CN110932074B - 双波长激光交叉跳频调q输出激光器及激光输出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波长激光交叉跳频调Q输出激光器及激光输出方法，其特征在于，所述激光器包括第二泵浦源、第二光纤、第二耦合透镜组、第二激光全反射镜、第二激光增益介质、第二起偏器、四分之一波片、第二45°反射镜、第二激光输出镜、电光调Q晶体、第一激光输出镜、第一45°反射镜、第一起偏器、第一激光增益介质、第一激光全反射镜、第一耦合透镜组、第一光纤和第一泵浦源。本发明通过随时间变化跳跃式地对两激光增益介质进行脉冲泵浦，实现双波长激光交叉跳频调Q输出。

Description

双波长激光交叉跳频调Q输出激光器及激光输出方法
技术领域
本发明涉及固体激光器领域，特别是一种双波长激光交叉跳频调Q输出激光器及激光输出方法。
背景技术
双波长激光交叉跳频激光器具有波长转换迅速、抗干扰能力强等特点，在激光测距和激光加工等领域有广泛的应用。其中，在激光测距领域，可通过跳频脉冲激光发射方式实现对发射激光的编码，从而能够避免多台测距机在同一区域、同一时间使用时，相互之间产生的窜扰问题。在激光加工领域，目前的激光打孔技术主要采用单一波长脉冲激光，虽然激光打孔效率高，但由于激光加工属于热加工范畴，随着激光作用时间的增加，在加工表面残留物逐渐凝固，不仅改变了冶金状态，还会产生微裂纹。若采用双波长交叉跳频激光对工件进行加工，能够增加激光的效率，产生强烈的蒸发，减小了熔化材料数量，能够克服因材料性质改变所带来的影响，进而提高了工件的打孔质量。
目前公开报道的双波长激光交叉跳频调Q输出的相关技术相对较少，且主要采用单一激光增益介质来获得双波长激光交替输出。与本发明相关的一种已知技术申请号为201710478635.6的在先专利所公开，其所采用的结构如图1所示。该激光器主要由前腔镜101，后腔镜102，激光增益介质103，偏振元件104，分光模块105，第三光束偏折镜106，选择模块107，第四光束偏折镜108，补偿凸透镜109，调Q元件110，偏振控制元件111，入射偏振分光镜112，出射偏振分光镜113，第一波长选择孔114，第二波长选择孔115，第一光束偏折镜116，第二光束偏折镜117，反射光栅118。但是已知技术存在以下四方面不足：其一，若在大注入双波长激光交替运转时，由于采用单一激光增益介质工作，自身热负担较大，会带来很严重的热透镜效应；其二，当两种波长激光在同一增益介质中产生时，跃迁谱线之间存在着激烈的增益竞争，影响了激光输出的稳定性；其三，激光增益介质限定为可调谐的，这也将导致输出的波长受限；其四，波长选择模块的第一子腔和第二子腔共用同一出射偏振分光镜，即需对通过该镜的光透过率做精确设计，以保证两种波长激光具有相同的阈值，这将给偏振分光镜的膜系设计带来极大的挑战。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种双波长激光交叉跳频调Q输出激光器及激光输出方法。
根据本发明的一方面，提出一种双波长激光交叉跳频调Q输出激光器，如图2所示，该激光器包括：第二泵浦源1、第二光纤2、第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4、第二激光增益介质5、第二起偏器6、四分之一波片7、第二45°反射镜8、第二激光输出镜9、电光调Q晶体10、第一激光输出镜11、第一45°反射镜12、第一起偏器13、第一激光增益介质14、第一激光全反射镜15、第一耦合透镜组16、第一光纤17和第一泵浦源18，其中：
所述第一耦合透镜组16、第一激光全反射镜15和第一激光增益介质14依次置于所述第一泵浦源18的一侧；
所述第一泵浦源18通过所述第一光纤17连接于所述第一耦合透镜组16，用于为所述第一激光增益介质14提供泵浦光；
所述第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4和第二激光增益介质5依次置于所述第二泵浦源1的一侧；
所述第二泵浦源1通过所述第二光纤2连接于所述第二耦合透镜组3，用于为所述第二激光增益介质5提供泵浦光；
所述第一激光全反射镜15、第一激光增益介质14、第一起偏器13、第一45°反射镜12、电光调Q晶体10、第二45°反射镜8以及第二激光输出镜9沿激光振荡方向依次排列，构成第一路激光谐振腔；
所述第二激光全反射镜4、第二激光增益介质5、第二起偏器6、四分之一波片7、第二45°反射镜8、电光调Q晶体10、第一45°反射镜12以及第一激光输出镜11沿激光振荡方向依次排列，构成第二路激光谐振腔。
可选地，所述第一激光增益介质14和第二激光增益介质5同轴放置，且与激光传输方向一致。
