CN111048986B - 一种单纵模调q双脉冲激光输出方法及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单纵模调Q双脉冲激光输出方法及激光器，该激光器包括：第二泵浦源、第二激光增益介质、第一泵浦源、第二激光输出镜、第一激光输出镜，第一激光增益介质、第二起偏器、第一起偏器、四分之一波片、棱镜、电光调Q晶体和激光全反射镜，电光调Q晶体阶跃式退压时，输出第一路单纵模激光，电光调Q晶体阶跃式加压时，输出第二路单纵模激光。本发明方案不仅能够输出双脉冲激光，而且所输出的脉冲序列从时间上来看为成对的单纵模脉冲激光。

Description

一种单纵模调Q双脉冲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，特别是一种单纵模调Q双脉冲激光输出方法及激光器。

背景技术

双脉冲激光在激光测距、环境监测、激光遥感、激光雷达方面具有十分广泛的需求。目前公开报道的双脉冲激光主要为非单纵模输出。单纵模脉冲激光与非单纵模脉冲激光相比，具有更窄的线宽、更高的相干性、更大的亮度，因此若将非单纵模的双脉冲激光用单纵模的双脉冲激光代替，则可在上述技术领域进一步提高测量与探测精度。然而，公开报道的双脉冲激光器主要以非单纵模双脉冲激光输出为主，截止到目前为止还未见到关于单纵模调Q双脉冲激光输出的报道。目前与本发明相关的一种已知技术由李峰等人所公开(李峰，王君涛，殷苏勇，等.电光调Q双脉冲输出Nd：YAG全固态激光器，中国激光，2012，39(08)：27-31.)，其所采用的结构如图1所示。图1中，101为激光谐振腔全反镜，102为Q开关，103为四分之一波片，104为偏振片，105为LD泵浦源，106为聚焦耦合系统，107为镀有泵浦光增透、激光高反的镜片，108为Nd：YAG激光晶体，109为激光谐振腔输出镜。但是已知技术存在以下三方面不足：其一，输出的双脉冲激光均为非单纵模，已知技术方案无法获得单纵模双脉冲激光输出；其二，每对调Q晶体施加一次高压信号，只能获得一个调Q脉冲激光输出，因此若在高重频运转条件下则会对调Q晶体造成较大的压力；其三，已知技术方案是采用一次泵浦、两次调Q的技术来获得双脉冲激光输出的，两个脉冲激光消耗一次泵浦所产生的反转粒子数，因此很难获得较大能量的双脉冲激光输出。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种单纵模调Q双脉冲激光输出方法及激光器。

根据本发明的一方面，提出一种单纵模调Q双脉冲激光器，所述激光器包括：第二泵浦源、第二激光增益介质、第一泵浦源、第二激光输出镜、第一激光输出镜，第一激光增益介质、第二起偏器、第一起偏器、四分之一波片、棱镜、电光调Q晶体和激光全反射镜，其中：

所述第一泵浦源置于所述第一激光增益介质的前方，用于为所述第一激光增益介质提供脉冲泵浦光；

所述第二泵浦源置于所述第二激光增益介质的前方，用于为所述第二激光增益介质提供脉冲泵浦光；

所述第一激光输出镜、第一激光增益介质、第一起偏器、电光调Q晶体以及激光全反射镜构成第一路激光谐振腔；

所述第二激光输出镜、第二激光增益介质、第二起偏器、四分之一波片、棱镜、电光调Q晶体以及激光全反射镜构成第二路激光谐振腔；

当电光调Q晶体阶跃式退压时，输出第一路单纵模激光，当电光调Q晶体阶跃式加压时，输出第二路单纵模激光，重复电光调Q晶体阶跃式加压和阶跃式退压状态，输出单纵模调Q双脉冲激光。

可选地，所述第一激光增益介质与第二激光增益介质平行放置，且与激光输出方向一致。

可选地，所述第一激光输出镜置于第一激光增益介质的一侧，所述第二激光输出镜置于第二激光增益介质的一侧，且均垂直于激光输出方向放置，所述第一起偏器置于所述第一激光增益介质的另一侧，所述第二起偏器置于所述第二激光增益介质的另一侧。

可选地，所述棱镜置于所述第一起偏器和第二起偏器远离第一激光增益介质和第二激光增益介质的一侧，所述四分之一波片置于所述第二起偏器与所述棱镜之间。

可选地，所述电光调Q晶体和激光全反射镜依次置于所述棱镜远离第一起偏器和第二起偏器的一侧。

可选地，所述激光器还包括电光晶体驱动模块，所述电光晶体驱动模块与电光调Q晶体、第一激光电源和第二激光电源连接，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，所述激光器还包括温控系统和中央控制系统，其中：

