CN111048985B - 一种双波长单纵模激光交替调q输出方法及激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波长单纵模激光交替调Q输出方法及激光器,所述激光器包括:第一泵浦源、第一激光增益介质、起偏器、第二泵浦源、第二激光增益介质、四分之一波片、电光调Q晶体、激光输出镜、第一激光全反射镜、第二激光全反射镜、第一45°反射镜、第二45°反射镜、第一耦合透镜组、第二耦合透镜组、第一光纤和第二光纤,当电光调Q晶体阶跃式加压时,输出第二波长单纵模激光,当电光调Q晶体阶跃式退压时,输出第一波长单纵模激光。本发明方案可以获得较宽波长范围的双波长激光、较大的波长差值,在输出脉冲序列上呈现出双波长脉冲交替状态,并且激光增益介质的种类不受限定。

Description

一种双波长单纵模激光交替调Q输出方法及激光器
技术领域
本发明涉及固体激光器领域,特别是一种双波长单纵模激光交替调Q输出方法及激光器。
背景技术
双波长脉冲激光器在精细激光光谱、原子和分子的多光子分步电离、非线性频率变换、激光医学等技术领域已经得到了广泛的应用。当双波长脉冲激光为单纵模激光时,可在上述研究领域中进一步提高研究精度。进一步地,若两种波长的单纵模激光在时间域上能够进行分离,那么将能够对原子和分子的多光子分步电离、激光医学、激光光谱等技术领域在极短时间间隔内进行不同层次的动态分析。现有普通的调Q双波长激光器主要是采用单一激光增益介质来获得双波长激光的同时输出。然而,当两种波长激光在同一增益介质中产生时,其跃迁谱线之间存在着激烈的增益竞争,从而影响了激光输出的稳定性;另外,要通过对输出镜透过率的精确设计来保证两种波长激光具有相同的阈值,这将给输出镜的膜系带来极大的挑战;再者,输出的双波长激光多数为非单纵模激光。
目前公开报道的双波长激光交替输出的相关技术相对较少。与本发明相关的一种已知技术被申请号为03152818.X的在先专利所公开,其所采用的激光器结构如图1所示。图中所示各部分分别为:前腔镜101、激光晶体102、起偏器103、调Q晶体104、偏振分束器105、调谐元件106、后腔镜107、调谐元件108、后腔镜109。但是该已知技术存在以下五方面的不足:其一,存在两套光学调谐元件,成本较高;其二,在高重频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,另外,对调Q晶体每施加一次调Q脉冲信号,只能获得一个调Q脉冲激光输出,因此在高重频激光运转时,Q开关驱动系统的负担会加重;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,双波长激光波长之间的最大差值受可调谐晶体的调谐范围限制;其五,值得指出的是,所输出的双波长激光为非单纵模激光。
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单纵模激光交替调Q输出方法及激光器。
根据本发明的一方面,提出一种双波长单纵模激光交替调Q输出激光器,所述激光器包括:第一泵浦源、第一激光增益介质、起偏器、第二泵浦源、第二激光增益介质、四分之一波片、电光调Q晶体、激光输出镜、第一激光全反射镜、第二激光全反射镜、第一45°反射镜、第二45°反射镜、第一耦合透镜组、第二耦合透镜组、第一光纤和第二光纤,其中:
所述第一耦合透镜组和第二耦合透镜组平行放置,且与激光输出方向一致;
所述第一泵浦源置于第一耦合透镜组的一侧,并使用所述第一光纤连接第一泵浦源和第一耦合透镜组,第一耦合透镜组用于将第一泵浦源发出的光耦合进第一激光增益介质中;
所述第二泵浦源置于第二耦合透镜组的一侧,并使用所述第二光纤连接第二泵浦源和第二耦合透镜组。第二耦合透镜组用于将第二泵浦源发出的光耦合进第二激光增益介质中;
所述第一激光全反射镜置于第一耦合透镜组的另一侧;
所述第二激光全反射镜置于第二耦合透镜组的另一侧;
所述第一激光增益介质置于第一激光全反射镜远离第一耦合透镜组的一侧;
所述第二激光增益介质置于第二激光全反射镜远离第二耦合透镜组的一侧;
所述第一激光全反射镜、第一激光增益介质、四分之一波片、第一45°反射镜、第二45°反射镜、起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜构成第二波长激光谐振腔;
所述第二激光全反射镜、第二激光增益介质、第二45°反射镜、起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜构成第一波长激光谐振腔。
