CN111404015A - 一种高重复频率激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高重复频率激光器，包括反射镜、衍射光栅、激光谐振腔、固态激光材料、扩束镜和脉冲激光器泵浦，激光谐振腔中设有固态激光材料，脉冲激光器泵浦产生的泵浦光进入固态激光材料产生脉冲激光束，扩束镜将脉冲激光束的横截面积展宽至不少于6倍，展宽脉冲光束被导入衍射光栅之后被衍射成不同波长的窄带光束，由衍射光栅衍射形成的相应波长的一束窄带光，被导回固态激光材料，光束经固态激光材料再次放大所选波长，一部分光束透过激光谐振腔输出到腔外作为激光器的输出。本发明与现有技术相比的优点在于：固态激光器可在4～25W或更高的泵浦功率下具有高能量转化效率。

Description

一种高重复频率激光器
技术领域
本发明涉及脉冲固体激光技术领域，具体是指一种高重复频率激光器。
背景技术
许多应用都要求固体激光器可在高重复频率下运行，但是，现有技术在获得窄线宽和高能量转化效率方面仍面临诸多技术问题，尤其是对于重复频率在700Hz以上的固态可调谐激光器。
过去众所周知的方案是使用掺钛蓝宝石晶体(Ti:Sapphire)作为激光介质，重复频率一般在10Hz，如美国专利Us.Pat.No.5，121，398。在这类激光器中，一般使用3×扩束镜和衍射光栅。
然而，比现有重复频率水平高得多的窄线宽、高功率输出激光器仍有重大需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种高重复频率激光器，一方面，本发明的固态激光器可在4～25W或更高的泵浦功率下具有高能量转化效率。另一方面，本发明提供了一种在高重复频率，窄线宽，尤其是高功率泵浦条件下操作脉冲激光器的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高重复频率激光器，包括反射镜、衍射光栅、激光谐振腔、固态激光材料、扩束镜和脉冲激光器泵浦，所述激光谐振腔中设有固态激光材料，所述脉冲激光器泵浦产生的泵浦光进入所述固态激光材料产生所需横截面积的脉冲激光束，所述扩束镜将从所述固态激光材料出射的脉冲激光束的横截面积展宽至不少于6倍，经所述扩束镜扩束后的展宽脉冲光束被导入衍射光栅之后被衍射成不少于一束的不同波长的窄带光束，然后由所述衍射光栅衍射形成的一系列窄带光束中的相应波长的一束窄带光，被导回所述固态激光材料，被导回固态激光材料的波长应处于固态激光材料的可调谐范围，光束经固态激光材料再次放大所选波长，一部分光束透过激光谐振腔输出到腔外作为激光器的输出。
优选的，所述扩束镜是一个棱镜，能在选定方向将脉冲激光束展宽至6～60倍，脉冲重复频率1～10kHz，所述脉冲激光器泵浦泵浦功率约4～25W，所述脉冲激光器泵浦注入到所述固态激光材料的脉冲能量为0.5～25mJ
优选的，所述固态激光材料选用Ti:Sapphire或Cr:LiSAF晶体。
优选的，所述激光谐振腔内设有一个二次谐波发生器和一个三次谐波发生器，经放大后的偏转光束在二次谐波发生器可以产生二倍频光束，偏转光束能双次通过所述二次谐波发生器，经放大后的偏转光束和二倍频光束经过三次谐波发生器可以产生三倍频光束。
优选的，所述激光谐振腔由两个反射镜组成或由一个反射镜和一个衍射光栅构成，所述反射镜和衍射光栅能移动。
本发明与现有技术相比的优点在于：衍射光栅位于激光器光学谐振腔内，光学谐振腔由一个反射镜和一个衍射光栅或者两个中间夹有光栅的反射镜构成，固态激光材料置于反射镜和光栅之间的光学谐振腔，光学谐振腔中间的衍射光栅可以运动，一束选定波长的激光束可以沿着光轴被衍射光栅衍射至固态激光材料，对于由两个反射镜定义的光学谐振腔，其中一个或者两个反射镜或者衍射光栅可以在光学谐振腔中运动。可运动衍射光栅和可运动反射镜优先选择旋转运动。
位于光学谐振腔之间的固态激光材料应该是可以覆盖较大可调节波长范围的激光材料。在激光材料和衍射光栅之间有一个扩束镜，该扩束镜由一个或多个棱镜或由一个或多个透镜组成。扩束镜可以增加从固态激光材料入射到衍射光栅上的光束截面。一台脉冲激光器泵浦源用于激发光学谐振腔中的固态激光材料。该泵浦源重复频率大约700Hz，在700Hz～10kH之间更佳。该泵浦源功率较高，泵浦功率在4～25W之间或者更高，在10W之上更佳。
