CN111478171A - 一种被动调q激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动调Q激光器，包括多个工作周期、工作占空比均相同的泵浦源和设置在多个泵浦源出光侧的一个谐振腔；多个泵浦源，用于在一个工作周期内，以固定时间间隔依次发射泵浦光；泵浦源的脉宽与固定时间间隔相等；谐振腔，利用多个泵浦光泵浦谐振腔内的激光晶体，得到多束从激光晶体不同位置出射的激光，每束激光在谐振腔内多次反射后出射，得到连续脉冲激光。本发明的被动调Q激光器，克服了传统被动调Q激光器在高峰值功率、斩波泵浦条件下输出的激光脉冲不连续的缺点，能够使激光器在斩波泵浦工作条件下，输出的激光脉冲在时间域上连续，本发明能够有效地扩展被动调Q激光器的应用范围。

Description

一种被动调Q激光器

技术领域

本申请涉及一种被动调Q激光器，属于激光器技术领域。

背景技术

对于某些特殊领域，如车载激光雷达，对所使用的激光光源有着高重复频率，窄激光脉冲和高峰值功率的要求。被动调Q激光器是一种常用于实现高重复频率、窄脉宽、高峰值功率激光脉冲输出的方法，它具有结构紧凑、体积小、安全性高、适用于各类测试环境的优点。根据所使用的激光晶体的不同，被动调Q能够得到各种波长的脉冲激光器。

现有技术中的被动调Q激光器是以连续泵浦或斩波泵浦的工作方式对激光晶体进行泵浦的，其产生的激光脉冲序列在时间域上可分为连续和以斩波频率分布的间断脉冲序列。被动调Q激光器输出的激光脉冲频率与泵浦源的峰值功率紧密相关，为了获得高频率的脉冲输出，泵浦源通常需要工作在高峰值功率条件下。对于激光热性能较差的部分激光晶体，为了保护激光晶体不受破坏，泵浦源只能以斩波的方式对激光晶体进行泵浦，以减少激光晶体受高功率泵浦时热效应的影响。

然而，斩波泵浦激光晶体所输出的激光脉冲在时间域上是一系列分立的脉冲序列，不连续的脉冲序列增加了激光器作为光源的使用难度，限制了激光器的应用范围。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种被动调Q激光器，以解决现有被动调Q激光器存在的以斩波泵浦晶体，导致输出的激光脉冲不连续的技术问题。

本发明的被动调Q激光器，包括多个工作周期、工作占空比均相同的泵浦源和设置在多个所述泵浦源出光侧的一个谐振腔；

多个所述泵浦源，用于在一个工作周期内，以固定时间间隔依次发射泵浦光；

所述泵浦源的脉宽与所述固定时间间隔相等；

所述谐振腔，利用多个所述泵浦光泵浦所述谐振腔内的激光晶体，得到多束从所述激光晶体不同位置出射的激光，每束所述激光在所述谐振腔内多次反射后出射，得到连续脉冲激光。

优选地，还包括设置于所述谐振腔出光侧的分光片和信号反馈系统；

所述分光片，用于将每束泵浦光对应的所述脉冲激光中的一部分反射至所述信号反馈系统，另一部分透射；

所述信号反馈系统，用于监测所有所述脉冲激光在时间域上的分布情况，并根据所述分布情况调整多个所述泵浦源的出光顺序。

优选地，所述泵浦源的数量根据第一公式确定；所述第一公式为：

N＝1/D

式中，N为所述泵浦源的数量，D为所述泵浦源的工作占空比。

优选地，所述固定时间间隔根据第二公式确定；所述第二公式为：

ΔT＝D×T

式中，ΔT为固定时间间隔，D为所述泵浦源的工作占空比，T为所述泵浦源的工作周期。

优选地，多个所述泵浦源发射的泵浦光呈分散形式入射至所述激光晶体的不同位置。

优选地，多个所述泵浦源呈阵列排布。

优选地，还包括设置于多个所述泵浦源和所述谐振腔之间的耦合透镜组；

所述耦合透镜组，用于调整入射至所述激光晶体的泵浦光半径。

优选地，所述耦合透镜组包括同轴且凸面相对设置的两个凸透镜。

优选地，还包括设置于多个所述泵浦源和所述耦合透镜组之间的分光路由；

所述分光路由，用于分隔多个泵浦源发射的泵浦光。

优选地，所述谐振腔包括依次设置的泵浦镜、激光晶体和耦合输出镜；

所述泵浦镜，用于透射所述泵浦光以及反射来自所述激光晶体出射的激光；

所述激光晶体，将经由所述泵浦镜透射的所述泵浦光转变为激光，并增强入射至所述激光晶体的激光光强；

所述耦合输出镜，用于反射和部分透射来自所述激光晶体出射的激光，透射的所述激光为脉冲激光。

本发明的被动调Q激光器，相较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明的被动调Q激光器，设置了多个工作周期、工作占空比均相同的泵浦源，使得输出的脉冲激光相互叠加，形成连续的脉冲输出，克服了传统被动调Q激光器在高峰值功率、斩波泵浦条件下输出的激光脉冲不连续的缺点，能够使激光器在斩波泵浦工作条件下，输出的激光脉冲在时间域上连续。本发明能够有效地扩展被动调Q激光器的应用范围。

