CN111082301B - 一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法 - Google Patents

一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光技术领域，具体涉及高功率、高效率和高光束质量的一种基于双45o‑MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法。本方法包括如下步骤：激光增益介质3吸收泵浦源2能量后产生非偏振的受激荧光辐射；电光加压式调制器14对双45o‑MgO:LN4施加横向半波电压，控制双45o‑MgO:LN双折射效应将非偏振受激荧光分离成线偏振光即o光和e光，两光束存在较大偏离角，o光和e光完全分离；产生的s偏振光和p偏振光分别进入s光‑偏振腔倒空装置和p光‑偏振腔倒空装置。本方法的优点：单块双45o‑MgO:LN产生的两束偏振光分别进入腔倒空的不同腔型结构，同步输出两束窄脉冲宽度、高峰值功率的正交线偏振光。电光晶体掺杂MgO:LN晶体横向调制，可以增加长度减小厚度降低晶体电压。

Description

一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成 方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及高功率、高效率和高光束质量的一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法。
背景技术
正交双偏振激光可以在激光雷达、大气探测、军事、通信、医疗等领域有着广泛的应用。目前，固体激光器实现偏振输出多是采用偏振片或双布儒斯特镜等偏振器件，但是这只能实现单偏振输出，很难实现双偏振输出并且输出偏振光的消光比也很低，很难达到理想效果。虽然目前可以采用偏振开关实现两束垂直-水平偏振光的切换，但是由于切换过程中存在时间延迟，这会极大地加剧相位不稳定度，极大地降低激光偏振特性。
专利号为CN201920037577.8的“一种基于MgO：LN晶体电光腔倒空全固态脉冲激光器”中仅实现单偏振输出而且加入起偏器，相比于本专利则不能实现正交双偏振脉冲同步输出，而且光-光转换效率低。专利号为CN201611253656.X的“一种激光偏振态控制稳定装置的控制稳定方法”中采用偏振控制器、起偏器、分束器等器件，相比于本专利的双45°-MgO:LN则增加成本并且添加了器件对光功率的损耗，增加光路的复杂性。专利号为CN201611087525.9的“正交偏振双波长同步谐振锁模激光器”与本专利相比使用键合晶体价格昂贵而且晶体存在严重热效应。
采用面发射的垂直腔半导体激光(Different forms of wavelengthpolarizations witching and bistability in a 1.55mu m vertical-cavity surface-emitting laser under Or thogonally polarized Optical injection)以及激光相干合成技术(Coherent addition of orthogonally polarized fibre lasers with highcombining efficiency.)也可得到正交偏振激光。这些正交偏振激光器的结构一般都比较复杂，输出功率较低，光束质量较差，稳定性和经济性都较低。
双45°-MgO:LN利用了晶体的自然双折射特性，谐振腔内不需要插入额外的双折射元件，直接输出线偏振光，降低系统的复杂性，提高了系统的稳定性。其次，采用半导体泵浦固体激光器的方式得到正交偏振激光，可以得到高功率、高效率和高光束质量的正交线偏振激光。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法，包括如下步骤：
步骤1：激光增益介质3吸收泵浦源2能量后产生非偏振的受激荧光辐射；
步骤2：电光加压式调制器14对双45°-MgO:LN4施加横向半波电压，控制双45°-MgO:LN双折射效应将非偏振受激荧光分离成线偏振光即o光和e光，两光束存在较大偏离角，o光和e光完全分离；
步骤3：产生的s偏振光和p偏振光分别进入s光-偏振腔倒空装置和p光-偏振腔倒空装置。
步骤3中产生的s偏振光的步骤包括：
步骤1：第一台电光横向退压式调制器13对第一块块状掺杂MgO:LN晶体5施加横向半波电压；
步骤2：s偏振光经过施加λ/2电压的第一块块状掺杂MgO:LN晶体5，瞬间变成p偏振光；
步骤3：p偏振光经过第一儒斯特镜6直接透射到p光-全反镜7；
步骤4：p光-全反镜7将p偏振光反射至第一儒斯特镜6，p偏振光直接经第一儒斯特镜6透射；