在运行中，脉冲激光泵浦源的能量直接注入固态激光材料用于激发固态激光材料。来自固态激光材料的光束进入扩束镜，光束截面积至少扩大6倍以上，或者6～60倍，或者10～60倍，或者10～40倍。扩束镜将光束导引致衍射光栅后，不同波长的入射光将被衍射成多束光。衍射光束的带宽被限定在所需较窄的范围，0.005～2cm-1,或者0.01～0.1cm-1。一部分选定波长的衍射光束从光学谐振腔导出，作为激光器的输出。
本发明的目标是提供一种有效的窄脉宽高重复频率脉冲固态激光器。
本发明的另一个目标是提供一种在高功率泵浦条件下具有高转化效率和高平均输出功率的高重复频率脉冲激光器。
本发明的进一步目标是提供一种具有高重复频率的脉冲固态激光器。
本发明的进一步目标是提供一种具有高重复频率，高转化效率，高平均输出功率的可调谐脉冲固态激光器。
本发明的进一步目标是提供一种在高功率泵浦下具有高转化效率的可调谐脉冲激光器。
本发明的进一步目标是提供一种实现在高重复频率、高功率泵浦条件下，在选定的波长下具有窄线宽、高转化效率的可调谐脉冲激光器的方法。
附图说明
图1是本发明一种高重复频率激光器的方案示意图。
图2a是本发明一种高重复频率激光器的扩束镜方案示意图。
图2b是本发明一种高重复频率激光器的另一扩束镜方案实施例。
图3是本发明一种高重复频率激光器的图2a的扩束镜方案组装图。
图4是本发明一种高重复频率激光器另一实施例方案示意图。
图5是本发明一种高重复频率激光器另一实施例方案示意图。
图6是本发明一种高重复频率激光器另一实施例方案示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供了一种高重复频率激光器，具有窄线宽，高转化效率，高重复频率的脉冲固态激光器。另一方面，本发明提供了一种实现高重复频率窄线宽脉冲激光器的方法。
根据本发明，一个衍射光栅位于激光器的光学谐振腔内。光学谐振腔由一个反射镜和一个衍射光栅，或者两个中间夹有衍射光栅的反射镜定义。固态激光材料位于光学谐振腔内反射镜和衍射光栅之间。要求衍射光栅在光学谐振腔内可以运动，一束选定波长的光束被衍射光栅衍射之后，可以导入经过固态激光材料。如果是由两个反射镜定义的光学谐振腔，其中的一个反射镜或者衍射光栅，或者二者都可以在光学谐振腔中运动。可运动栅衍光栅和可动反射镜优选旋转运动方式。
光学谐振腔中的激光材料优选可以在可调波长范围内产生激光的材料。由一个或多个棱镜或者一个或多个透镜组成的扩束镜位于谐振腔的激光材料和衍射光栅之间。扩束镜可以将激光材料出射的光束截面积到在到达衍射光栅之前增大。一台脉冲激光器泵浦激光器为光学谐振腔中的激光材料提供激励。泵浦激光器的重复频率大约700Hz或者更高，最好在1kHz和10kHz之间。泵浦功率可以在4～25W之间或者更高。相应的，激光器可以高功率输出300mW或者更高500mW，也可以输出1W以上。
附图1给出了本发明提供的脉冲固态激光器。反射镜M1和衍射光栅GR形成了一个光学谐振腔。一种优选可调节的固态激光材料LM，例如Ti:Sapphire位于激光谐振腔中。一个扩束镜BE将从激光材料LM中出射的光束的横截面积扩大6倍或者更多，优选6～60倍，有时需要10～60倍，特别是10倍以上或者更多，比如10～40倍。扩束镜可以是一个透镜或一组透镜。最好使用向单一方向扩束的棱镜扩束镜，例如使用一个折射率是1.82的YAG棱镜。附图2(a)和附图固态激光3给出了一个由四个折射率是1.82的YAG棱镜组成的扩束镜,棱镜的一侧呈布儒斯特角切割，另一侧沿法向切割，这样可以将光束扩大11倍。如附图2(a)所示，经过棱镜的激光束沿着布儒斯特角方向入射，沿着法向出射。然后都以布儒斯特角入射到棱镜PR2、PR3、PR4上，然后都沿法向出射。每一个棱镜的法向表面都镀有激光波长的减反射膜。之后经过扩束的激光束导入光栅GR，如附图1所示。可以如附图2所示，一个由六个折射率是1.82的YAG棱镜组成的扩束镜,棱镜的一侧沿布儒斯特角切割，另一侧沿法向切割，这样可以将光束扩大36倍。如附图2(b)所示，经棱镜的激光束沿着布儒斯特角方向入射，沿着法向出射。然后都以布儒斯特角入射到棱镜PR2、PR3、PR4、PR5和PR6上，然后都沿法向出射。每一个棱镜的法向表面都镀有激光波长的减反射膜。之后经过扩束的激光束导入光栅GR，如附图1所示。