由于受泵浦光照射的影响，激光晶体内部会积累热负载，产生热效应，严重的热效应将极大地影响脉冲激光的质量，为克服上述问题，本发明设置了信号反馈系统，根据信号反馈系统反馈的脉冲激光在时间域上的分布情况，调整多个泵浦源的出光顺序，同时限定了泵浦源发射的泵浦光呈分散形式入射至所述激光晶体的不同位置。通过上述设置，可以有效避免激光晶体内部的热效应情况。

本发明还设置了耦合透镜组，用以将泵浦光聚焦于谐振腔内的激光晶体不同位置，避免晶体热效应对各路泵浦源的影响。

为避免多个泵浦源产生的泵浦光之间相互影响，本发明设置了分光路由，其通过机械结构分隔各路泵浦光。

附图说明

图1为本发明的被动调Q激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例中被动调Q激光器的结构示意图；

图3为本发明实施例中被动调Q激光器输出激光的脉冲序列图；

图4为现有技术中被动调Q激光器在连续泵浦和斩波泵浦情况下输出激光的序列图。

部件和附图标记列表：

1、第一泵浦源；2、第二泵浦源；3、第三泵浦源；4、第四泵浦源；5、第五泵浦源；6、分光路由；7、第一凸透镜；8、第二凸透镜；9、泵浦镜；10、激光晶体；11、耦合输出镜；12、分光片；13、信号监测系统；14、信号调制系统；15、多路泵浦系统；16、信号反馈系统。

具体实施方式

现有技术中的被动调Q激光器是以连续泵浦或斩波泵浦的工作方式对激光晶体进行泵浦的，其产生的激光脉冲序列在时间域上可分为连续和以斩波频率分布的间断脉冲序列，如图4所示，其中横坐标为时间，单位是秒、纵坐标为归一化后的信号强度。图4中(a)为连续泵浦光，其输出的脉冲激光为(c)；图4中(b)为斩波泵浦光，其输出的脉冲激光为(d)。可见，单一的泵浦源产生的泵浦光会导致输出的脉冲激光是间断的。为克服斩波泵浦存在的上述问题，本申请对被动调Q激光器进行了改进。

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

如图1和图2所示，本发明实施例的被动调Q激光器，包括多路泵浦系统15，多路泵浦系统15包括多个工作周期、工作占空比均相同的泵浦源。本发明的激光器还包括设置在多个泵浦源出光侧的一个谐振腔；多个泵浦源，用于在一个工作周期内，以固定时间间隔依次发射泵浦光；泵浦源的脉宽与固定时间间隔相等；本发明实施例中的泵浦源优选为半导体泵浦源，并且是以斩波泵浦的工作方式对晶体进行泵浦的泵浦源。

本发明中的谐振腔，利用多个泵浦光泵浦谐振腔内激光晶体不同位置，得到多束从激光晶体不同位置出射的激光，每束激光在谐振腔内多次反射后出射，得到连续脉冲激光。

本发明被动调Q激光器，设置了多个工作周期、工作占空比均相同的泵浦源，并限定泵浦源以固定时间间隔依次出射泵浦光，其中泵浦源的脉宽与固定时间间隔相等，最终使得被动调Q激光器输出的脉冲激光相互叠加，形成连续的脉冲输出，克服了传统被动调Q激光器在高峰值功率、斩波泵浦条件下输出的激光脉冲不连续的缺点，能够使激光器在斩波泵浦工作条件下，输出的激光脉冲在时间域上连续。本发明能够有效地扩展被动调Q激光器的应用范围。

由于受泵浦光照射的影响，激光晶体内部会积累热负载，产生热效应，严重的热效应将极大地影响脉冲激光的质量。晶体热效应严重时，脉冲激光的频率将出现剧烈抖动，输出脉冲的频率不再维持在某一固定值，此时将破坏各路激光脉冲的叠加效果，激光器的脉冲输出将出现混乱，甚至进入混沌状态。因此，本发明还设置了位于谐振腔出光侧的分光片12和信号反馈系统16；