可选地，所述第一起偏器13和第一45°反射镜12依次置于所述第一激光增益介质14远离所述第一激光全反射镜15的一侧，且与激光传输方向一致。
可选地，所述第二起偏器6、四分之一波片7和第二45°反射镜8依次置于所述第二激光增益介质5远离所述第二激光全反射镜4的一侧。
可选地，所述第一激光输出镜11置于所述第一45°反射镜12的后方，且垂直于激光输出方向放置。
可选地，所述第二激光输出镜9置于所述第二45°反射镜8的后方，且垂直于激光输出方向放置。
可选地，所述激光器还包括第一激光电源19和第二激光电源24，其中：
所述第一激光电源19与所述第一泵浦源18连接，用于为所述第一泵浦源18提供电源；
所述第二激光电源24与所述第二泵浦源1连接，用于为所述第二泵浦源1提供电源；
在上述实施方式中，所述第一激光电源19和第二激光电源24可以为独立设置的电源，也可以为同一个整体电源。
可选地，所述激光器还包括电光晶体驱动模块21，所述电光晶体驱动模块21与所述电光调Q晶体10连接，用于对所述电光调Q晶体10施加高压方波信号。
可选地，所述激光器还包括第一温控系统20、第二温控系统23和中央控制系统22，其中：
所述中央控制系统22与第一激光电源19、第二激光电源24、第一温控系统20、第二温控系统23和电光晶体驱动模块21连接，用于控制第一激光电源19、第二激光电源24以及电光晶体驱动模块21的触发与延时，控制所述第一温控系统20和第二温控系统23调节所述激光器的工作温度。
根据本发明的另一方面，还提出一种双波长激光交叉跳频调Q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，所述方法包括：
步骤S1，第一泵浦源18和第二泵浦源1分别跳跃式脉冲泵浦第一激光增益介质14和第二激光增益介质5；
步骤S2，在第一泵浦源18和第二泵浦源1泵浦激光增益介质的一个周期内，对电光调Q晶体10多次施加和退去四分之一波长电压，得到双波长激光交叉跳频调Q脉冲激光：对电光调Q晶体10施加电压时，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第二路激光谐振腔处于低损耗状态，第二路激光谐振腔输出λ2波长调Q巨脉冲激光；当对电光调Q晶体10退去电压时，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，第一路激光谐振腔输出λ1波长调Q巨脉冲激光；
步骤S3，周期性重复所述步骤S1和S2，得到双波长激光交叉跳频调Q输出激光。
本发明提出的双波长激光交叉跳频调Q输出激光器是采用了跳跃式交叉泵浦及有效结合退压式和加压式电光调Q原理的基础上而实现的，即在完成泵浦的前提下，当电光调Q晶体10退压时，可以实现第一路谐振腔输出第一波长调Q巨脉冲激光，而当电光调Q晶体10加压时，则可以实现第二路谐振腔输出第二波长调Q巨脉冲激光。这样，随时间变化跳跃式地对第一激光增益介质14和第二激光增益介质5进行脉冲泵浦，就可以实现双波长激光交叉跳频调Q输出。
附图说明
图1是现有技术中激光交叉跳频输出的激光器的结构示意图；
图2是根据本发明一实施例的一种双波长激光交叉跳频调Q输出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双波长激光交叉跳频调Q输出激光器的脉冲序列示意图；
图5是根据本发明一实施例的双波长激光交叉跳频调Q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，提出一种双波长激光交叉跳频调Q输出激光器，如图2所示，该激光器包括：第二泵浦源1、第二光纤2、第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4、第二激光增益介质5、第二起偏器6、四分之一波片7、第二45°反射镜8、第二激光输出镜9、电光调Q晶体10、第一激光输出镜11、第一45°反射镜12、第一起偏器13、第一激光增益介质14、第一激光全反射镜15、第一耦合透镜组16、第一光纤17和第一泵浦源18，其中：
所述第一耦合透镜组16、第一激光全反射镜15和第一激光增益介质14依次置于所述第一泵浦源18的一侧。
所述第一泵浦源18通过所述第一光纤17连接于所述第一耦合透镜组16，用于为所述第一激光增益介质14提供泵浦光。
所述第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4和第二激光增益介质5依次置于所述第二泵浦源1的一侧。
所述第二泵浦源1通过所述第二光纤2连接于所述第二耦合透镜组3，用于为所述第二激光增益介质5提供泵浦光。