步骤5：透射后的p偏振光再次经第一块块状掺杂MgO:LN晶体5转变成s偏振光，s偏振光将依次经增益介质3、泵浦源2、谐振腔前镜1形成激光振荡回路；
当第一台电光横向退压式调制器13对第一块块状掺杂MgO:LN晶体5施加横向半波电压为零时，s偏振光直接通过5然后经第一布儒斯特镜6以56.7o的入射角反射至s光-输出镜8，实现窄脉冲宽度、高峰值功率的s偏振光输出。
步骤3中产生的p偏振光的步骤包括：
步骤1：第二台电光横向退压式调制器15对第二块块状掺杂MgO:LN晶体9施加横向半波电压时；
步骤2：p偏振光经过施加1/2λ电压的第二块块状掺杂MgO:LN晶体9，瞬间变成s偏振光；
步骤3：s偏振光经过第二儒斯特镜10以56.7o的入射角反射至s光-全反镜11，
步骤4：s光-全反镜11将s偏振光反射至第二儒斯特镜10仍以56.7o的入射角反射至第二块块状掺杂MgO:LN晶体9
步骤5：s偏振光变成p偏振光，p偏振光将依次经过增益介质3、泵浦源2、谐振腔前镜1形成激光振荡回路；
当第二台电光横向退压式调制器15对第二块块状掺杂MgO:LN晶体9施加横向半波电压为零时，p偏振光直接经过第二块块状掺杂MgO:LN晶体9、第二儒斯特镜10至p光-输出镜12，实现窄脉冲宽度、高峰值功率的p偏振光输出。
本发明的有益效果在于：
1)单块双45°-MgO:LN产生的两束偏振光分别进入腔倒空的不同腔型结构，同步输出两束窄脉冲宽度、高峰值功率的正交线偏振光。
2)电光晶体(掺杂MgO:LN晶体)横向调制，可以增加长度减小厚度降低晶体电压。
3)单块双45°-MgO:LN有起偏器和检偏器作用，腔内无需引入额外的偏振片可提高光-光转换效率，实现高功率的偏振脉冲激光输出。
4)移动s光-全反镜(或p光-全反镜)改变谐振腔腔长，实现两束输出偏振激光脉冲宽度的调节继而实现不同峰值功率的偏振光输出。
附图说明
图1为同步脉冲输出信号示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述，其中：1、谐振腔前镜；2、泵浦源；3、增益介质；4、双45°掺杂氧化镁铌酸锂晶体(双45°-MgO:LN)；5、第一块块状掺杂MgO:LN晶体；6、第一布儒斯特镜；7、带电动平移台p光-全反镜；8、s光-输出镜；9、第二块块状掺杂MgO:LN晶体；10、第二布儒斯特镜；11、带电动平移台s光-全反镜；12、p光-输出镜；13、第一台电光横向退压式调制器；14、电光横向加压调制器；15、第二台电光横向退压式调制器；16、同步脉冲输出信号控制器；
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法。该激光器的腔型为一个s光-偏振输出的腔倒空谐振腔和一个p光-偏振输出的腔倒空谐振腔，其中两个谐振腔共用谐振腔前腔镜(1)、泵浦源(2)、增益介质(3)以及双45°-MgO:LN晶体(4)。s光-偏振腔倒空装置依次为：第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)、第一布儒斯特镜(6)、带电动平移台的p光-全反镜(7)、s光-输出镜(8)。P光-偏振输出的腔倒空谐振腔依次设置：第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)、第二布儒斯特镜(10)、带电动平移台s光-全反镜(11)、p光-输出镜(12)。所述激光器电路控器件有：电光横向加压调制器(14)、第一台电光横向退压式调制器(13)、第二台电光横向退压式调制器(15)、同步脉冲输出信号控制器(16)。
此外，本发明提供一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式的正交偏振同步脉冲激光生成方法，包括以下步骤：
1)激光增益介质(3)吸收泵浦源(2)能量后产生非偏振的受激荧光辐射。电光加压式调制器(14)始终对双45°-MgO:LN(4)施加横向半波电压，控制双45°-MgO:LN双折射效应将非偏振受激荧光分离成线偏振光即o光和e光(两光束存在较大偏离角，o光和e光完全分离)。产生的s偏振光和p偏振光分别进入s光-偏振腔倒空装置和p光-偏振腔倒空装置。
2)s光-偏振腔倒空装置：当第一台电光横向退压式调制器(13)对第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)施加横向半波电压时：s偏振光经过施加λ/2电压的第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)，瞬间变成p偏振光；p偏振光经过第一儒斯特镜(6)直接透射到p光-全反镜(7)，(7)将p偏振光反射至(6)，p偏振光直接经(6)透射，透射后的p偏振光再次经(5)转变成s偏振光，s偏振光将依次经(3)、(2)、(1)形成激光振荡回路。(激光谐振腔的单程振荡光路为：1-2-3-4-5-6-7)