本发明的分光片12，用于将每束泵浦光对应的脉冲激光中的一部分反射至信号反馈系统16，另一部分透射出去；信号反馈系统16，用于监测所有脉冲激光在时间域上的分布情况，并根据分布情况调整多个泵浦源的出光顺序。本发明利用信号反馈系统判断每一个泵浦源对应输出的脉冲激光的在时间域上的分布情况。当发现某一路脉冲激光的频率出现抖动时，可以调整各路泵浦源的泵浦顺序，将出现脉冲激光抖动的泵浦源出光顺序延后，使得激光晶体相邻受泵浦部分间的热影响降至最低，以确保脉冲叠加的效果。

为实现多个泵浦源在一个工作周期内实现最佳的连续工作，需要限定泵浦源的数量及相邻泵浦源的出光时间间隔。本发明限定泵浦源的数量，泵浦源的数量根据第一公式确定；第一公式为：

N＝1/D

式中，N为泵浦源的数量，D为泵浦源的工作占空比。

本发明还限定了固定时间间隔，固定时间间隔根据第二公式确定：第二公式为：

ΔT＝D×T

式中，ΔT为固定时间间隔，D为泵浦源的工作占空比，T为泵浦源的工作周期。

由于受泵浦光照射的影响，激光晶体内部会积累热负载，产生热效应，严重的热效应将极大地影响脉冲激光的质量。因此，本发明限定多个泵浦源发射的泵浦光呈分散形式入射至激光晶体的不同位置，避免了同一个位置的热负载累积，保证了脉冲激光的质量。

进一步地，本发明设置多个泵浦源呈阵列排布；使得多个泵浦源发射的泵浦光呈阵列形式入射至激光晶体的不同位置，保证激光晶体相邻受泵浦部分间的热影响最低，从而确保了脉冲激光叠加的效果。

为对泵浦光进行整形，使泵浦光聚焦到激光晶体上，避免泵浦光的损失，本发明在多个泵浦源和谐振腔之间设置了耦合透镜组；耦合透镜组，用于调整入射至激光晶体的泵浦光半径。本实施例中，耦合透镜组包括第一凸透镜7和第二凸透镜8，两个凸透镜同轴且凸面相对设置。其中第一凸透镜7和第二凸透镜8优选为平凸透镜，平凸透镜聚焦效果更佳。

为避免多个泵浦源发射的泵浦光相互影响，本发明在多个泵浦源和耦合透镜组之间设置了分光路由6；分光路由6通过机械件把各路泵浦光分隔开，相互不会产生影响。

为产生脉冲激光，本发明设置谐振腔包括依次设置的泵浦镜9、激光晶体10和耦合输出镜11；

其中泵浦镜9，用于透射泵浦光以及反射来自激光晶体10出射的激光；激光晶体10，将经由泵浦镜透射的泵浦光转变为激光，并增强入射至激光晶体10的激光光强；耦合输出镜11，用于反射来自激光晶体10出射的部分激光以及透射另一部分激光，透射的激光为脉冲激光。

为更详细地说明本发明的被动调Q激光器，下面将以具体的实施例进行说明。

在本实例的被动调Q激光器的结构示意图见图2，半导体泵浦源的工作频率为20Hz、工作周期为0.05秒，工作占空比为0.2。根据第一公式及第二公式计算可以获得所需要的泵浦源的数量为5个(包括第一泵浦源1、第二泵浦源2、第三泵浦源3、第四泵浦源4和第五泵浦源5)，5个泵浦源以0.01秒的时间间隔依次向谐振腔出光。每个泵浦源发射出的泵浦光分别经过分光路由6和耦合透镜组中的第一凸透镜7和第二凸透镜8后，利用泵浦镜9聚焦照射在激光晶体10的不同位置。5路泵浦源分别照射在激光晶体10的5个不同位置，每路泵浦源所产生的激光输出光路相互独立，互不干涉；第一泵浦源1、第二泵浦源2、第三泵浦源3、第四泵浦源4和第五泵浦源5对应的脉冲激光分别为A、B、C、D、E。

利用5路泵浦源获得的脉冲激光的脉冲序列如图3所示，图3中的(1)～(5)分别为第一泵浦源1～第五泵浦源5对应的脉冲激光，图3中(6)为利用5路泵浦源获得的5路脉冲激光相互叠加后得到的脉冲序列，其中横坐标为时间，单位是秒、纵坐标为归一化后的信号强度。本实施例中由于泵浦源工作占空比为0.2，因此脉冲在一个周期0.05秒(1/(20Hz))内，只有0.01秒的时间内存在脉冲。此时，通过信号反馈系统16分别对5路脉冲激光的时序作实时监测。本实施例中的信号反馈系统包括：信号监测单元13和信号调制单元14。信号监测单元13的作用为监测所有脉冲激光在时间域上的分布情况；信号调制单元14的作用为根据分布情况调整多个泵浦源的出光顺序，使得各脉冲相互错开0.01秒，得到各路激光脉冲的序列如下：

