CN110970794A - 用于提高激光器功率的声光q开关、谐振腔和脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

一种用于提高激光器功率的声光Q开关、谐振腔及脉冲激光器，该声光Q开关包括透明光学元件，用于形成对激光起到衍射作用的相位光栅；压电换能器，设置在透明光学元件的一端，用于将电能转换成超声波能使透明光学元件内形成相位光栅；以及吸收体，设置在透明光学元件的另一端，用于吸收超声波能。本发明的声光Q内部光学晶体入射面设计成凹型曲面，可以对谐振腔内部振荡的聚焦光束进行扩束，使穿过声光Q光学晶体内部的光束体积变大，实现间接提高穿过振荡光束的光栅数目的，由于声光Q对振荡级激光关断激光能力与穿过其光栅数成正比，因此本发明可以提高声光Q开关关断振荡级激光的能力。

Description

用于提高激光器功率的声光Q开关、谐振腔和脉冲激光器
技术领域
本发明属于高功率脉冲激光技术领域，具体涉及一种用于提高激光器功率的声光Q开关、谐振腔及脉冲激光器。
背景技术
采用声光调Q技术实现脉冲激光输出是脉冲激光技术领域一种常用的方法，随着工业生产领域对激光加工效率的需求不断提高，提高脉冲激光器输出功率是目前脉冲激光技术领域主要研究内容之一。通常高功率脉冲激光器由振荡级和放大级组成，提高振荡级输出脉冲激光功率可以有效的提高激光器整体输出功率，主要原因为：1、高功率振荡级激光可以提高放大级提取效率，在相同数量放大级的情况下，可以输出更高的激光功率；2、采用高功率振荡级，可以减少放大级数量，使结构简单，提高激光器可靠性。但是通常采用声光调Q输出振荡级脉冲激光只有几十瓦至百瓦级，再提高振荡级激光功率就会导致声光Q不能完全关断，导致振荡级存在连续激光输出，降低激光器应用性能。高功率激光不能完全关断原因之一为：通常由于增益介质内部热分布不均匀，使得振荡级光束呈曲率变化的聚焦型分布，导致通过声光晶体内部的光束与声光晶体内部形成相位光栅间的角度不完全满足布拉格角，致使声光Q关断能力下降；由于谐振腔内部光束为一聚焦型光束，导致晶体内部光束体积呈变小趋势，因此优化并提高聚焦光束在声光晶体内部的体积，使通过激光光束其内部光栅数增加，可实现提高关断能力的目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种用于提高激光器功率的声光Q开关、谐振腔及脉冲激光器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种用于提高激光器功率的声光Q开关，包括：
透明光学元件，用于形成对激光起到衍射作用的相位光栅；
压电换能器，设置在透明光学元件的一端，用于将电能转换成超声波能使透明光学元件内形成相位光栅；以及
吸收体，设置在透明光学元件的另一端，用于吸收超声波能。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种谐振腔，包括：
高反镜，将谐振腔内部振荡激光反射回激光模块内部增益晶体；
激光模块，用于产生泵浦激光；
如上所述的声光Q开关，用于关断振荡级激光；以及
输出镜，用于将谐振腔内部振荡激光反射回激光模块内部增益晶体，并且将部分激光输出。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种脉冲激光器，内含有如上所述的声光Q开关或如上所述的谐振腔。
基于上述技术方案可知，本发明的用于提高激光器功率的声光Q开关、谐振腔及脉冲激光器相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、声光Q内部光学晶体入射面设计成凹型曲面，可以对谐振腔内部振荡的聚焦光束进行扩束，使穿过声光Q光学晶体内部的光束体积变大，实现间接提高穿过振荡光束的光栅数目的，由于声光Q对振荡级激光关断激光能力与穿过其光栅数成正比，因此本发明可以提高声光Q开关关断振荡级激光的能力；
2、声光Q内部光学晶体入射面设计成凹型曲面，可以对谐振腔内部振荡的聚焦光束进行整形，使声光Q光学晶体内部的光束成为一准直的平行光束或接近于平行光束，这样可以匀化穿过声光Q光学晶体内部光束与声光Q光学晶体内部形成的各布拉格衍射光栅之间的夹角，使光束在声光Q光学晶体内部传播全程夹角相等或近似相等，并等于布拉格衍射角，这样可以提高声光Q开关关断振荡级激光的能力；
