一抛物面镜6、第一激光全反射镜7、第一耦合透镜组9、第一光纤10、第一泵浦源11、第一激光增益介质12、第二抛物面镜13、四分之一波片14、第三抛物面镜15、第二激光全反射镜16、第二耦合透镜组17、第二光纤18、第二泵浦源19、第二激光增益介质21、第四抛物面镜22和第二起偏器23，其中：

所述第一泵浦源11发出的泵浦光经过第一耦合透镜组9耦合到第二抛物面镜13后，被反射到第一激光增益介质12上，从而泵浦第一激光增益介质12；

所述第二泵浦源19发出的泵浦光经过第二耦合透镜组17耦合到第四抛物面镜22后，反射到第二激光增益介质21上，从而泵浦第二激光增益介质21；

所述第一激光增益介质12、第一激光全反射镜7、第一抛物面镜6、第一起偏器5、45°反射镜4、电光调Q晶体3和激光输出镜1构成第一路激光谐振腔；

所述第二激光增益介质21、第二激光全反射镜16、第三抛物面镜15、第二起偏器23、四分之一波片14、45°反射镜4、电光调Q晶体3和激光输出镜1构成第二路激光谐振腔。

在该实施方式中，两个谐振腔共用一个激光输出镜1，其目的是实现激光共轴输出，具体地说，本实施例的一种重频2倍于电光调Q频率的激光器是在有效结合退压式和加压式电光调Q原理的基础上实现的，即当电光调Q晶体3处于退压状态时，可以实现第一路激光调Q输出，而当电光调Q晶体3处于加压状态时，则可以实现第二路激光调Q输出，如此周期性的对电光调Q晶体3进行加压和退压，就可以输出重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光。

在本发明一实施方式中，所述第一抛物面镜6和第二抛物面镜13平行放置于激光输出光路的两侧且抛物面一侧朝向相同，所述第一激光增益介质12置于靠近第一抛物面镜6和第二抛物面镜13的抛物面一侧。

在本发明一实施方式中，所述第一耦合透镜组9、第一光纤10和第一泵浦源11依次置于第二抛物面镜13靠近抛物面一侧；所述第一激光全反射镜7置于第一抛物面镜6靠近抛物面的一侧；所述第一起偏器5、45°反射镜4、电光调Q晶体3和激光输出镜1依次置于所述第一抛物面镜6和第二抛物面镜13远离第一激光增益介质12的一侧。

在本发明一实施方式中，所述第三抛物面镜15和第四抛物面镜22垂直于激光输出光路平行放置且抛物面一侧朝向相同，所述第二激光增益介质21置于靠近第三抛物面镜15和第四抛物面镜22抛物面一侧。

在本发明一实施方式中，所述第二耦合透镜组17、第二光纤18和第二泵浦源19依次置于第四抛物面镜22靠近抛物面一侧；所述第二激光全反射镜16置于第三抛物面镜15靠近抛物面的一侧；所述第二起偏器23和四分之一波片14依次置于第三抛物面镜15和第四抛物面镜22远离第二激光增益介质21的一侧。

在本发明一实施方式中，所述激光器还包括调Q驱动模块2，所述调Q驱动模块2与所述电光调Q晶体3连接，用于对电光调Q晶体3施加调Q驱动信号。

在本发明一实施方式中，所述激光器还包括第一热沉8和第二热沉20，所述第一热沉8置于第一激光增益介质12的一侧，所述第二热沉20置于第二激光增益介质21的一侧，用于控制激光器的工作温度。

在本发明一实施方式中，所述第一泵浦源11和第二泵浦源19均为半导体泵浦源。

在本发明一实施方式中，所述电光调Q晶体3所采用的晶体为LN、KD*P、KDP、LiNbO₃等电光晶体。

在本发明一实施方式中，所述调Q驱动信号为高压方波信号。

具体地，所述重复频率2倍于电光调Q频率的激光器的工作原理为：当对电光调Q晶体3施加四分之一波长电压时，第一路激光经过第一起偏器5后变成线偏振光，在外加电场的作用下，往返两次经过电光调Q晶体3后，原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转，在第一起偏器5处偏振方向与其透射方向正交而被反射出第一路激光谐振腔外，无法在第一路激光谐振腔内形成振荡，从而使得第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质12处于粒子数反转(储能)状态；而在第二路激光谐振腔内四分之一波片14的作用下，将往返经过电光调Q晶体3的偏振光的偏振方向又继续旋转了90度，这样就使得在第二起偏器23处偏振光的偏振方向与其透射方向相同，从而使得第二激光增益介质21所在的的第二路激光谐振腔处于低损耗状态，能够实现第二路激光的调Q巨脉冲输出。

