CN111162441A - 一种相位共轭镜和电光开关复合调q激光谐振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其包括:全反镜、SBS‑PCM、电光开关模块、激光增益模块、输出镜等，所述的全反镜与所述的输出镜之间构成激光谐振腔，在所述的激光谐振腔内,插入所述的受激布里渊散射相位共轭镜模块、所述的电光开关模块和所述的激光增益模块。所述的SBS‑PCM包括SBS介质和两个正透镜，两个正透镜共焦放置，两个正透镜的公共焦点位于SBS介质中。本发明通过电光开关精确控制了谐振腔内反转粒子数积累时间，对谐振腔内光强进行了精确控制，从而控制了SBS‑PCM自调Q发生时间，使输出光具有更窄脉宽和稳定的重频。

Description

一种相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体涉及一种激光谐振装置和激光调Q技术领域。
背景技术
众所周知，调Q技术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术，Q值----定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。激光调Q技术的关键在于调节谐振腔的损耗因子，因此，只要能使谐振腔损耗发生突变的元件都能作调Q开关模块。常用的调Q技术有：转镜调Q、声光调Q、电光调Q、可饱和吸收调Q。前三种方法中谐振损耗由外部驱动控制，成为主动调Q，最后一种的谐振腔损耗取决于腔内激光光强，称为被动调Q。另外，能改善光束质量的受激布里渊散射相位共轭镜(SBS-PCM)也可实现自调Q，也是一种是被动调Q元件。主动调Q的方式和被动调Q最大的区别就是输出脉冲的重复率是否需要通过外部调制器件引入，主动调Q需要增加调制信号源，被动调Q调制出的脉冲其重复率由系统本身决定。
对于单独使用的调Q方式来说，结构简单，易于设计和调试，但是发射的脉冲脉宽往往较宽，或稳定性较差。为了获得能稳定输出较好光束质量、较窄脉宽的激光，出现了将两种调Q方式相结合的调Q方式，即复合调Q(双调Q)技术。复合调Q主要包括主被动双调Q(声光被动双调Q以及电光被动双调Q等)和双被动调Q等。
以往研究显示,双调Q运转下的激光器可以有效的压缩脉宽，改善脉冲波形，实现更加稳定，更高能量和峰值功率的脉冲输出。然而，受激布里渊散射(StimulatedBrilliouin Scattering，SBS)相位共轭镜(phase conjugating mirror，PCM)和电光开关复合调Q技术尚未见报道。
为了压缩激光的光束发散角和脉冲宽度，提高光束质量，科研人员提出了基于受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering， SBS)相位共轭镜(phaseconjugating mirror，PCM)的激光谐振腔技术，该技术中相位共轭镜的自调Q特性有利于激光压缩脉宽提高峰值功率。然而，基于SBS-PCM的谐振腔自调Q属于被动调Q类型，其阈值敏感性较高，从而降低了谐振腔能量转化效率和稳定性，且易出现脉冲串，频率重复率不容易控制，难以实现精确同步输出。而具有主动调Q功能的电光开关，虽然易于精确控制其开关速度和重频，但受制于电光开关的弛豫时间，其脉宽压缩能力有限；另外，电光开关单独使用也无法提高光束质量。
因此，针对以上问题，需要提供一种新型相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是通过电光开关优化基于SBS-PCM的谐振腔腔型结构，实现压缩激光脉宽，提高激光峰值功率和脉冲频率稳定性；为低束散窄脉宽激光器技术提供新的技术方案，以满足光电对抗、激光探测、激光制导等对激光远距离定向传输的需求。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置包括:全反镜、受激布里渊散射相位共轭镜模块、电光开关模块、激光增益模块和输出镜，所述的全反镜与所述的输出镜之间构成激光谐振腔，在所述的激光谐振腔内，从所述的全反镜端到所述的输出镜端，插入所述的受激布里渊散射相位共轭镜模块、所述的电光开关模块和所述的激光增益模块。
其中，所述的受激布里渊散射相位共轭镜模块包括SBS介质和两个正透镜，两个正透镜前后依次共焦放置，两个正透镜的公共焦点位于SBS介质中。
其中，所述的电光开关模块包括由后至前设置的脉冲高压驱动的电光晶体和偏振片，所述偏振片靠近所述激光增益模块设置。
其中，所述的电光开关模块还包括四分之一波片，所述四分之一波片位于所述电光晶体和所述偏振片之间。
其中，所述的电光晶体为铌酸锂或KTP。