3、声光Q光学晶体出射面设计成一凸型曲面与入射面相反，光学晶体出射面凸型曲面与入射面凹型曲面曲率相等。在声光Q处于开启状态，脉冲激光输出时，输出面可以对穿过声光Q光学晶体的振荡光束进行二次整形恢复，恢复到声光Q光学晶体前的激光束尺寸大小，这样可以在将声光Q开关晶体入射面及出射面设计成曲面后不改变激光器谐振腔内部振荡光束直径，而起到不影响整体谐振腔的稳定，与原谐振腔相同。
附图说明
图1是本发明实施例的声光Q开关的结构示意图；
图2是本发明实施例中激光谐振腔的结构示意图；
图3是激光晶体有热透镜效应输出的聚焦光束进入普通声光Q晶体内部情况示意图；
图4是激光晶体无热透镜效应输出的平行光束进入普通声光Q晶体内部情况示意图。
附图标记说明：
1-激光光束；2-相位光栅；3-吸收体；4-压电换能器；5-夹角；6-熔融石英晶体；7-入射面；8-出射面；9-平行光束；10-高反镜；11-输出镜；12-激光模块；13-声光Q开关；14-增益介质晶体；15-电感匹配网络；16-视频发生器。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种声光Q开关，包括：
透明光学元件，用于形成对激光起到衍射作用的相位光栅；
压电换能器，设置在透明光学元件的一端，用于将电能转换成超声波能使透明光学元件内形成相位光栅；以及
吸收体，设置在透明光学元件的另一端，用于吸收超声波能。
在本发明的一些实施例中，所述透明光学元件的入射面为弧形曲面；
在本发明的一些实施例中，所述透明光学元件的出射面为弧形曲面。
在本发明的一些实施例中，所述透明光学元件的弧形曲面各位置曲率为一恒值或一根据入射聚焦光束曲率变化而设计的变化值。
在本发明的一些实施例中，所述入射面与出射面的曲率半径相同；
在本发明的一些实施例中，所述入射面的球心与出射面的球心位于同一侧。
在本发明的一些实施例中，所述的透明光学元件采用的材料包括熔融石英晶体、铌酸锂、钼酸铅、二氧化碲、重火石玻璃。
在本发明的一些实施例中，所述的声光Q开关还包括用于冷却吸收体的冷却单元。
在本发明的一些实施例中，所述冷却单元包括风扇或冷却水。
本发明还公开了一种谐振腔，包括：
高反镜，将谐振腔内部振荡激光反射回激光模块内部增益晶体；
激光模块，用于产生激光；
如上所述的声光Q开关，用于关断振荡级激光；以及
输出镜，用于将谐振腔内部振荡激光反射回激光模块内部增益晶体，并且将部分激光输出。
在本发明的一些实施例中，所述的输出镜透过率为10至60％；
在本发明的一些实施例中，所述声光Q开关中形成的光栅与激光光束之间的夹角为布拉格角度时声光Q开关关断振荡级激光。
本发明还公开了一种脉冲激光器，内含有如上所述的声光Q开关或如上所述的谐振腔。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本发明的一种基于声光调Q的激光二极管侧面泵浦全固态脉冲激光器，用于提高声光调Q脉冲激光器单振荡级输出脉冲激光功率，提高声光Q关断激光能力。
如图1所示，本发明设计的用于提高高功率脉冲激光输出的声光Q开关主要包括：一熔融石英晶体6，一压电换能器4，一吸收体3。熔融石英晶体6用于形成对激光起到衍射作用的相位光栅2，压电换能器4通过环氧树脂黏在熔融石英晶体6下端，用于将电能转换成超声波能，真空沉积的电极给压电换能器4提供电压，采用电感匹配网络15将视频发生器16发出的信号耦合到压电换能器4上，压电换能器4产生的超声波摄入到熔融石英晶体6内部，使熔融石英晶体6折射率发生周期性改变，形成一相位光栅2。吸收体3位于压电换能器4相对一端，用于吸收超声波能，并配有冷却单元，冷却单元可以为风扇或流动的水。除以上特征结构外本发明中的熔融石英晶体6还包括一入射面7，位于熔融石英晶体6入射光一侧，一出射面8位于熔融石英晶体6出射光一侧，其中，入射面7和出射面8均为弧形曲面，入射面7和出射面8的两圆心位于同一侧。
如图2所示，一可输出脉冲激光的谐振腔主要包括：一高反镜10，一输出镜11，一激光模块12，一声光Q开关13，声光Q开关13为本发明设计可提高激光关断能力的声光Q开关。声光Q开关13通过阻挡或偏转腔内激光防止其自再现，允许在激光增益介质中内产生比常规情况下大的多的反转粒子数，当足够的反转粒子数被积累以后，通过恢复谐振腔的Q值，使腔内激光可以自再现，将消耗掉大部分之前在增益介质中积累的反转粒子数，产生极强的通常为几十纳秒级别的短脉冲激光。输出镜11用于将谐振腔内部振荡激光反射回激光模块内部增益晶体，并且部分激光输出，通常输出镜镀有部分透过部分反射的介质膜，本实施例输出镜透过率为30％。