当电光调Q晶体阶跃式加压时,所述激光器输出第二波长单纵模激光,当电光调Q晶体阶跃式退压时,所述激光器输出第一波长单纵模激光,周期性对电光调Q晶体进行阶跃式加压和退压,所述激光器交替输出双波长单纵模激光。
可选地,所述第一45°反射镜和第二45°反射镜平行放置,且与激光输出方向一致,第一45°反射镜置于第一激光增益介质远离第一激光全反射镜的一侧,第二45°反射镜置于第二激光增益介质远离第二激光全反射镜的一侧。
可选地,所述四分之一波片置于第一激光增益介质和第一45°反射镜之间。
可选地,所述起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜依次置于第二45°反射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LD电源,其中:
所述LD电源与所述第一泵浦源和所述第二泵浦源连接,用于为所述第一泵浦源和所述第二泵浦源提供电源。
可选地,所述激光器还包括调Q模块驱动系统和调Q模块,所述调Q模块驱动系统与调Q模块连接,用于为电光调Q晶体施加调Q驱动信号。
可选地,所述调Q驱动信号为阶跃式高压信号。
可选地,所述激光器还包括总控系统,所述总控系统与LD电源、调Q模块驱动系统连接,用于对LD电源和调Q模块驱动系统进行同步控制。
根据本发明的另一方面,提出一种双波长单纵模激光交替调Q输出方法,应用于如上所述的激光器中,所述方法包括:
对电光调Q晶体施加四分之一第一波长电压;
第二泵浦源对第二激光增益介质进行脉冲泵浦,当第二激光增益介质的反转粒子数达到最大时,电光调Q晶体处于阶跃式退压,施加在电光调Q晶体上的电压变为零,输出第一波长单纵模激光;
第一泵浦源对第一激光增益介质进行脉冲泵浦,当第一激光增益介质的反转粒子数达到最大时,对电光调Q晶体施加低电压值,电光调Q晶体处于阶跃式加压,形成第二波长单纵模种子激光;
将施加在电光调Q晶体上的电压升至为四分之一第二波长电压,输出第二波长单纵模激光;
周期性重复电光调Q晶体阶跃式加压和阶跃式退压状态,得到交替调Q输出的双波长单纵模激光。
本发明提出了一种双波长单纵模激光交替调Q输出的方法及激光器,本发明方案可以获得较宽波长范围的双波长激光、较大的波长差值,在输出脉冲序列上呈现出双波长脉冲交替状态,并且激光增益介质的种类不受限定。所述激光器采用双泵浦源交替泵浦双激光增益介质,两个激光增益介质轮流工作,这样在高泵浦功率条件下能够极大地降低激光器的热效应。除此之外,在对电光调Q晶体施加一次双台阶调Q脉冲信号的情况下,就可以实现两个单纵模脉冲激光输出,进而为高重频单纵模激光的获得提供一种有效的途径。
附图说明
图1是在先技术的同光束双波长交替调Q激光器的结构示意图;
图2是根据本发明一实施例的双波长单纵模激光交替调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时序及形成激光时刻示意图;
图4是根据本发明一实施例的双波长单纵模激光交替调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单纵模激光交替调Q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。
图2是根据本发明一实施例的双波长单纵模激光交替调Q输出激光器的结构示意图,如图2所示,所述双波长单纵模激光交替调Q输出激光器包括:第一泵浦源11、第一激光增益介质18、起偏器3、第二泵浦源10、第二激光增益介质6、四分之一波片19、电光调Q晶体2、激光输出镜1、第一激光全反射镜16、第二激光全反射镜7、第一45°反射镜5、第二45°反射镜4、第一耦合透镜组13、第二耦合透镜组8、第一光纤12和第二光纤9,其中:
所述第一耦合透镜组13和第二耦合透镜组8平行放置,且与激光输出方向一致;
所述第一泵浦源11置于第一耦合透镜组13的一侧,并使用所述第一光纤12连接第一泵浦源11和第一耦合透镜组13,第一耦合透镜组13用于将第一泵浦源11发出的光耦合进第一激光增益介质18中;
所述第二泵浦源10置于第二耦合透镜组8的一侧,并使用所述第二光纤9连接第二泵浦源10和第二耦合透镜组8。第二耦合透镜组8用于将第二泵浦源10发出的光耦合进第二激光增益介质6中;
所述第一激光全反射镜16置于第一耦合透镜组13的另一侧;
所述第二激光全反射镜7置于第二耦合透镜组8的另一侧;