所述第一激光全反射镜15、第一激光增益介质14、第一起偏器13、第一45°反射镜12、电光调Q晶体10、第二45°反射镜8以及第二激光输出镜9沿激光振荡方向依次排列，构成第一路激光谐振腔。
所述第二激光全反射镜4、第二激光增益介质5、第二起偏器6、四分之一波片7、第二45°反射镜8、电光调Q晶体10、第一45°反射镜12以及第一激光输出镜11沿激光振荡方向依次排列，构成第二路激光谐振腔。
在本发明一实施方式中，所述第一激光增益介质14和第二激光增益介质5同轴放置，且与激光传输方向一致。
在本发明一实施方式中，所述第一起偏器13和第一45°反射镜12依次置于所述第一激光增益介质14远离所述第一激光全反射镜15的一侧，且与激光传输方向一致。
在本发明一实施方式中，所述第二起偏器6、四分之一波片7和第二45°反射镜8依次位于所述第二激光增益介质5远离所述第二激光全反射镜4的一侧。
在本发明一实施方式中，所述第一激光输出镜11置于所述第一45°反射镜12的后方，且垂直于激光输出方向放置。
在本发明一实施方式中，所述第二激光输出镜9置于所述第二45°反射镜8的后方，且垂直于激光输出方向放置。
在本发明一实施方式中，所述第一泵浦源18和第二泵浦源1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10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，所述激光器还包括第一激光电源19和第二激光电源24。
所述第一激光电源19与所述第一泵浦源18连接，用于为所述第一泵浦源18提供电源。
所述第二激光电源24与所述第二泵浦源1连接，用于为所述第二泵浦源1提供电源。
在上述实施方式中，所述第一激光电源19和第二激光电源24可以为独立设置的电源，也可以为同一个整体电源。
在本发明一实施方式中，所述激光器还包括电光晶体驱动模块21，所述电光晶体驱动模块21与所述电光调Q晶体10连接，用于对所述电光调Q晶体10施加高压方波信号。
在本发明一实施方式中，所述激光器还包括第一温控系统20、第二温控系统23和中央控制系统22，其中：
所述中央控制系统22与第一激光电源19、第二激光电源24、第一温控系统20、第二温控系统23和电光晶体驱动模块21连接，用于控制第一激光电源19、第二激光电源24以及电光晶体驱动模块21的触发与延时，控制所述第一温控系统20和第二温控系统23调节所述激光器的工作温度。
根据本公开的实施例，可以根据实际需要设计中央控制系统22的总体方案以产生任何所需的跳频激光输出，并保证整个系统的稳定性、准确性和快速性；也可以根据中央控制系统22信号切换模块的技术指标和功能要求，在中央控制系统22中预先编制运行程序使其自动运行。
本发明提出的双波长激光交叉跳频调Q输出激光器是采用了交叉泵浦及有效结合退压式和加压式电光调Q原理的基础上而实现的，即在完成泵浦的前提下，当电光调Q晶体10退压时，可以实现第一路谐振腔输出第一波长调Q巨脉冲激光，而当电光调Q晶体10加压时，则可以实现第二路谐振腔输出第二波长调Q巨脉冲激光。这样，随时间变化跳跃式地对第一激光增益介质14和第二激光增益介质5进行脉冲泵浦，就可以实现双波长激光交叉跳频调Q输出。
更为具体地，所述双波长激光交叉跳频调Q输出激光器的工作原理为：第一泵浦源18和第二泵浦源1分别对第一激光增益介质14和第二激光增益介质5进行跳跃式脉冲泵浦，在泵浦源泵浦激光增益介质的每一个周期内对电光调Q晶体10多次退去和施加四分之一波长电压。
当对电光调Q晶体10施加四分之一波长电压时，第一路激光经过第一起偏器13后变成线偏振光，在外加电场的作用下，经过电光调Q晶体10后，原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转，在第一起偏器13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14处于粒子数反转(储能)状态；而在第二路激光谐振腔内的四分之一波片7的作用下，将经过电光调Q晶体10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6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5的第二路激光谐振腔处于低损耗状态，能够实现第二路λ2波长激光的调Q巨脉冲输出。