由于激光模块12内部增益介质晶体14热分布不均匀，中间温度高边缘温度低，实际谐振腔内部的激光光束1呈焦散线形，增益介质晶体14端面处激光光斑直径最大，高反镜10及输出镜11表面处的激光光斑直径最小，整体光束变化趋势为变曲率曲线。光束穿过声光Q开关13内部熔融石英晶体6后，开启压电环能器4，压电换能器4将电能装换成超声波能，并摄入到熔融石英晶体6内部，使熔融石英晶体6内部形成一相位光栅2。聚焦的激光光束1入射到此相位光栅2上，当激光传播方向与相位光栅2之间的夹角5的角度为布拉格角度时，聚焦激光光束1将被衍射偏离出光束传播方向，破坏谐振腔振荡条件，实现振荡器激光的关断。由于本发明设计的声光Q开关内部熔融石英晶体6入射面为一弧形曲面，可以对曲率不断变化的聚焦激光光束1与相位光栅2之间的角度5进行修正，使更多的入射聚焦光束1与熔融石英内部的相位光栅2之间的夹角5的角度满足布拉格角，形成衍射，完成关断。由于声光Q开关内部熔融石英晶体6入射面为一弧形曲面7，对聚焦型入射激光光束1起到光束直径扩束作用，增大了通过熔融石英晶体6内部衍射光栅2数量，可进一步提高衍射光栅2对激光的衍射能力，即提高声光Q对激光的关断能力。
本发明声光Q开关内部熔融石英晶体6出射面8为一与入射面7曲率完全相同的弧形曲面，因此当声光Q开关处于开启状态输出脉冲激光时，即内部无衍射光栅2时，声光Q开关内部熔融石英晶体6出射面8会对出射的脉冲激光光束1起到聚焦作用，由于出射面8与入射面7曲率完全相等，因此出射面8可以抵消入射面7对激光的扩束作用，使整体激光振荡器内部最终光束直径无变化，仍为原始腔型结构。
图3为无任何畸变平行光束9进入普通声光Q晶体内部情况，平行光束9与声光Q开关内部熔融石英晶体6内的衍射光栅2之间的夹角5为一恒定值，因此与布拉格角的偏差最小。
图4是聚焦光束1进入不带修正的普通声光Q晶体6内部情况。激光光束1与声光Q开关内部熔融石英晶体6内的衍射光栅2之间的夹角5是变化的，会导致声光Q开关关断激光能力降低。
声光Q开关内部熔融石英晶体6入射面7及出射面8的弧面曲率可以为一定值，这样可以降低激光光束1与声光Q开关内部熔融石英晶体6内的衍射光栅2之间的夹角5的不均匀度，提高关断能力。声光Q开关内部熔融石英晶体6入射面7及出射面8的弧面曲率也可以根据光束1变化的变曲率曲面，这样可以完全消除激光光束1与声光Q开关内部熔融石英晶体6内衍射光栅2之间的夹角5的不均匀度，提高关断能力。
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，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)

1.一种声光Q开关，其特征在于，包括：
透明光学元件，用于形成对激光起到衍射作用的相位光栅；
压电换能器，设置在透明光学元件的一端，用于将电能转换成超声波能使透明光学元件内形成相位光栅；以及
吸收体，设置在透明光学元件的另一端，用于吸收超声波能。
2.根据权利要求1所述的声光Q开关，其特征在于，
所述透明光学元件的入射面为弧形曲面；
所述透明光学元件的出射面为弧形曲面。
3.根据权利要求2所述的声光Q开关，其特征在于，
所述透明光学元件的弧形曲面各位置曲率为一恒值或一根据入射聚焦光束曲率变化而设计的变化值。
4.根据权利要求2所述的声光Q开关，其特征在于，
所述入射面与出射面的曲率半径相同；
所述入射面的球心与出射面的球心位于同一侧。
5.根据权利要求1所述的声光Q开关，其特征在于，
所述的透明光学元件采用的材料包括熔融石英晶体、铌酸锂、钼酸铅、二氧化碲、重火石玻璃。
6.根据权利要求1所述的声光Q开关，其特征在于，
所述的声光Q开关还包括用于冷却吸收体的冷却单元。
7.根据权利要求6所述的声光Q开关，其特征在于，
所述冷却单元包括风扇或冷却水。
8.一种谐振腔，包括：
高反镜，将谐振腔内部振荡激光反射回激光模块内部增益晶体；
激光模块，用于产生激光；
如权利要求1至7任一项所述的声光Q开关，用于关断振荡级激光；以及
输出镜，用于将谐振腔内部振荡激光反射回激光模块内部增益晶体，并且将部分激光输出。
9.根据权利要求1所述的谐振腔，其特征在于，
所述的输出镜透过率为10至60％；
所述声光Q开关中形成的光栅与激光光束之间的夹角为布拉格角度时声光Q开关关断振荡级激光。
10.一种脉冲激光器，内含有如权利要求1至7任一项所述的声光Q开关或如权利要求8或9所述的谐振腔。
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