当只有第一泵浦源1工作时，泵浦光照射至激光晶体10的位置A处，由A出发射处脉冲激光A。其脉冲序列如图3中的(1)所示。

当只有第二泵浦源2工作时，泵浦光照射至激光晶体10的位置B处，由B出发射处脉冲激光B。其脉冲序列如图3中的(2)所示，其脉冲与A处脉冲的时间间隔为0.01秒。

当只有第三泵浦源3工作时，泵浦光照射至激光晶体10的位置C处，由C出发射处脉冲激光C。其脉冲序列如图3中的(3)所示。其脉冲与B处脉冲的时间间隔为0.01秒。

当只有第四泵浦源4工作时，泵浦光照射至激光晶体10的位置D处，由D出发射处脉冲激光D。其脉冲序列如图3中的(4)所示。其脉冲与C处脉冲的时间间隔为0.01秒。

当只有第五泵浦源5工作时，泵浦光照射至激光晶体10的位置E处，由E出发射处脉冲激光E。其脉冲序列如图3中的(5)所示。其脉冲与D处脉冲的时间间隔为0.01秒。

当5路泵浦源通过信号反馈系统16调整后，在分光片12输出后端，将得到5路激光相互叠加的脉冲序列，即本发明的被动调Q脉冲序列图，其时间分布如图3中的(6)所示。脉冲在时间域上是连续分布的，与连续泵浦时的脉冲序列分布是一致的。可见，本发明的被动调Q激光器即使在泵浦源斩波工作的情况下，仍旧可以得到连续的脉冲激光。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种被动调Q激光器，其特征在于，包括多个工作周期、工作占空比均相同的泵浦源和设置在多个所述泵浦源出光侧的一个谐振腔；

多个所述泵浦源，用于在一个工作周期内，以固定时间间隔依次发射泵浦光；

所述泵浦源的脉宽与所述固定时间间隔相等；

所述谐振腔，利用多个所述泵浦光泵浦所述谐振腔内的激光晶体，得到多束从所述激光晶体不同位置出射的激光，每束所述激光在所述谐振腔内多次反射后出射，得到连续脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其特征在于，还包括设置于所述谐振腔出光侧的分光片和信号反馈系统；

所述分光片，用于将每束泵浦光对应的所述脉冲激光中的一部分反射至所述信号反馈系统，另一部分透射；

所述信号反馈系统，用于监测所有所述脉冲激光在时间域上的分布情况，并根据所述分布情况调整多个所述泵浦源的出光顺序。

3.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其特征在于，所述泵浦源的数量根据第一公式确定；所述第一公式为：

N＝1/D

式中，N为所述泵浦源的数量，D为所述泵浦源的工作占空比。

4.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其特征在于，所述固定时间间隔根据第二公式确定；所述第二公式为：

ΔT＝D×T

式中，ΔT为所述固定时间间隔，D为所述泵浦源的工作占空比，T为所述泵浦源的工作周期。

5.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其特征在于，多个所述泵浦源发射的泵浦光呈分散形式入射至所述激光晶体的不同位置。

6.根据权利要求5所述的被动调Q激光器，其特征在于，多个所述泵浦源呈阵列排布。

7.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其特征在于，还包括设置于多个所述泵浦源和所述谐振腔之间的耦合透镜组；

所述耦合透镜组，用于调整入射至所述激光晶体的泵浦光半径。

8.根据权利要求7所述的被动调Q激光器，其特征在于，所述耦合透镜组包括同轴且凸面相对设置的两个凸透镜。

9.根据权利要求7所述的被动调Q激光器，其特征在于，还包括设置于多个所述泵浦源和所述耦合透镜组之间的分光路由；

所述分光路由，用于分隔多个泵浦源发射的泵浦光。

10.根据权利要求1～9任一项所述的被动调Q激光器，其特征在于，所述谐振腔包括依次设置的泵浦镜、激光晶体和耦合输出镜；

所述泵浦镜，用于透射所述泵浦光以及反射来自所述激光晶体出射的激光；

所述激光晶体，将经由所述泵浦镜透射的所述泵浦光转变为激光，并增强入射至所述激光晶体的激光光强；

所述耦合输出镜，用于反射和部分透射来自所述激光晶体出射的激光，透射的所述激光为脉冲激光。

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