扩束后的光束被导入衍射光栅GR之后被衍射为一系列窄带光束。一束预先选定的窄波长光束从光栅的背面导入并穿过激光材料LM。光栅GR在光学偕振腔内可以旋转，从而使衍射角可以调节。因此不同波长的光束可以从光栅导向激光材料。一个衍射光栅将来自于激光材料的光束折射为一系列不同波长的窄带光束。通过旋转光栅，不同所需波长的光束可以被导向并穿过激光材料。
如图1所示，反射镜M1和光栅GR构成了一个光学谐振腔。双色镜MC反射激光束的波长，且与输出耦合器MC1和激光材料LM搭配。脉冲泵浦激光器LP位于光学谐振腔之外。泵浦激光是一个Nd:YLF，Nd:YAG或者Nd:YVO4二次谐波泵浦激光器，调Q重复频率是700Hz或更高，或者700～50kHz，或者1～10kHz，泵浦脉冲能量0.5～25mJ，或者1～15mJ。根据泵浦功率等于泵浦脉冲能量和重复频率的乘积，所需泵浦功率在4～25W或者更高。根据本发明，在高功率泵浦下可实现高转化效率。
LP的泵浦能量注入激光材料LM用于激发激光材料。激光束穿过激光材料LM后进入扩束器，光束横截面积扩大6～10倍或更高，或10～60倍或更高。扩束后的光束被衍射光栅衍射为一系列不同波长的窄带光束。相应波长的某一束窄带光，比如800nm波长的带宽大约0.03～0.06cm-1，被导回激光材料LM。也可以选择其它波长。被导回激光材料的波长应处于激光材料LM的可调谐范围。光束经LM放大后被双色镜MC1反射然后导向输出耦合器M1。一部分光束透过M1输出到腔外作为激光器的输出。
本发明的另一实施例如附图4所示，在反射镜M10和双色镜MC2之间有一个二次谐波发生器，即二次谐波晶体NLC1，比如I类相位匹配或者优选II类相位匹配的LBO或BBO晶体。在NLC1和MC2之间还可以有一个三次谐波发生器，即三次谐波晶体NLC2。
双色镜MC2对基波光束高反，对二次谐波和三次谐波光束高透。在激光器运行中，基波光束被双色镜MC2反射后被导向二次谐波晶体NLC1，在NLC1中，一部分基波光束转化为二次谐波光束。基波光束和二次谐波光束被反射镜M10反射返回NLC1，再有一部分基波光束转化为二次谐波光束。产生的二次谐波光束最终透过双色镜MC2输出到腔外。如果腔内还有三次谐波晶体NLC2，比如I类或者II类相位匹配的LBO或BBO晶体，在NLC2中，一部分基波光束和二次谐波光束转化为三次谐波光束。如果没有二次谐波光束，基波光束在NLC2中将不产生三次谐波光束。最终三次谐波光束透过MC2输出到腔外。在本发明中，二次谐波发生器是一个I类相位匹配二次谐波非线性晶体，比如一个I类相位匹配LBO晶体；三次谐波发生器是一个I类或II类——优选II类相位匹配三次谐波非线性晶体。根据本发明，也可以使用其它类型的二次谐波发生器和三次谐波发生器。
本发明的另一实施例如附图5所示，激光谐振腔由输出耦合镜M1和反射镜M2构成。谐振腔内还有一个衍射光栅GR与反射镜M2和M1光学连通。M2可以旋转，从而把某一选定的偏转光束反射回光栅GR。在本发明中，泵浦激光器的重频700Hz～50kHz，用于激励固态激光材料LM，如Ti:Sapphire晶体。位于激光材料LM和光栅GR之间有一个扩束镜BE。扩束镜与图2和图3中描述的一样。激光材料LM在泵浦激光器LP的激发下可产生包含所需波长的基波光束。基波光束被光栅GR衍射。所需波长的衍射光被M2镜反射回光栅GR，再被导回激光材料LM放大。放大的基波光束经MC1反射导向输出耦合器M1。耦合器M1将大部分光反射，将一小部分光输出到腔外。附图5也可以包含如附图4所描述的二次谐波发生器和三次谐波发生器。
附图6给出了本发明的另一实施例。它与附图5类似，除了使用光栅GR1将激光导出腔外。在本实施例中，LM产生的光束经BM扩束后入射到光栅GR然后被偏转。所需波长光的一阶衍射光束被镜M2反射，而零阶衍射光束被输出腔外作为激光器的输出。被M2反射的光束沿着光轴传播被光栅GR1反射回LM被进一步放大。镜M11对衍射光束高反，将光束沿光轴反射回双色镜MC1后再次回到LM进一步放大。