当对电光调Q晶体10退去四分之一波长电压时，第一路激光经过第一起偏器13后变成线偏振光，由于没有外加电场作用，经过电光调Q晶体10后，原线偏振光的偏振方向不变，在第一起偏器13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14内的上能级反转粒子数将发生雪崩式跃迁并形成第一路λ1波长激光的调Q巨脉冲输出；而在第二路激光的谐振腔内四分之一波片7的作用下，将经过电光调Q晶体10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6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5的谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质5的上能级在进行反转粒子数积累而不能形成λ2波长激光调Q输出。
在本发明一实施方式中，所述第一激光增益介质14为Nd：YAG晶体，尺寸为Ф4×50mm3，两端镀1319nm增透膜(T＞99％)；第二激光增益介质5为Nd：YVO4晶体，尺寸为Ф4×50mm3，两端镀1064nm增透膜(T＞99％)。第一激光全反射镜15为平-凹镜，且凹面镀1319nm高反射率膜(R＞99％)，第二激光全反射镜4为平-凹镜，且凹面镀1064nm高反射率膜(R＞99％)，第一激光输出镜11为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1319nm部分透过率膜，透过率为4％，外侧镀1319nm激光的抗反膜。第二激光输出镜9为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm部分透过率膜，透过率为6％，外侧镀1064nm激光的抗反膜。第一起偏器13镀1319nm激光布儒斯特角增透膜(T＞98％)，第二起偏器6镀1064nm激光布儒斯特角增透膜(T＞98％)；四分之一波片7对应波长为1064nm，且两通光面镀1064nm增透膜(T＞98％)。第一45°反射镜12靠近电光调Q晶体10的一面镀1064nm高反射率膜(R＞99％)，第二45°反射镜8靠近电光调Q晶体10的一面镀1319nm高反射率膜(R＞99％)，第一泵浦源18和第二泵浦源1均为半导体泵浦源，是由808nm激光二极管组成的条形阵列。第一温控系统20和第二温控系统23可控制激光器在25℃室温下工作，中央控制系统22控制第一激光电源19、第二激光电源24以及电光晶体驱动模块21的触发与延时，施加在第一激光电源19、第二激光电源24以及电光晶体驱动模块21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18的电压波形，V2为激励第二泵浦源1的电压波形，VQ为施加在电光调Q晶体10上的电压波形。对于图2中所示的结构方案而言，退压时将产生λ1波长调Q激光输出，加压时则产生λ2波长调Q激光输出。从整个时间序列上来看，则产生如图4所示的双波长激光交叉跳频调Q输出脉冲激光器的脉冲序列。
根据本发明的另一方面，还提出一种双波长激光交叉跳频调Q输出方法，如图5所示，所述方法包括步骤S501-S505：
在步骤S501中，第一泵浦源18和第二泵浦源1分别跳跃式脉冲泵浦第一激光增益介质14和第二激光增益介质5；
在步骤S502中，在第一泵浦源18和第二泵浦源1泵浦激光增益介质的每个周期内，对电光调Q晶体10退去四分之一波长电压，第一路激光谐振腔处于低损耗状态，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第一路激光谐振腔输出第一波长调Q巨脉冲激光；
在步骤S503中，在第一泵浦源18和第二泵浦源1泵浦增益介质的每个周期内，对电光调Q晶体10施加电压，第二路激光谐振腔处于低损耗状态，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第二路激光谐振腔输出第二波长调Q巨脉冲激光；
在步骤S504中，重复所述步骤S502-S503-S502-S503-S503-S503-S502-S502-S503-S503，得到双波长交叉跳频调Q输出激光。
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 (10)

1.一种双波长激光交叉跳频调Q输出激光器，其特征在于，所述激光器包括：第二泵浦源(1)、第二光纤(2)、第二耦合透镜组(3)、第二激光全反射镜(4)、第二激光增益介质(5)、第二起偏器(6)、四分之一波片(7)、第二45°反射镜(8)、第二激光输出镜(9)、电光调Q晶体(10)、第一激光输出镜(11)、第一45°反射镜(12)、第一起偏器(13)、第一激光增益介质(14)、第一激光全反射镜(15)、第一耦合透镜组(16)、第一光纤(17)和第一泵浦源(18)，其中：