其中，所述的激光增益模块包括：泵浦源和激光工作物质单元,所述泵浦源设置在所述激光工作物质单元侧面，所述发射源为氙灯或二极管。
其中，所述的激光增益模块还包括两个四分之一波片，激光增益模块的两个四分之一波片分别位于激光工作物质单元的前端和后端。
其中，所述激光工作物质单元为掺钕钇铝石榴石晶体或钕玻璃。
其中，还包括选模器件,所述的选模器件设置于所述的输出镜和所述的全反镜之间，所述的选模器件为小孔光阑或标准具。
(三)有益效果
本发明可改善输出光束质量，压缩脉冲宽度，实现脉冲重频稳定且精确可调。具体地，在本发明的方案中，输出镜和后反镜(全反镜) 之间构成激光谐振腔，激光增益模块位于电光开关模块和输出镜之间，在该谐振腔内加入受激布里渊散射相位共轭镜模块和电光开关模块后，它们的复合调Q过程为：泵浦初期，由于电光开关处于关闭状态，电光开关处光子损耗很大，谐振腔内Q值低，随着光泵浦继续抽运，反转粒子数的密度逐渐增加；当电光开光突然主动打开，透过率迅速上升，此时，激光增益模块中激光工作物质的上能级粒子数迅速向下能级跃迁，腔内光子数快速增加，很快激光的功率密度达到SBS阈值，PCM 反射率迅速提高，替代全反镜M2，形成具有相位共轭功能的激光器腔镜，进一步压缩脉宽，优化光束质量，产生调Q巨脉冲输出。
尽管受激布里渊散射相位共轭镜(SBS-PCM)在改善光束质量的同时，自身也能实现Q开关作用，实现窄脉宽输出，但是其开关时间由泵浦能量和SBS阈值决定，也受热效应影响，所以其重频频率和脉宽控制难度较大，而本发明在谐振腔中加入电光开关调Q可以精确控制反转粒子数积累时间，对谐振腔内光强进行精确控制，保证其输出光具有稳定的重频和脉宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置结构图；
图2是本发明一个较佳实施例的相位共轭镜和电光开关复合调Q 激光谐振装置结构图；
图3是本发明另一个较佳实施例的相位共轭镜和电光开关复合调 Q激光谐振装置结构图；
图4是本发明又一个较佳实施例的相位共轭镜和电光开关复合调 Q激光谐振装置结构图；
图中标记：
1、全反镜，2、受激布里渊散射相位共轭镜模块,3、电光开关模块，4、激光增益模块，5、输出镜，6、选模器件，201、正透镜，202、 SBS介质，203、正透镜,301、电光晶体，302、偏振片，303、四分之一波片，401、氙灯，402、Nd:YAG晶体，403、四分之一波片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”“内”、“前”、“后”、“外”、“侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置包括:全反镜1、受激布里渊散射相位共轭镜模块 2(SBS-PCM)、电光开关模块3、激光增益模块4和输出镜5，所述的全反镜1与所述的输出镜5之间构成激光谐振腔，在所述的激光谐振腔内，从所述的全反镜1端到所述的输出镜5端，所述的受激布里渊散射相位共轭镜模块2、所述的电光开关模块3和所述的激光增益模块4 沿激光束的光路依次顺序设置。
本发明的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置中，输出镜5和后反镜(全反镜1)之间构成激光谐振腔，激光增益模块4位于电光开关模块3和输出镜5之间，在该谐振腔内加入受激布里渊散射相位共轭镜模块2和电光开关模块3后，它们的复合调Q过程为：泵浦初期，由于电光开关处于关闭状态，电光开关处光子损耗很大，谐振腔内Q值低，随着光泵浦继续抽运，反转粒子数的密度逐渐增加；当电光开光突然主动打开，透过率迅速上升，此时，激光增益模块4 中激光工作物质的上能级粒子数迅速向下能级跃迁，腔内光子数快速增加，很快激光的功率密度达到SBS阈值，PCM反射率迅速提高，替代全反镜，形成具有相位共轭功能的激光器腔镜，进一步压缩脉宽，优化光束质量，产生调Q巨脉冲输出。
为了进一步说明本发明的技术方案，下面具体展开几个实施例。
实施例1
具体结构如图2所示，受激布里渊散射相位共轭镜模块2包括SBS 介质和两个正透镜分别为正透镜201和正透镜203，两个正透镜前后依次共焦放置，两个正透镜的公共焦点位于SBS介质中；具体地，受激布里渊散射相位共轭镜模块2由两端焦距为80mm的正透镜与PCM介质池组成，池子长度140mm，介质材料可为丙酮或FC75等，前后表面镀1.06um增透膜,所述的正透镜焦距按照阈值要求设计。电光开关模块3包括脉冲高压驱动的电光晶体301和偏振片302，电光晶体301 靠近所述受激布里渊散射相位共轭镜模块2设置，偏振片302靠近激光增益模块4设置；电光开关模块3还包括四分之一波片303，所述四分之一波片303位于所述电光晶体301和所述偏振片302之间；其中电光晶体301可以是铌酸锂或KTP(磷酸钛氧钾)。