当第一台电光横向退压式调制器(13)对第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)施加横向半波电压为零时：s偏振光直接通过(5)然后经第一布儒斯特镜(6)以56.7o的入射角反射至s光-输出镜(8)，实现窄脉冲宽度、高峰值功率的s偏振光输出。(s偏振光输出光路：1-2-3-4-5-6-8)。
3)p光-偏振腔倒空装置：当第二台电光横向退压式调制器(15)对第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)施加横向半波电压时：p偏振光经过施加1/2λ电压的第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)，瞬间变成s偏振光；s偏振光经过第二儒斯特镜(10)以56.7o的入射角反射至s光-全反镜(11)，(11)将s偏振光反射至(10)扔以56.7o的入射角反射至(9)，s偏振光变成p偏振光，p偏振光将依次经过(3)、(2)、(1)形成激光振荡回路。(激光谐振腔的单程振荡光路为：1-2-3-9-10-11)
当第二台电光横向退压式调制器(15)对第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)施加横向半波电压为零时：p偏振光直接经过(9)、(10)至p光-输出镜(12)，实现窄脉冲宽度、高峰值功率的p偏振光输出。(p偏振光输出光路：1-2-3-4-9-10-12)。
4)所述同步脉冲激光电路控制：同步脉冲输出信号控制器(16)同时控制第一台电光横向退压式调制器(13)和第二台电光横向退压式调制器(15)对电光晶体掺杂氧化镁铌酸锂上的横向半波电压的开/断。
5)采用腔倒空电光调制的输出光脉冲宽度仅有2个因素决定，即：电光调制器的脉冲上升沿时间和腔长决定(Δt＝c/(2nL)，n是折射率，L谐振腔腔长)。带电动平移台的s光-全反镜(11)和带电动平移台的p光-全反镜(7)控制两个腔倒空谐振腔的腔长变化，实现正交偏振光脉冲宽度的改变。
实施例一：
如图1示意图所示，所述谐振腔镜采用平凹镜镀1064nm全反膜(HR，R>99.7％)
，曲率半径R＝1m；所述泵浦源808nm激光二极管阵列侧面泵浦源；所述增益介质为Nd:YAG晶体棒，尺寸Φ4mmX67mm，Nd3+掺杂浓度1.0mol％，两端镀1064nm高透膜(AR，R<0.6％)；所述双45°-MgO:LN通光端镀1064nm高透膜，双45°-MgO:LN晶体的厚度为5mm，45°切割角的两条切割面长度分别为23mm(a面)和9.89mm(b面)，MgO的掺杂浓度为5.5mol％，光损伤阈值达到了250MW/cm2；；所述s光-全反镜和p光-全反镜都才用平平镜镀制1064nm高反膜(HR，R>99.7％)；所述s光-输出镜和p光-输出镜采用平平镜，对1064nm透过率为20％at；所述块状MgO:LN晶体其尺寸7mmX7mmX20mm，通光端镀1064nm高透膜，MgO的掺杂浓度为5.5mol％。实现1064nm窄脉冲宽度、高峰值功率的正交偏振同步脉冲1064nm激光。
实施例二：
与实施例1相同，主要区别在于：将实施例1中的808nm激光二极管阵列侧面泵浦源换成808nm连续端面泵浦激光再通过泵浦光整形系统进入谐振腔内，实现1064nm激光振荡输出。
实施例三：
将45°-MgO:LN晶体后的两个双腔倒空光路换成两个声光调Q光路，即可以实现两束声光调制的正交偏振同步脉冲激光，优点是腔型结构更简单紧凑。
综上所述，本发明公开一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法。所述激光器器件顺序依次包括前腔镜、泵浦源、激光增益介质、双45°掺杂氧化镁铌酸锂晶体(双45°-MgO:LN)、s光-偏振腔倒空装置和p光-偏振腔倒空装置。对所述双45°-MgO:LN晶体施加横向λ/2电压用于控制同步正交偏振脉冲输出。所述s光-偏振腔倒空装置和p光-偏振腔倒空装置分别控制压缩s-偏振脉冲光和p-偏振脉冲光的脉冲宽度。该激光器具有正交偏振脉冲同步输出、脉冲宽度可调谐等特点，实现窄脉冲宽度、高峰值功率的腔倒空式正交偏振脉冲输出。

Claims (2)

1.一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：布置激光器；
所述的激光器的腔型为一个s光-偏振输出的腔倒空谐振腔和一个p光-偏振输出的腔倒空谐振腔，两个谐振腔共用谐振腔前腔镜(1)、泵浦源(2)、增益介质(3)以及双45°-MgO:LN晶体(4)；所述的激光器电控器件包括电光横向加压调制器(14)、第一台电光横向退压式调制器(13)、第二台电光横向退压式调制器(15)、同步脉冲输出信号控制器(16)；