所述温控系统放置于所述第一激光增益介质的后方，与所述中央控制系统连接，用于根据中央控制系统的指令控制激光器的工作温度；

所述中央控制系统与第一激光电源、第二激光电源、温控系统和电光晶体驱动模块连接，用于对于第一激光电源、第二激光电源、温控系统和电光晶体驱动模块进行统一控制。

可选地，所述第一泵浦源和第二泵浦源均为半导体泵浦源。

根据本发明的另一方面，提出一种单纵模调Q双脉冲激光输出方法，应用于如上所述的激光器中，所述方法包括：

对电光调Q晶体施加四分之一波长电压；

第一泵浦源对第一激光增益介质进行脉冲泵浦，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，当第一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，输出第一路单纵模激光；

第二泵浦源对第二激光增益介质进行脉冲泵浦，施加在电光调Q晶体上的电压为零，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质处于粒子数反转状态，当第二激光增益介质的反转粒子数达到最大时，对电光调Q晶体施加四分之一波长电压，输出第二路单纵模激光；

周期性重复电光调Q晶体阶跃式加压和阶跃式退压状态，输出单纵模调Q双脉冲激光。

本发明提出了一种获得单纵模调Q双脉冲激光输出方法及激光器，本发明方案不仅能够输出双脉冲激光，而且所输出的脉冲序列从时间上来看为成对的单纵模脉冲激光。再者，该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晶体施加一次调Q脉冲信号的情况下，就可以实现单纵模双脉冲激光输出，并且由于双脉冲激光分别消耗各自泵浦脉冲条件下的反转粒子数，因此依然能够获得较高的单脉冲能量，进而能够为高能量、高重频单纵模激光的获得提供一种有效途径。

附图说明

图1是在先技术的双脉冲激光器的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的单纵模调Q双脉冲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单纵模调Q双脉冲激光器的脉冲序列示意图；

图5是根据本发明一实施例的单纵模调Q双脉冲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。

图2是根据本发明一实施例的单纵模调Q双脉冲激光器的结构示意图，如图2所示，所述激光器包括：第二泵浦源3、第二激光增益介质4、第一泵浦源5、第二激光输出镜6、第一激光输出镜7，第一激光增益介质8、第二起偏器10、第一起偏器11、四分之一波片12、棱镜13、电光调Q晶体14和激光全反射镜15，其中：

所述第一泵浦源5置于所述第一激光增益介质8的前方，用于为所述第一激光增益介质8提供脉冲泵浦光；

所述第二泵浦源3置于所述第二激光增益介质4的前方，用于为所述第二激光增益介质4提供脉冲泵浦光；

所述第一激光输出镜7、第一激光增益介质8、第一起偏器11、电光调Q晶体14以及激光全反射镜15构成第一路激光谐振腔；

所述第二激光输出镜6、第二激光增益介质4、第二起偏器10、四分之一波片12、棱镜13、电光调Q晶体14以及激光全反射镜15构成第二路激光谐振腔。

在该实施方式中，当电光调Q晶体14阶跃式退压时，输出第一路单纵模激光，当电光调Q晶体14阶跃式加压时，输出第二路单纵模激光，重复电光调Q晶体14阶跃式加压和阶跃式退压状态，输出单纵模调Q双脉冲激光。

在本发明一实施方式中，所述第一泵浦源3和第二泵浦源5均为半导体泵浦源。

在本发明一实施方式中，所述棱镜13为菱形棱镜。

在本发明一实施方式中，所述激光器还包括第一激光电源1和第二激光电源2，其中：

所述第一激光电源1与所述第一泵浦源5连接，用于为所述第一泵浦源5提供电源；

所述第二激光电源2与所述第二泵浦源3连接，用于为所述第二泵浦源3提供电源。

其中，所述第一激光电源1和第二激光电源2可以为独立设置的电源，也可以为同一个整体电源。

即所述第一激光增益介质8、第二激光增益介质4的泵浦源分别为第一泵浦源5和第二泵浦源3，这两个泵浦源分别由第一激光电源1和第二激光电源2来供电。

在本发明一实施方式中，所述第一激光增益介质8与第二激光增益介质4平行放置，且与激光输出方向一致。

在本发明一实施方式中，所述第一激光输出镜7置于第一激光增益介质8的一侧，所述第二激光输出镜6置于第二激光增益介质4的一侧，且均垂直于激光输出方向放置，所述第一起偏器11置于所述第一激光增益介质8的另一侧，所述第二起偏器10置于所述第二激光增益介质4的另一侧。

在本发明一实施方式中，所述棱镜13置于所述第一起偏器11和第二起偏器10远离第一激光增益介质8和第二激光增益介质4的一侧，所述四分之一波片12置于所述第二起偏器10与所述棱镜13之间。

在本发明一实施方式中，所述电光调Q晶体14和激光全反射镜15依次置于所述棱镜13远离第一起偏器11和第二起偏器10的一侧。

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16，所述电光晶体驱动模块16与电光调Q晶体14、第一激光电源1和第二激光电源2连接，用于为电光调Q晶体14施加调Q驱动信号。