所述第一激光增益介质18置于第一激光全反射镜16远离第一耦合透镜组13的一侧;
所述第二激光增益介质6置于第二激光全反射镜7远离第二耦合透镜组8的一侧;
所述第一激光全反射镜16、第一激光增益介质18、四分之一波片19、第一45°反射镜5、第二45°反射镜4、起偏器3、电光调Q晶体2和激光输出镜1构成第二波长激光谐振腔;
所述第二激光全反射镜7、第二激光增益介质6、第二45°反射镜4、起偏器3、电光调Q晶体2和激光输出镜1构成第一波长激光谐振腔。
在本发明一实施方式中,所述第一45°反射镜5和第二45°反射镜4平行放置,且与激光输出方向一致,第一45°反射镜5置于第一激光增益介质18远离第一激光全反射镜16的一侧,第二45°反射镜4置于第二激光增益介质6远离第二激光全反射镜7的一侧。
本发明一实施方式中,所述四分之一波片19置于第一激光增益介质18和第一45°反射镜5之间。
本发明一实施方式中,所述起偏器3、电光调Q晶体2和激光输出镜1依次置于第二45°反射镜4远离第二激光增益介质6的一侧。在上述实施方式中,电光调Q晶体2所在的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,当电光调Q晶体2阶跃式退压时,输出λ1波长单纵模激光,当电光调Q晶体2阶跃式加压时,输出λ2波长单纵模激光。
在本发明一实施方式中,所述第一泵浦源11和第二泵浦源10均为半导体泵浦源。
在本发明一实施方式中,所述激光器还包括LD电源14,其中:
所述LD电源14与所述第一泵浦源11和所述第二泵浦源10连接,用于为所述第一泵浦源11和所述第二泵浦源10提供电源。
其中,所述LD电源14可以为同一整体电源,也可以为两个独立设置的电源,分别为第一泵浦源11和第二泵浦源10提供电源。
即所述第一激光增益介质18、第二激光增益介质6的泵浦源分别为第一泵浦源11和第二泵浦源10,第一泵浦源11和第二泵浦源10两泵浦源均由LD电源14来供电。
在本发明一实施方式中,所述电光调Q晶体2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,所述激光器还包括调Q模块驱动系统17和调Q模块20,所述调Q模块驱动系统17与调Q模块20连接,用于为电光调Q晶体2施加调Q驱动信号。
在本发明一实施方式中,所述激光器还包括总控系统15,所述总控系统15与LD电源14、调Q模块驱动系统17连接,用于对LD电源14和调Q模块驱动系统17进行同步控制,比如控制LD电源14以及调Q模块驱动系统17的触发与延时。
其中,所述调Q驱动信号为阶跃式高压信号,如图3所示,进一步地,所述调Q驱动信号的上升沿和下降沿均为双台阶形式,其主要目的是利用预激光技术获得双波长激光的单纵模输出。预激光技术的工作过程从时序上来说可以将其分为以下三个阶段:
a.种子光形成阶段
不同于一般的调Q技术,预激光技术使用的信号发生器为双台阶信号发生器,其产生信号为随时间变化的周期性阶跃式电压信号。在高电压状态下,腔内调Q损耗较高,激光器内部进行反转粒子积累;在高电压向低电压调节的过程中,腔内Q损耗由高变低。此时,部分反转粒子从高能级跃迁到低能级并产生光子形成种子光。
b.模式竞争阶段
在低电压施加于调Q晶体时,腔内损耗为较低值。延长低电压持续时间,则种子光将因不同模式间增益与损耗差值的存在而进行自然选模过程。同时又因为中心模式的单程增益略大于邻模、中心模式的单程损耗略小于邻模,所以随着模式竞争过程的持续,其邻模将随持续时间的增加而逐渐消失,最终形成只有中心模式的单纵模种子光。
c.输出过程
完全打开Q开关,则大量反转粒子从高能级跃迁到低能级,并形成巨脉冲激光。其中单纵模种子光的强度量级远大于噪声,这使得种子光可以代替噪声作为激光的初始起振“噪声”,从而将自己放大并再一次抑制其他模式,形成单纵模脉冲激光。
本发明提出的双波长单纵模激光交替调Q输出激光器是在有效结合退压式和加压式电光调Q原理的基础上而实现的。即当电光调Q晶体2阶跃式退压时,可以实现第一波长λ1单纵模激光调Q输出,而当电光调Q晶体2阶跃式加压时,则可以实现第二波长λ2单纵模激光调Q输出,如此周期性的对电光调Q晶体2进行阶跃式加压和退压,就可以实现双波长单纵模激光调Q脉冲交替输出。