所述的s光-偏振腔倒空装置还包括第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)、第一布儒斯特镜(6)、带电动平移台的p光-全反镜(7)、s光-输出镜(8)；所述的第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)、第一布儒斯特镜(6)、带电动平移台的p光-全反镜(7)顺序布置在一条光路上，且第一布儒斯特镜(6)呈56.7°的入射角；所述的s光-输出镜(8)布置在第一布儒斯特镜(6)以56.7°的入射角反射的光路上；
所述的p光-偏振腔倒空装置还包括第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)、第二布儒斯特镜(10)、带电动平移台s光-全反镜(11)、p光-输出镜(12)；所述的第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)、第二布儒斯特镜(10)、p光-输出镜(12)顺序布置在一条光路上，且第二布儒斯特镜(10)呈56.7°的入射角；所述的带电动平移台s光-全反镜(11)布置在第二布儒斯特镜(10)以56.7°的入射角反射的光路上；
步骤2：增益介质(3)吸收泵浦源(2)能量后产生非偏振的受激荧光辐射；
步骤3：电光加压式调制器(14)对双45°-MgO:LN晶体(4)施加横向半波电压，控制双45°-MgO:LN晶体(4)双折射效应将非偏振受激荧光分离成线偏振光，即s偏振光和p偏振光；产生的s偏振光和p偏振光分别进入s光-偏振腔倒空装置和p光-偏振腔倒空装置；
所述的s偏振光和p偏振光存在较大偏离角，且s偏振光和p偏振光完全分离；所述的双45°-MgO:LN晶体(4)为双45°掺杂氧化镁铌酸锂晶体，双45°-MgO:LN晶体(4)通光端镀1064nm高透膜，双45°-MgO:LN晶体(4)的厚度为5mm，45°切割角的两条切割面长度分别为23mm和9.89mm，MgO的掺杂浓度为5.5mol％；
步骤4：生成正交偏振同步脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于双45°-MgO:LN腔倒空式正交偏振同步脉冲激光生成方法，其特征在于：所述的步骤4中生成正交偏振同步脉冲激光的步骤包括：
步骤4.1：第一台电光横向退压式调制器(13)对第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)施加横向半波电压；第二台电光横向退压式调制器(15)对第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)施加横向半波电压；
步骤4.2：s偏振光经过施加λ/2电压的第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)，瞬间变成p偏振光，p偏振光经过第一布儒斯特镜(6)直接透射到p光-全反镜(7)，p光-全反镜(7)将p偏振光反射至第一布儒斯特镜(6)，p偏振光直接经第一布儒斯特镜(6)透射，透射后的p偏振光再次经第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)转变成s偏振光，s偏振光将依次经增益介质(3)、泵浦源(2)、谐振腔前腔镜(1)形成激光振荡回路；
p偏振光经过施加λ/2电压的第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)，瞬间变成s偏振光，s偏振光经过第二布儒斯特镜(10)以56.7°的入射角反射至s光-全反镜(11)，s光-全反镜(11)将s偏振光反射至第二布儒斯特镜(10)仍以56.7°的入射角反射至第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)，s偏振光变成p偏振光，p偏振光将依次经过增益介质(3)、泵浦源(2)、谐振腔前腔镜(1)形成激光振荡回路；
步骤4.3：当第一台电光横向退压式调制器(13)对第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)施加横向半波电压为零时，s偏振光直接通过第一块块状掺杂MgO:LN晶体(5)然后经第一布儒斯特镜(6)以56.7°的入射角反射至s光-输出镜(8)，实现窄脉冲宽度、高峰值功率的s偏振光输出；当第二台电光横向退压式调制器(15)对第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)施加横向半波电压为零时，p偏振光直接经过第二块块状掺杂MgO:LN晶体(9)、第二布儒斯特镜(10)至p光-输出镜(12)，实现窄脉冲宽度、高峰值功率的p偏振光输出。
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