CN110943363A - 一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调q激光器 - Google Patents

一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调q激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，主要是在脉冲泵浦的被动调Q激光中增加了光电监测和反馈功能，通过光电探测器实时监测出光延时并通过反馈装置将测试值与预设值作比较同时反馈调节泵浦功率，使激光器的光延时稳定在预设值附近。本发明方案可有效控制脉冲泵浦的被动调Q激光器光延时，提高被动调Q激光器的延时稳定性，同时可使光脉冲与外部设备或装置等同步，扩展被动调Q激光器在激光雷达、光谱仪器、光电探测等领域的应用。

Description

一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器。
背景技术
调Q技术是获得巨脉冲激光的主要技术，调Q技术有主动调Q和被动调Q两种。与主动调Q技术相比，被动调Q技术具有结构紧凑、能量转化效率高、价格低等特点，在远距离测量、遥感探测、医疗健康及空间通信等军事和民用领域具有广泛的应用前景，并且已经占据越来越重要的地位。
Cr4+:YAG可饱和吸收调Q是被动调Q中使用最广泛的一种。当Cr4+:YAG晶体处于其吸收带内的入射光信号较弱时，会对入射光呈现出非常明显的吸收趋势；当入射信号增强到一定程度时，会对入射光突然呈现明显的吸收饱和趋势。利用Cr4+:YAG晶体这种突变的吸收饱和特点，将其置谐振腔内作为被动调Q方式的Q开关。
由Cr4+:YAG可饱和吸收被动调Q的原理可以看出，其激光脉冲的产生主要受泵浦功率、谐振腔和Cr4+:YAG晶体的影响。当激光器调试好后，其谐振腔和Cr4+:YAG晶体的参数即确定下来，泵浦功率对脉冲的产生起着重要的作用。尤其在连续泵浦的被动调Q激光器中，不对泵浦功率进行主动控制，其产生脉冲的时刻和重复频率总是会存在不稳定的现象，这种不稳定性导致了被动调Q激光器的光脉冲无法配合其他仪器或探测设备的同步，很大程度上限制了被动调Q激光器的应用范围。通过脉冲泵浦的方式来控制激光脉冲的这种方式使光脉冲重复频率可以和脉冲泵浦电信号重复频率相同，一定程度上改善了光脉冲重复频率的稳定性，但是环境温度、产生脉冲条件的波动，使脉冲泵浦的被动调Q方式产生脉冲的时刻相对脉冲泵浦电信号还是存在很大的不确定性，也就是光延时波动范围较大，这一弊端很大程度上限制了被动调Q激光器的应用范围。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，该激光器可有效控制脉冲泵浦的被动调Q激光器光延时，提高被动调Q激光器的延时稳定性，同时可使光脉冲与外部设备或装置等同步，扩展被动调Q激光器在激光雷达、光谱仪器、光电探测等领域的应用。
本发明采用的技术方案是：
一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，该激光器是将带有反馈装置的光探测器放在脉冲泵浦被动调Q激光器中，通过实时探测光脉冲相对脉冲泵浦电信号上升沿的延时并与预设值进行比较，当回传信号发生偏差时则对脉冲泵浦电信号低电平发出指令进行相应调整，使脉冲泵浦被动调Q激光器的脉冲光延时稳定。
本发明的具体技术解决方案如下：
本发明提出一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，所述激光器包括:泵浦源、耦合透镜、带全反膜的激光增益介质、被动调Q晶体、输出镜、分束镜、光探测器和反馈装置，其中：所述泵浦源、耦合透镜、带全反膜的激光增益介质、被动调Q晶体、输出镜、分束镜依次按光学同轴排列；所述光探测器对应分束镜设置实时监测分束镜反射的光，所述反馈装置设置在光探测器和泵浦源之间、根据光电探测器探测的结果反馈调节泵浦源的功率大小。
所述泵浦源采用脉冲运转方式；
所述带全反膜的激光增益介质和输出镜组成谐振腔；