具体地,所述双波长单纵模激光交替调Q输出激光器的具体工作原理为:当对电光调Q晶体2施加四分之一λ1波长电压的过程中,第二激光增益介质6的第二泵浦源10对第二激光增益介质6进行脉冲泵浦,由于第一波长λ1激光经过起偏器3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2后,原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转,在起偏器3处偏振方向与其透射方向正交而被反射出谐振腔外,无法在谐振腔内形成振荡,从而使得第一波长谐振腔处于高损耗状态,第二激光增益介质6处于粒子数反转(储能)状态;此时,第一激光增益介质18的第一泵浦源11处于间歇状态。当第二激光增益介质6的反转粒子数达到最大时,施加在电光调Q晶体2上的电压降低一部分,处于图3中的A阶段,即当电光调Q晶体2阶跃式退压时,在这阶段中形成第一波长λ1激光的种子光,并经过充分的模式竞争,形成第一波长λ1单纵模种子激光。在第一波长λ1单纵模种子激光形成后,施加在电光调Q晶体2上的电压降为零,第一波长λ1单纵模种子激光得以放大,最终形成第一波长λ1单纵模激光输出。
在下一时刻,第一激光增益介质18的第一泵浦源11对第一激光增益介质18进行脉冲泵浦,第二激光增益介质6的第二泵浦源10处于间歇状态,而施加在电光调Q晶体2上的电压为零。在激光波长λ2的谐振腔内四分之一波片19的作用下,往返经过电光调Q晶体2的偏振光的偏振方向旋转了90度,这样就使得在起偏器3处与其透射方向正交,从而使得第一激光增益介质18的谐振腔处于高损耗状态,处于粒子数反转(储能)状态。
当第一激光增益介质18的反转粒子数达到最大时,对电光调Q晶体2施加一低电压值,处于图3中的B阶段,即当电光调Q晶体2阶跃式加压时,在这阶段中形成λ2波长激光的种子光,并经过充分的模式竞争,形成λ2波长单纵模种子激光。在λ2波长单纵模种子激光形成后,将施加在电光调Q晶体2上的电压升至为λ2/4电压,λ2波长单纵模种子激光得以放大,最终形成λ2波长单纵模激光输出。
如此往复下去,则能获得如图4所示的双波长单纵模激光交替调Q输出序列。
在本发明一实施例中,所述第一激光增益介质18为Nd:YVO4晶体,尺寸为Φ4×50mm3,两端镀1064nm增透膜(T>99%);第二激光增益介质6为Nd:YAG晶体,尺寸为Φ4×50mm3,两端镀1319nm增透膜(T>99%)。第一激光全反射镜16为平-凹镜,且凹面镀1064nm高反射率膜(R>99%),第二激光全反射镜7为平-凹镜,且凹面镀1319nm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1319nm&1064nm部分透过率膜,其中,1319nm波长激光的透射率为4%,1064nm波长激光的透射率为6%,外侧镀1319nm&1064nm激光的抗反膜。起偏器3镀1319nm&1064nm激光布儒斯特角增透膜,且两波长激光的透射率均高于98%。四分之一波片19对应波长为1064nm,且两通光面镀1064nm增透膜(T>98%)。第一泵浦源11、第二泵浦源10均为808nm激光二极管组成的条形阵列。总控系统15主要控制LD电源14、调Q模块驱动系统17的触发与延时。施加在LD电源14以及调Q模块驱动系统17各信号的时序如图3所示。其中,V1为激励第一泵浦源11的波形,V2为激励第二泵浦源10的波形,VQ为施加在电光调Q晶体2上的电压波形。对于图2中所示的激光器结构方案而言,退压时将产生波长为λ1的调Q单纵模激光输出,加压时则产生波长为λ2的调Q单纵模激光输出。从整个时间序列上来看,则将会产生如图4所示的双波长单纵模激光交替调Q输出的脉冲序列。
根据本发明的另一方面,还提出一种双波长单纵模激光交替调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,对电光调Q晶体2施加四分之一第一波长电压;
在步骤S502中,第二泵浦源10对第二激光增益介质6进行脉冲泵浦,当第二激光增益介质6的反转粒子数达到最大时,电光调Q晶体2处于阶跃式退压,施加在电光调Q晶体2上的电压变为零,输出第一波长单纵模激光;
在步骤S503中,第一泵浦源11对第一激光增益介质18进行脉冲泵浦,当第一激光增益介质18的反转粒子数达到最大时,对电光调Q晶体2施加低电压值,电光调Q晶体2处于阶跃式加压,形成第二波长单纵模种子激光;
在步骤S504中,将施加在电光调Q晶体2上的电压升至为四分之一第二波长电压,输出第二波长单纵模激光;
在步骤S505中,周期性重复电光调Q晶体2阶跃式加压和阶跃式退压状态,得到交替调Q输出的双波长单纵模激光。
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)