当对电光调Q晶体3退去四分之一波长电压时，第一路激光经过第一起偏器5后变成线偏振光，由于没有外加电场作用，往返两次经过电光调Q晶体3后，原线偏振光的偏振方向不变，在第一起偏器5处偏振方向与其透射方向相同，在第一路激光谐振腔内能够形成振荡，上一时刻第一激光增益介质12内的上能级反转粒子数将发生雪崩式跃迁并形成第一路激光的调Q巨脉冲输出；而在第二路激光的谐振腔内四分之一波片14的作用下，将往返经过电光调Q晶体3的偏振光的偏振方向旋转了90度，这样就使得在第二起偏器23处偏振光的偏振方向与其透射方向正交，从而使得第二激光增益介质21的谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质21的上能级在进行反转粒子数积累而不能形成巨脉冲调Q激光输出。在本发明一实施方式中，所述第一激光增益介质12为Nd：YAG晶体，尺寸为Φ4×50mm³，两端镀1064nm增透膜(T＞99％)；第二激光增益介质21为Nd：YAG晶体，尺寸为Φ4×50mm³，两端镀1064nm增透膜(T＞99％)。第一激光全反射镜7为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm高反射率膜(R＞99％)，第二激光全反射镜16为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm高反射率膜(R＞99％)。激光输出镜1为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm部分透过率膜，1064nm波长激光的透射率为6％，外侧镀1064nm激光的抗反膜。第二起偏器23镀1064nm激光布儒斯特角增透膜(T＞98％)；第一起偏器5镀1064nm激光布儒斯特角增透膜(T＞98％)。四分之一波片14对应波长为1064nm，且两通光面镀1064nm增透膜(T＞98％)。45°反射镜4靠近电光调Q晶体3的一侧镀1064nm高反射率膜(R＞99％)，第一抛物面镜6和第二抛物面镜13的抛物面一侧镀1064nm高反射率膜(R＞99％)，第三抛物面镜15和第四抛物面镜22的抛物面一侧镀1064nm高反射率膜(R＞99％)。第一泵浦源11和第二泵浦源19均为半导体泵浦源。施加在第一泵浦源11、第二泵浦源19以及调Q驱动模块2上的各驱动信号的时序如图3所示，其中，V₁为激励第一泵浦源11的电压波形，V₂为激励第二泵浦源19的电压波形，V_Q为施加在电光调Q晶体3上的电压波形。基于图2所示的激光器结构，对电光调Q晶体3退压时将实现第一路激光调Q输出，对电光调Q晶体3加压时则实现第二路激光调Q输出。从整个时间序列上来看，产生如图4所示的调Q输出脉冲序列。

根据本发明的另一方面，还提出一种实现重复频率2倍于电光调Q频率的激光输出方法，如图5所示，所述方法包括步骤S501-S504：

在步骤S501中，为第一路激光谐振腔和第二路激光谐振腔提供脉冲泵浦光；

在步骤S502中，对电光调Q晶体3施加四分之一波长电压，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质12处于粒子数反转状态，第二路激光谐振腔处于低损耗状态，输出第二路调Q激光；

在步骤S503中，对电光调Q晶体3退去四分之一波长电压，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第一路激光谐振腔处于低损耗状态，第一激光增益介质12内的上能级反转粒子数发生雪崩式跃迁，输出第一路调Q激光；

在步骤S504中，周期性重复所述步骤S502和步骤S503，得到重复频率2倍于电光调Q频率的脉冲激光输出。

在本发明一实施方式中，对电光调Q晶体3施加的电压为四分之一波长的高压方波信号。

在该实施方式中，对于步骤S502，当对电光调Q晶体3施加四分之一波长电压时，第一路激光经过第一起偏器5后变成线偏振光，在外加电场的作用下，往返两次经过电光调Q晶体3后，原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转，在第一起偏器5处偏振方向与其透射方向正交而被反射出第一路激光谐振腔外，无法在第一路激光谐振腔内形成振荡，从而使得第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质12处于粒子数反转状态；而在第二路激光谐振腔内四分之一波片14的作用下，将往返经过电光调Q晶体3的偏振光的偏振方向又继续旋转了90度，这样就使得在第二起偏器23处偏振光的偏振方向与其透射方向相同，从而使得第二激光增益介质21的第二路激光谐振腔处于低损耗状态，能够实现第二路激光的调Q巨脉冲输出。

对于步骤S503，当对电光调Q晶体3退去四分之一波长电压时，第一路激光经过第一起偏器5后变成线偏振光，由于没有外加电场作用，往返两次经过电光调Q晶体3后，原线偏振光的偏振方向不变，在第一起偏器5处偏振方向与其透射方向相同，在第一路激光谐振腔内能够形成振荡，上一时刻第一激光增益介质12内的上能级反转粒子数将发生雪崩式跃迁并形成第一路激光的调Q巨脉冲输出；而在第二路激光的谐振腔内四分之一波片14的作用下，将往返经过电光调Q晶体3的偏振光的偏振方向旋转了90度，这样就使得在第二起偏器23处偏振光的偏振方向与其透射方向正交，从而使得第二激光增益介质21的谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质21的上能级进行反转粒子数积累而不能形成巨脉冲调Q激光输出。