在本发明一实施方式中，所述激光器还包括温控系统9和中央控制系统17，其中：

所述温控系统9放置于所述第一激光增益介质8的后方，与所述中央控制系统17连接，用于根据中央控制系统17的指令控制激光器的工作温度；

所述中央控制系统17与第一激光电源1、第二激光电源2、温控系统9和电光晶体驱动模块16连接，用于对于第一激光电源1、第二激光电源2、温控系统9和电光晶体驱动模块16进行统一控制，比如控制第一激光电源1、第二激光电源2以及电光晶体驱动模块16的触发与延时，控制所述温控系统9调节所述激光器的工作温度等。

在本发明一实施方式中，所述电光调Q晶体14采用普通的电光晶体(如LN、KD*P、KDP、LiNbO₃等)。

其中，所述调Q驱动信号为阶跃式高压信号，其上升沿、下降沿为双台阶形式，如图3所示在所述调Q驱动信号的上升沿阶段和下降沿阶段均采用阶跃信号的形式，其主要目的是利用预激光技术获得波长λ₁激光的单纵模双脉冲输出。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又略小于邻模，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。

本发明提出的单纵模调Q双脉冲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14阶跃式退压时，可以实现第一路波长λ₁单纵模激光调Q输出，而当电光调Q晶体14阶跃式加压时，则可以实现第二路波长λ₁单纵模激光调Q输出，如此周期性的对电光调Q晶体14进行阶跃式加压和退压，就可以实现单纵模调Q双脉冲激光输出。

具体地，所述单纵模调Q双脉冲激光器的具体工作原理为：当对电光调Q晶体14施加四分之一波长电压的过程中，第一激光增益介质8的第一泵浦源5对第一激光增益介质8进行脉冲泵浦，由于第一路波长λ₁激光经过第一起偏器11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14后，原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转，在第一起偏器11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，从而使得第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质8处于粒子数反转(储能)状态；此时，第二激光增益介质4的第二泵浦源3处于间歇状态。当第一激光增益介质8的反转粒子数达到最大时，施加在电光调Q晶体14上的电压降低一部分，处于图3中的A阶段，在这阶段中形成λ₁波长激光的种子光，并经过充分的模式竞争，形成λ₁波长单纵模种子激光。在λ₁波长单纵模种子激光形成后，施加在电光调Q晶体14上的电压降为零，即当电光调Q晶体14阶跃式退压时，λ₁波长单纵模种子激光得以放大，最终形成第一路λ₁波长单纵模激光输出。

在下一时刻，第二激光增益介质4的第二泵浦源3对第二激光增益介质4进行脉冲泵浦，第一激光增益介质8的第一泵浦源5处于间歇状态，而施加在电光调Q晶体14上的电压为零。第二路激光波长λ₁的谐振腔在四分之一波片12的作用下，往返经过电光调Q晶体14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10处与其透射方向正交，从而使得第二激光增益介质4的谐振腔处于高损耗状态，处于粒子数反转(储能)状态。

当第二激光增益介质4的反转粒子数达到最大时，对电光调Q晶体14施加一低电压值，处于图3中的B阶段，在这阶段中形成λ₁波长激光的种子光，并经过充分的模式竞争，形成λ₁波长单纵模种子激光。在λ₁波长单纵模种子激光形成后，将施加在电光调Q晶体14上的电压升至为λ₁/4电压，λ₁波长单纵模种子激光得以放大，最终形成λ₁波长单纵模激光输出。

在本发明一实施例中，所述第一激光增益介质8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4为Nd：YVO₄晶体，尺寸为Φ4×50mm³，两端镀1064nm增透膜(T＞99％)。激光全反射镜15为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm高反射率膜，1064nm波长激光的反射率大于99％，第一激光输出镜7为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm部分透过率膜(T＝4％)，外侧镀1064nm激光的抗反膜，第二激光输出镜6为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm部分透过率膜(T＝6％)，外侧镀1064nm激光的抗反膜，第二起偏器10镀1064nm激光布儒斯特角增透膜(T＞98％)，第一起偏器11镀1064nm激光布儒斯特角增透膜(T＞98％)。四分之一波片12对应波长为1064nm，且两通光面镀1064nm增透膜(T＞98％)。菱形棱镜13的棱角为45°，且通光面镀1064nm激光的增透膜(T＞98％)。第一激光增益介质8的第一泵浦源5和第二激光增益介质4的第二泵浦源3均为808nm激光二极管组成的条形阵列。温控系统9可控制激光系统在25℃室温下工作，中央控制系统17主要控制第一激光电源1、第二激光电源2以及电光晶体驱动模块16的触发与延时。施加在第一激光电源1、第二激光电源2以及电光晶体驱动模块16各信号的时序如图3所示。其中，V₁为激励第一泵浦源5的波形，V₂为激励第二泵浦源3的波形，V_Q为施加在电光调Q晶体14上的电压波形。对于图2中所示的激光器结构方案而言，退压时将产生第一路波长λ₁调Q单纵模脉冲激光输出，加压时则产生第二路波长λ₁调Q单纵模脉冲激光输出。从整个时间序列上来看，则产生如图4所示的单纵模双脉冲调Q输出激光器的脉冲序列。