所述泵浦源经过耦合透镜将泵浦光汇聚到带全反膜的激光增益介质上，增益介质3吸收泵浦光后形成粒子数反转，激光器产生增益；
所述被动调Q晶体是基于晶体可饱和吸收特性的一种Q开关；
所述被动调Q晶体可调节谐振腔内的损耗，当激光器内增益大于损耗时，产生的脉冲光从输出镜输出；
所述分束镜将输出的脉冲光分出一部分至光探测器；
所述光探测器接收分束镜分出的一部分光，并将监测结果传送给反馈装置；
可选地，所述泵浦源为直接输出的半导体激光器，波长对应所述带全反膜的激光增益介质的吸收峰；
可选地，分束镜是带有对输出光波长部分反射率的光学镜片；
可选地，带全反膜的激光增益介质表面一侧镀有泵浦光的增透膜与激光高反膜，另一侧镀有基频光的增透膜。
可选地，输出镜为平凹镜，朝向所述带全反膜的激光增益介质一侧镀有基频光部分透射膜。
可选地，光探测器为一光敏二极管，是一种可响应输出光脉冲波长范围信号并将光信号转换为电信号的半导体器件；
可选地，反馈装置为一单片机，是一种可在内部编写逻辑判断和指令程序的芯片，可实现脉冲光延时的反馈调节功能。
本发明的优点和技术效果是：
1、本发明在脉冲泵浦的被动调Q激光器中加入光探测器，光探测器实时探测激光脉冲并将信息传送给反馈装置，反馈装置根据探测到的信号判断激光脉冲相对脉冲泵浦源电信号上升沿的延时，自动调整脉冲泵浦源低电平的大小，进而调节脉冲光延时的大小，使脉冲泵浦的被动调Q激光器的光脉冲获得稳定的延时。
2、本发明提出的一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器可保持更加稳定的延时时间，这种稳定的延时实现了光脉冲与其他设备或仪器同步，提高了该被动调Q激光器的应用范围。
3、本发明通过对被动调Q激光器内增加光的监测功能，达到对光电延时进行实时监测并通过反馈程序调节预泵浦功率大小的目的，实现了光电延时可受控的脉冲泵浦被动调Q激光器。当激光器受到环境温度变化、应力变化等影响时，本发明提出的一种带有光延时可控装置的脉冲泵浦被动调Q激光器可保持更加稳定的延时时间，这种稳定的延时实现了光脉冲与其他设备或仪器同步，提高了该被动调Q激光器的应用范围。
附图说明
图1是一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器结构示意图；
图2是脉冲激光相对脉冲泵浦源方波延时为t的关系图；
图3是脉冲泵浦源方波参数设置及实现延时可控的流程图；
图4是脉冲激光相对脉冲泵浦源方波延时为t+△t的关系图；
图5是脉冲激光相对脉冲泵浦源方波延时为t-△t的关系图；
附图标记：1、泵浦源；2、耦合透镜；3、带全反膜的激光增益介质；4、被动调Q晶体；5、输出镜；6、分束镜；7、光探测器；8、反馈装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
如图1所示：本发明一种带有光延时可控装置的脉冲泵浦被动调Q激光器包括泵浦源1、耦合透镜2、带全反膜的激光增益介质3、被动调Q晶体4、输出镜5、分束镜6、光探测器7和反馈装置8。
所述带全反膜的激光增益介质3和输出镜5构成了激光谐振腔。
所述泵浦源1经过耦合透镜2汇聚后被带全反膜的激光增益介质3吸收，在激光增益介质3内形成了粒子数反转并使激光谐振腔内产生振荡。
所述被动调Q晶体4是一种基于晶体可饱和吸收特性的被动调Q晶体，置于激光谐振腔内。
所述被动调Q晶体4在谐振腔内光较弱时，对光呈现出非常明显的吸收趋势，导致谐振腔内损耗很大，无激光输出，激光增益介质内的能量得到积累；当谐振腔内的光增强到一定程度时，可饱和晶体突然呈现明显的吸收饱和趋势，激光增益介质内积累的能量得到迅速释放，形成峰值较高的光脉冲。
如图2所示，泵浦源1以脉冲方波的形式泵浦激光增益介质，所述泵浦源1的脉冲方波处于高电平时，泵浦源1输出功率较高，可使谐振腔内的增益大于损耗，此时有脉冲激光输出；泵浦源1的脉冲方波处于低电平时，泵浦源1输出功率较低，谐振腔内的损耗大于增益，此时无脉冲激光输出。
所述泵浦源1的脉冲方波电平高低线性对应泵浦功率的输出大小，电平越高，泵浦功率越大，电平越低，泵浦功率越小。泵浦功率的高低会影响输出的光脉冲相对泵浦方波上升沿的延时大小，泵浦功率越高，光脉冲的延时越小；反之，泵浦功率越小，光脉冲的延时越大。