所述第一耦合透镜组(16)、第一激光全反射镜(15)和第一激光增益介质(14)依次置于所述第一泵浦源(18)的一侧；
所述第一泵浦源(18)通过所述第一光纤(17)连接于所述第一耦合透镜组(16)，用于为所述第一激光增益介质(14)提供泵浦光；
所述第二耦合透镜组(3)、第二激光全反射镜(4)和第二激光增益介质(5)依次置于所述第二泵浦源(1)的一侧；
所述第二泵浦源(1)通过所述第二光纤(2)连接于所述第二耦合透镜组(3)，用于为所述第二激光增益介质(5)提供泵浦光；
所述第一激光全反射镜(15)、第一激光增益介质(14)、第一起偏器(13)、第一45°反射镜(12)、电光调Q晶体(10)、第二45°反射镜(8)以及第二激光输出镜(9)沿激光振荡方向依次排列，构成第一路激光谐振腔；
所述第二激光全反射镜(4)、第二激光增益介质(5)、第二起偏器(6)、四分之一波片(7)、所述第二45°反射镜(8)、所述电光调Q晶体(10)、所述第一45°反射镜(12)以及第一激光输出镜(11)沿激光振荡方向依次排列，构成第二路激光谐振腔。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一激光增益介质(14)和第二激光增益介质(5)同轴放置，且与激光传输方向一致。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一起偏器(13)和第一45°反射镜(12)依次置于所述第一激光增益介质(14)远离所述第一激光全反射镜(15)的一侧，且与激光传输方向一致。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第二起偏器(6)、四分之一波片(7)和第二45°反射镜(8)依次置于所述第二激光增益介质(5)远离所述第二激光全反射镜(4)的一侧。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一激光输出镜(11)置于所述第一45°反射镜(12)的后方，且垂直于激光输出方向放置。
6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第二激光输出镜(9)置于所述第二45°反射镜(8)的后方，且垂直于激光输出方向放置。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一激光电源(19)和第二激光电源(24)，其中：
所述第一激光电源(19)与所述第一泵浦源(18)连接，用于为所述第一泵浦源(18)提供电源；
所述第二激光电源(24)与所述第二泵浦源(1)连接，用于为所述第二泵浦源(1)提供电源。
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括电光晶体驱动模块(21)，所述电光晶体驱动模块(21)与所述电光调Q晶体(10)连接，用于对电光调Q晶体(10)施加高压方波信号。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一温控系统(20)、第二温控系统(23)和中央控制系统(22)，其中：
所述中央控制系统(22)与第一激光电源(19)、第二激光电源(24)、第一温控系统(20)、第二温控系统(23)和电光晶体驱动模块(21)连接，用于控制第一激光电源(19)、第二激光电源(24)以及电光晶体驱动模块(21)的触发与延时，控制所述第一温控系统(20)和第二温控系统(23)调节所述激光器的工作温度。
10.一种双波长激光交叉跳频调Q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：
步骤S1，第一泵浦源(18)和第二泵浦源(1)分别跳跃式脉冲泵浦第一激光增益介质(14)和第二激光增益介质(5)；
步骤S2，在第一泵浦源(18)和第二泵浦源(1)泵浦激光增益介质的一个周期内，对电光调Q晶体(10)多次施加和退去四分之一波长电压，得到双波长激光交叉跳频调Q脉冲激光：对电光调Q晶体(10)施加电压时，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第二路激光谐振腔处于低损耗状态，第二路激光谐振腔输出λ2波长调Q巨脉冲激光；当对电光调Q晶体(10)退去电压时，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，第一路激光谐振腔输出λ1波长调Q巨脉冲激光；
步骤S3，周期性重复所述步骤S1和S2，得到双波长激光交叉跳频调Q输出激光。
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