基于上述技术方案可见，使得在对电光Q开关施加一次方波驱动信号的情况下，就能获得2个调Q脉冲激光输出，即激光的输出频率为电光Q开关驱动频率的2倍，在目前电光Q开关重频为200kHz上限的情况下，能够获得400kHz的超高重频输出。另外，由于采用了双增益介质交替泵浦的方式，使得激光重频的翻倍为两路输出频率的叠加，即当其中一个激光增益介质工作时另一个激光增益介质处于间歇散热状态，因此单个增益介质的热负担并没有加重，还可以继续维持原来的输出水平，从而突破了脉冲激光的重复频率和单脉冲能量相互制约关系，进而为高功率、高重频激光的获得提供一种有效途径。

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 (10)

1.一种重频2倍于电光调Q频率的激光器，其特征在于，所述激光器包括：激光输出镜、电光调Q晶体、45°反射镜、第一起偏器、第一抛物面镜、第一激光全反射镜、第一耦合透镜组、第一光纤、第一泵浦源、第一激光增益介质、第二抛物面镜、四分之一波片、第三抛物面镜、第二激光全反射镜、第二耦合透镜组、第二光纤、第二泵浦源、第二激光增益介质、第四抛物面镜和第二起偏器，其中：

所述第一泵浦源发出的泵浦光经过第一耦合透镜组耦合到第二抛物面镜后，被反射到第一激光增益介质上，从而泵浦第一激光增益介质；

所述第二泵浦源发出的泵浦光经过第二耦合透镜组耦合到第四抛物面镜后，被反射到第二激光增益介质上，从而泵浦第二激光增益介质；

所述第一激光增益介质、第一激光全反射镜、第一抛物面镜、第一起偏器、45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜构成第一路激光谐振腔，其中，所述第一激光增益介质置于靠近第一抛物面镜的抛物面一侧，所述第一激光全反射镜置于第一抛物面镜靠近抛物面的一侧；所述第一起偏器、45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜依次置于所述第一抛物面镜和第二抛物面镜远离第一激光增益介质的一侧；

所述第二激光增益介质、第二激光全反射镜、第三抛物面镜、第二起偏器、四分之一波片、45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜构成第二路激光谐振腔，其中，所述第二激光增益介质置于靠近第三抛物面镜的抛物面一侧，所述第二激光全反射镜置于第三抛物面镜靠近抛物面的一侧；所述第二起偏器、四分之一波片、45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜依次置于第三抛物面镜和第四抛物面镜远离第二激光增益介质的一侧；

当电光调Q晶体加压时，所述激光器输出第二路调Q激光，当电光调Q晶体退压时，所述激光器输出第一路调Q激光，周期性对电光调Q晶体进行加压和退压，所述激光器输出重频2倍于电光调Q频率的脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一抛物面镜和第二抛物面镜平行放置于激光输出光路的两侧且抛物面一侧朝向相同，所述第一激光增益介质置于靠近第一抛物面镜和第二抛物面镜的抛物面一侧。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一耦合透镜组、第一光纤和第一泵浦源依次置于第二抛物面镜靠近抛物面一侧。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第三抛物面镜和第四抛物面镜垂直于激光输出光路平行放置且抛物面一侧朝向相同，所述第二激光增益介质置于靠近第三抛物面镜和第四抛物面镜抛物面一侧。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第二耦合透镜组、第二光纤和第二泵浦源依次置于第四抛物面镜靠近抛物面一侧。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一泵浦源和第二泵浦源均为半导体泵浦源。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括调Q驱动模块，所述调Q驱动模块与所述电光调Q晶体连接，用于对电光调Q晶体施加调Q驱动信号。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述调Q驱动信号为高压方波信号。

9.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一热沉和第二热沉，所述第一热沉置于第一激光增益介质的一侧，所述第二热沉置于第二激光增益介质的一侧，用于控制激光器的工作温度。

10.一种重频2倍于电光调Q频率的激光输出方法，应用于如权利要求1-9任一项所述的激光器中，其特征在于，所述方法包括：

为第一路激光谐振腔和第二路激光谐振腔提供脉冲泵浦光；

对电光调Q晶体施加四分之一波长电压，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质处于粒子数反转状态，第二路激光谐振腔处于低损耗状态，输出第二路调Q激光；

对电光调Q晶体退去四分之一波长电压，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第一路激光谐振腔处于低损耗状态，第一激光增益介质内的上能级反转粒子数发生雪崩式跃迁，输出第一路调Q激光；

周期性重复电光调Q晶体加压和退压状态，得到重频2倍于电光调Q频率的脉冲激光输出。

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