所述泵浦源的脉冲方波占空比大小对应泵浦功率输出时间的长短，占空比越大，泵浦时间越长，一个脉冲方波周期内可获得光脉冲也就越多。可以通过调节泵浦源脉冲方波的占空比大小实现光脉冲的频率与脉冲方波频率一致，也就是一个泵浦源脉冲方波内只存在一个光脉冲。
所述泵浦源1的脉冲方波需设置脉冲泵浦方波的占空比、低电平和高电平至合适的大小，使激光谐振腔内增益大于损耗同时产生光脉冲，并且光脉冲相对泵浦方波的上升沿为期望的延时时间t。如图3所示，为设置泵浦脉冲方波各参数流程图。
所述预设的脉冲泵浦方波的低电平至合适位置是指低电平大小为低电平漏光电流的一半；该低电平下无脉冲激光输出，并且该低电平往大小两个方向一定电压范围内调节均无脉冲激光输出，光脉冲相对泵浦光脉冲的延时时间可随低电平电压大小线性变化。
所述预设的脉冲泵浦方波的高电平至合适位置是指调好脉冲方波的低电平和占空比后，调节高电平使光脉冲相对泵浦方波的上升沿延时时间为期望值t。
所述预设的脉冲泵浦方波的占空比至合适大小是指每个脉冲泵浦方波下只含有一个光脉冲，并且占空比大小设置在已出的光脉冲与其之后的光脉冲之间的位置。按此方法设置，激光器的输出特性最稳定。
所述光探测器7实时探测光波信号是指激光器内的分束镜6将主光路中的光分出一部分至光探测器上，本实施案例中优选光探测器为一光敏二极管，可将接收的光信号转换为电信号并传送信息至反馈装置8中。
本实施案例中优选的反馈装置8采用单片机，可对脉冲延时进行逻辑判断进而发出控制指令。具体来说，就是保持激光器的脉冲泵浦信号的占空比和高电平至合适位置保持不变，将光探测器测试的延时信号与设定值作比较，进而根据结果对脉冲泵浦方波的低电平发出指令，实现脉冲光延时的反馈调节功能。
如图4所示，激光器内光探测器7通过探测光波信号，反馈装置8将实时测试的光脉冲相对泵浦方波的上升沿的延时时间与期望值t作比较，当判断延时时间变大为t+△t时，则将泵浦源1的脉冲方波的低电平由a增加至b，直至延时时间重新回到t。
如图5所示，激光器内光探测器7通过探测光波信号，反馈装置8将实时测试的光脉冲相对泵浦方波的上升沿的延时时间与期望值t作比较，当判断延时时间减小为t-△t时，则将泵浦源1的脉冲方波的低电平由a减小至c，直至延时时间重新回到t。
在本发明一实施方式中，所述泵浦源1采用最大功率为5W的半导体激光器，中心波长为808nm；所述耦合透镜2为一个焦距f＝5mm的平凸镜，平凸镜表面镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜；所述带全反膜的激光增益介质3为尺寸φ4×3mm的Nd:YAG晶体，靠近耦合透镜一侧表面镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜和反射率大于99.9％的1064nm高反射膜，另一侧镀有透过率大于99.8％的1064nm增透膜；所述被动调Q晶体4为可饱和吸收晶体Cr：YAG，双面镀有1064nm增透膜，通过口径为5mm×5mm，初始透过率为80％；所述输出镜5为R＝200mm的平凹镜，表面镀有反射率为85％的1064nm部分反射膜；分束镜6为一平面镜，表面镀有反射率为4％的45°部分反射膜；光探测器7为一通过口径为φ5的光敏二极管，可响应1064nm波长的光；反馈装置8为一单片机。
在本发明一实施方式中，带全反膜的激光增益介质Nd:YAG晶体吸收泵浦源发出的808nm泵浦光，通过激光增益介质的端面全反膜与输出镜组成的谐振腔使产生的1064nm光得到振荡，经过被动调Q晶体的饱和吸收作用，形成了1064nm激光脉冲。所述被动调Q激光器的泵浦源上外加频率为4kHz的脉冲方波信号，预期实现光脉冲相对外加脉冲方波上升沿的出光延时保持在150μs。测试方波信号的低电平漏光电流为3.5A，最终将方波信号的低电平设置为漏光电流的一半1.75A；方波信号高电平设置为4.9A时，此时光脉冲相对外加脉冲方波上升沿的出光延时为预期值150μs；方波信号占空比设置为80％时，实现每个脉冲方波下含有一个光脉冲，即光脉冲频率与外加方波信号频率保持一致。在此初始设定完成后，开通单片机的反馈调节功能，动态调节脉冲方波的低电平大小，通过光探测器实时探测的光脉冲信号与脉冲方波信号的上升沿做比较，当出光延时小于150μs时则降低电平大小直至出光延时等于150μs，当出光延时大于150μs时则提高低电平大小直至出光延时等于150μs，通过这样的反馈调节使出光延时保持为150μs。