具体地，激光增益模块4包括聚光腔、泵浦源和激光工作物质单元,所述泵浦源设置在所述激光工作物质单元侧面，所述泵浦源为氙灯401或二极管。聚光腔内含氙灯401及YAG激光工作物质。其中，激光工作物质单元为Nd:YAG晶体402(即为掺钕钇铝石榴石晶体)，尺寸为Ф6×80mm；激光电源(图中未示出)为商用电源，带电光开关驱动模块，调Q延时可调，泵浦电脉冲频率可控；电容100uF，电压400 到1000V连续可调。后反镜与输出镜5之间所成腔的起始腔是个平腔，此腔型结构可通过调整PCM两端正透镜F1与F2焦距(即正透镜201和正透镜203的焦距)或它们之间的距离实现调整腔内高阶模的衍射损耗，从而调节输出激光的性能参数。
实施例2
具体结构如图3所示，激光谐振腔由全反镜1、SBS-PCM、电光开关、激光增益模块4(内含激光工作物质YAG棒)、输出镜5等组成。相对于实施例1增加了选模器件6,选模器件6设置于电光开关模块3 和所述的激光增益模块4之间，所述的选模器件6为小孔光阑或标准具。工作参数和工作原理参考实施例1。谐振腔内额外插入选模器件 6，可以是小孔光阑或标准具，以进一步提高激光光束质量。
实施例3
如图4所示，激光谐振腔具体结构由全反镜1、SBS-PCM、电光开关、激光增益模块4(内含激光工作物质YAG棒)、输出镜5等组成，所述的激光增益模块4还包括两个四分之一波片，具体为四分之一波片403，激光增益模块4的两个四分之一波片403分别位于激光工作物质单元的前端和后端。工作参数和工作原理参考实施例1。这里，激光增益模块4中YAG晶体两端额外各插入一片四分之一波片，可以补偿或抑制晶体热致双折射效应。从而，有利于改善光束质量提高系统能量提取效率，同时缩小激光束散角。
本发明将电光开关和SBS相位共轭镜结合应用，能优势互补，电光开关可主动对腔内光通量实现稳定调制，以便于满足SBS-PCM稳定工作对泵浦光强的要求；SBS相位共轭镜可进一步调Q，加强对激光脉宽的压缩性能。本发明通过电光开关精确控制了谐振腔内反转粒子数积累时间，对谐振腔内光强进行了精确控制，从而控制了SBS-PCM自调Q发生时间，使输出光具有更窄脉宽和稳定的重频。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，包括:全反镜、受激布里渊散射相位共轭镜模块、电光开关模块、激光增益模块和输出镜，所述的全反镜与所述的输出镜之间构成激光谐振腔，在所述的激光谐振腔内,插入所述的受激布里渊散射相位共轭镜模块、所述的电光开关模块和所述的激光增益模块。
2.根据权利要求1的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，所述的受激布里渊散射相位共轭镜模块包括SBS介质和两个正透镜，两个正透镜前后依次共焦放置，两个正透镜的公共焦点位于SBS介质中。SBS介质可以为FC75、FC72、丙酮等。
3.根据权利要求1的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，所述的电光开关模块包括由后至前设置的脉冲高压驱动的电光晶体和偏振片，所述偏振片靠近所述激光增益模块设置。
4.根据权利要求3的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，所述的电光开关模块还包括四分之一波片，所述四分之一波片位于所述电光晶体和所述偏振片之间。
5.根据权利要求3的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，所述的电光晶体为铌酸锂或KTP。
6.根据权利要求1的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，所述的激光增益模块包括：泵浦源和激光工作物质单元,所述泵浦源设置在所述激光工作物质侧面，所述泵浦源为氙灯或二极管。
7.根据权利要求6的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，所述的激光增益模块还包括两个四分之一波片，激光增益模块的两个四分之一波片分别位于激光工作物质单元的前端和后端。
8.根据权利要求6的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，所述激光工作物质单元为掺钕钇铝石榴石晶体或钕玻璃。
9.根据权利要求1的相位共轭镜和电光开关复合调Q激光谐振装置，其特征在于，还包括选模器件,所述的选模器件设置于所述的全反镜与输出镜之间，所述的选模器件为小孔光阑或标准具。
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