如此往复下去，则能获得如图4所示的单纵模双脉冲调Q激光激光器输出序列。

根据本发明的另一方面，还提出一种单纵模调Q双脉冲激光输出方法，如图5所示，所述方法包括步骤S501-S504：

在步骤S501中，对电光调Q晶体14施加四分之一波长电压；

在步骤S502中，第一泵浦源5对第一激光增益介质8进行脉冲泵浦，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质8处于粒子数反转状态，当第一激光增益介质8的反转粒子数达到最大时，电光调Q晶体14处于阶跃式退压，施加在电光调Q晶体14上的电压变为零，输出第一路单纵模激光；

在步骤S503中，第二泵浦源3对第二激光增益介质4进行脉冲泵浦，施加在电光调Q晶体14上的电压为零，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质4处于粒子数反转状态，当第二激光增益介质4的反转粒子数达到最大时，对电光调Q晶体14施加四分之一波长电压，输出第二路单纵模激光；

在步骤S504中，周期性重复电光调Q晶体14阶跃式加压和阶跃式退压状态，输出单纵模调Q双脉冲激光。

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)

1.一种单纵模调Q双脉冲激光器，其特征在于，所述激光器包括：第二泵浦源、第二激光增益介质、第一泵浦源、第二激光输出镜、第一激光输出镜，第一激光增益介质、第二起偏器、第一起偏器、四分之一波片、棱镜、电光调Q晶体和激光全反射镜，其中：

所述第一泵浦源置于所述第一激光增益介质的前方，用于为所述第一激光增益介质提供脉冲泵浦光；

所述第二泵浦源置于所述第二激光增益介质的前方，用于为所述第二激光增益介质提供脉冲泵浦光；

所述第一激光输出镜、第一激光增益介质、第一起偏器、电光调Q晶体以及激光全反射镜依次沿光路设置构成第一路激光谐振腔；

所述第二激光输出镜、第二激光增益介质、第二起偏器、四分之一波片、棱镜、电光调Q晶体以及激光全反射镜依次沿光路设置构成第二路激光谐振腔；

当电光调Q晶体阶跃式退压时，输出第一路单纵模激光，当电光调Q晶体阶跃式加压时，输出第二路单纵模激光，重复电光调Q晶体阶跃式加压和阶跃式退压状态，输出单纵模调Q双脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一激光增益介质与第二激光增益介质平行放置，且与激光输出方向一致。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一激光输出镜置于第一激光增益介质的一侧，所述第二激光输出镜置于第二激光增益介质的一侧，且均垂直于激光输出方向放置，所述第一起偏器置于所述第一激光增益介质的另一侧，所述第二起偏器置于所述第二激光增益介质的另一侧。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述棱镜置于所述第一起偏器和第二起偏器远离第一激光增益介质和第二激光增益介质的一侧，所述四分之一波片置于所述第二起偏器与所述棱镜之间。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述电光调Q晶体和激光全反射镜依次置于所述棱镜远离第一起偏器和第二起偏器的一侧。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括电光晶体驱动模块，所述电光晶体驱动模块与电光调Q晶体、第一激光电源和第二激光电源连接，用于为电光调Q晶体施加调Q驱动信号。

7.根据权利要求6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。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括温控系统和中央控制系统，其中：

所述温控系统放置于所述第一激光增益介质的后方，与所述中央控制系统连接，用于根据中央控制系统的指令控制激光器的工作温度；

所述中央控制系统与第一激光电源、第二激光电源、温控系统和电光晶体驱动模块连接，用于对于第一激光电源、第二激光电源、温控系统和电光晶体驱动模块进行统一控制。

9.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。

10.一种单纵模调Q双脉冲激光输出方法，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：

对电光调Q晶体施加四分之一波长电压；

第一泵浦源对第一激光增益介质进行脉冲泵浦，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，当第一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，输出第一路单纵模激光；

第二泵浦源对第二激光增益介质进行脉冲泵浦，施加在电光调Q晶体上的电压为零，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质处于粒子数反转状态，当第二激光增益介质的反转粒子数达到最大时，对电光调Q晶体施加四分之一波长电压，输出第二路单纵模激光；

周期性重复电光调Q晶体阶跃式加压和阶跃式退压状态，输出单纵模调Q双脉冲激光。

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