由上可知，本发明通过对被动调Q激光器内增加光的监测功能，达到对出光延时进行实时监测并通过反馈程序调节预泵浦功率大小的目的，实现了出光延时可受控的脉冲泵浦被动调Q激光器。当激光器受到环境温度变化、应力变化等影响时，本发明提出的一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器可保持更加稳定的延时时间，这种稳定的延时实现了光脉冲与其他设备或仪器同步，提高了该被动调Q激光器的应用范围。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，本发明的保护范围并不局限于上述优选实施方案，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，其特征在于：所述被动调Q激光器包括：泵浦源(1)、耦合透镜(2)、带全反膜的激光增益介质(3)、被动调Q晶体(4)、输出镜(5)、分束镜(6)、光探测器(7)和反馈装置(8)，其中：所述泵浦源(1)、耦合透镜(2)、带全反膜的激光增益介质(3)、被动调Q晶体(4)、输出镜(5)、分束镜(6)依次按光学同轴排列；所述光探测器(7)对应分束镜(6)设置实时监测分束镜(6)反射的光，所述反馈装置(8)设置在光探测器(7)和泵浦源(1)之间、根据光电探测器(7)探测的结果反馈调节泵浦源(1)的功率大小。
2.如权利要求1所述一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)采用脉冲运转方式。
3.如权利要求1所述一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，其特征在于：泵浦源(1)为半导体激光器，其波长范围对应带全反膜的激光增益介质(3)的吸收峰。
4.如权利要求1所述一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，其特征在于：所述带全反膜的激光增益介质(3)和输出镜(5)组成谐振腔。
5.如权利要求1所述一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)经过耦合透镜(2)将泵浦光汇聚到带全反膜的激光增益介质(3)上，增益介质(3)吸收泵浦光后形成粒子数反转，激光器产生增益。
6.如权利要求1所述一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，其特征在于：所述被动调晶体(4)是基于晶体可饱和吸收特性的调Q晶体。
7.如权利要求1所述一种带有光延时可控功能的脉冲泵浦被动调Q激光器，其特征在于：所述分束镜(6)带有对输出光的部分反射膜。
8.如权利要求1所述被动调Q激光器的脉冲光延时反馈调节方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
①、设置泵浦源(1)的脉冲方波的低电平大小为低电平漏光电流的一半，适当占空比使一个泵浦源脉冲方波内只存在一个光脉冲，适当高电平大小使光脉冲相对泵浦方波的上升沿为期望的延时时间t；
②、利用光探测器(7)探测分束镜(6)反射的光波信号，通过反馈装置(8)将实时测试的光脉冲相对泵浦方波的上升沿的延时时间与期望值t作比较，当判断延时时间变大为t+△t时，则将泵浦源(1)的脉冲方波的低电平由a增加至b，直至延时时间重新回到t；
③、利用光探测器(7)通过探测分束镜(6)反射的光波信号，通过反馈装置(8)将实时测试的光脉冲相对泵浦方波的上升沿的延时时间与期望值t作比较，当判断延时时间减小为t-△t时，则将泵浦源(1)的脉冲方波的低电平由a减小至c，直至延时时间重新回到t。
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