示例
搭建了一台Nd:YLF二次谐波光束泵浦的Ti:Sapphire激光器，扩束镜的扩束比3.3×，11×和36×。经过各种重复频率和泵浦功率的测试，转化效率等结果如表格1-4所示。
表格1
Figure BDA0002426343130000051
表格2
Figure BDA0002426343130000052
Figure BDA0002426343130000061
表格3
Figure BDA0002426343130000062
表格4
Figure BDA0002426343130000063
Figure BDA0002426343130000071
以上表格比较了不同泵浦能量、泵浦功率和不同重复频率、不同扩束比下的能量转化效率。
在表格1-4中的示例1，首先使用3.3×扩束镜，重复频率10Hz，泵浦功率0.1W，实现了20％转化效率。在示例3，使用了一个11×扩束镜，能量转化效率19％。因此，在10Hz重复频率，0.1W的较低泵浦功率下，使用11×扩束镜替换3.3×扩束镜的能量转化效率没有明显改善。
在示例2中，激光器使用3.3×扩束镜，重复频率1kHz，泵浦功率10W，相比示例1使用10Hz重复频率、0.1W泵浦功率情况，能量转化效率由20％急剧下降到4％。
示例4将扩束镜替换为11×扩束镜，重复频率1kHz，泵浦功率10W，可实现14％能量转化效率。示例6将扩束镜替换为36×扩束镜后，可实现15％能量转化效率,超过示例2转化效率的3倍。
在示例13中，激光器使用3.3×扩束镜，重复频率10kHz，泵浦功率10W，能量转化效率只有3％。在示例14和15中，激光器分别使用11×和36×扩束镜，可将能量转化效率分别提高至14.5％和15％，比示例2使用3×扩束镜提增加了超过3倍。
表格4表明在20W泵浦功率和1kHz高重频下，使用11×和36×扩束镜比使用3.3×扩束镜可明显提高能量转化效率。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高重复频率激光器，其特征在于：包括反射镜、衍射光栅、激光谐振腔、固态激光材料、扩束镜和脉冲激光器泵浦，所述激光谐振腔中设有固态激光材料，所述脉冲激光器泵浦产生的泵浦光进入所述固态激光材料产生所需横截面积的脉冲激光束，所述扩束镜将从所述固态激光材料出射的脉冲激光束的横截面积展宽至不少于6倍，经所述扩束镜扩束后的展宽脉冲光束被导入衍射光栅之后被衍射成不少于一束的不同波长的窄带光束，然后由所述衍射光栅衍射形成的一系列窄带光束中的相应波长的一束窄带光，被导回所述固态激光材料，被导回固态激光材料的波长应处于固态激光材料的可调谐范围，光束经固态激光材料再次放大所选波长，一部分光束透过激光谐振腔输出到腔外作为激光器的输出。
2.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器，其特征在于：所述扩束镜是一个棱镜，能在选定方向将脉冲激光束展宽至6～60倍，脉冲重复频率1～10kHz，所述脉冲激光器泵浦泵浦功率约4～25W，所述脉冲激光器泵浦注入到所述固态激光材料的脉冲能量为0.5～25mJ。
3.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器，其特征在于：所述固态激光材料选用Ti:Sapphire或Cr:LiSAF晶体。
4.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器，其特征在于：所述激光谐振腔内设有一个二次谐波发生器和一个三次谐波发生器，经放大后的偏转光束在二次谐波发生器可以产生二倍频光束，偏转光束能双次通过所述二次谐波发生器，经放大后的偏转光束和二倍频光束经过三次谐波发生器可以产生三倍频光束。
5.根据权利要求1所述的一种高重复频率激光器，其特征在于：所述激光谐振腔由两个反射镜组成或由一个反射镜和一个衍射光栅构成，所述反射镜和衍射光栅能移动。
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