1.一种双波长单纵模激光交替调Q输出激光器,其特征在于,所述激光器包括:第一泵浦源、第一激光增益介质、起偏器、第二泵浦源、第二激光增益介质、四分之一波片、电光调Q晶体、激光输出镜、第一激光全反射镜、第二激光全反射镜、第一45°反射镜、第二45°反射镜、第一耦合透镜组、第二耦合透镜组、第一光纤和第二光纤,其中:
所述第一耦合透镜组和第二耦合透镜组平行放置,且与激光输出方向一致;
所述第一泵浦源置于第一耦合透镜组的一侧,并使用所述第一光纤连接第一泵浦源和第一耦合透镜组,第一耦合透镜组用于将第一泵浦源发出的光耦合进第一激光增益介质中;
所述第二泵浦源置于第二耦合透镜组的一侧,并使用所述第二光纤连接第二泵浦源和第二耦合透镜组,第二耦合透镜组用于将第二泵浦源发出的光耦合进第二激光增益介质中;
所述第一激光全反射镜置于第一耦合透镜组的另一侧;
所述第二激光全反射镜置于第二耦合透镜组的另一侧;
所述第一激光增益介质置于第一激光全反射镜远离第一耦合透镜组的一侧;
所述第二激光增益介质置于第二激光全反射镜远离第二耦合透镜组的一侧;
所述第一激光全反射镜、第一激光增益介质、四分之一波片、第一45°反射镜、第二45°反射镜、起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜沿激光振 荡方向依次排列,构成第二波长激光谐振腔;
所述第二激光全反射镜、第二激光增益介质、所述第二45°反射镜、所述起偏器、所述电光调Q晶体和所述激光输出镜沿激光振 荡方向依次排列,构成第一波长激光谐振腔;
当电光调Q晶体阶跃式加压时,所述激光器输出第二波长单纵模激光,当电光调Q晶体阶跃式退压时,所述激光器输出第一波长单纵模激光,周期性对电光调Q晶体进行阶跃式加压和退压,所述激光器交替输出双波长单纵模激光。
2.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述第一45°反射镜和第二45°反射镜平行放置,且与激光输出方向一致,第一45°反射镜置于第一激光增益介质远离第一激光全反射镜的一侧,第二45°反射镜置于第二激光增益介质远离第二激光全反射镜的一侧。
3.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述四分之一波片置于第一激光增益介质和第一45°反射镜之间。
4.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜依次置于第二45°反射镜远离第二激光增益介质的一侧。
5.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述第一泵浦源和第二泵浦源均为半导体泵浦源。
6.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LD电源,其中:
所述LD电源与所述第一泵浦源和所述第二泵浦源连接,用于为所述第一泵浦源和所述第二泵浦源提供电源。
7.根据权利要求6所述的激光器,其特征在于,所述激光器还包括调Q模块驱动系统和调Q模块,所述调Q模块驱动系统与调Q模块连接,用于为电光调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驱动信号为阶跃式高压信号。
9.根据权利要求7所述的激光器,其特征在于,所述激光器还包括总控系统,所述总控系统与LD电源、调Q模块驱动系统连接,用于对LD电源和调Q模块驱动系统进行同步控制。
10.一种双波长单纵模激光交替调Q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:
对电光调Q晶体施加四分之一第一波长电压;
第二泵浦源对第二激光增益介质进行脉冲泵浦,当第二激光增益介质的反转粒子数达到最大时,电光调Q晶体处于阶跃式退压,施加在电光调Q晶体上的电压变为零,输出第一波长单纵模激光;
第一泵浦源对第一激光增益介质进行脉冲泵浦,当第一激光增益介质的反转粒子数达到最大时,对电光调Q晶体施加低电压值,电光调Q晶体处于阶跃式加压,形成第二波长单纵模种子激光;
将施加在电光调Q晶体上的电压升至为四分之一第二波长电压,输出第二波长单纵模激光;
周期性重复电光调Q晶体阶跃式加压和阶跃式退压状态,得到交替调Q输出的双波长单纵模激光。
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