CN111478174A - 一种电光调q腔倒空激光器 - Google Patents

一种电光调q腔倒空激光器 Download PDF

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CN111478174A CN202010421674.4A CN202010421674A CN111478174A CN 111478174 A CN111478174 A CN 111478174A CN 202010421674 A CN202010421674 A CN 202010421674A CN 111478174 A CN111478174 A CN 111478174A
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electro
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optical
unit
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廖文斌
张戈
李丙轩
林长浪
黄凌雄
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Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
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Abstract

本发明公开了一种电光调Q腔倒空激光器，包括激光单元和依次设置在激光单元出光侧的透射反射单元、激光晶体、折叠镜、电光调Q装置和全反镜，折叠镜的设置位置满足第一条件，第一条件为：
Figure DDA0002497174270000011
其中，L为折叠镜距透射反射单元的距离，R为折叠镜的曲率半径，f为激光晶体的热焦距；折叠镜为凹透镜，凹透镜的凹面用于将从激光晶体出射的激光反射至电光调Q装置，并将从全反镜反射的激光反射至激光晶体。本申请使用凹透镜作为折叠镜，并将其放置在离激光泵浦镜距离L处，使得折叠镜后的激光半径不变，提高了电光调Q晶体运行的稳定性，进一步提升了腔倒空激光器的运行稳定性。

Description

一种电光调Q腔倒空激光器
技术领域
本申请涉及一种电光调Q腔倒空激光器，属于激光器技术领域。
背景技术
电光调Q腔倒空技术是实现高重复频率、窄脉宽、高峰值功率激光脉冲输出的一种重要手段。电光调Q腔倒空技术的激光器(电光调Q腔倒空激光器)的工作原理为：先让激光在前、后腔镜均为全反镜的谐振腔内建立激光振荡，此时通过一个快速、高重复频率的高压电脉冲控制腔内的电光器件迅速将腔内的激光能量全部辐射输出到腔外，这就能得到一个最窄脉宽为2L/c(L为腔长；c谐振腔内的光速)的激光脉冲。
固体激光器中，激光晶体的热透镜效应会对激光器的输出功率和光速质量造成剧烈影响，特别是对腔内功率密度高的腔倒空激光器的影响更为严重。因此，在激光器结构腔设计过程中，必须使得腔倒空谐振腔中关键元件(电光调Q晶体、偏振片、四分之一波片)的激光半径对激光晶体的热焦距变化具有低的敏感性，从而使激光器可以在泵浦功率波动的情况下稳定工作。此外，稳定的腔倒空激光器对于最核心的元件电光调Q晶体还有着额外的要求。电光调Q晶体由两块质量相同，尺寸相等，方向互成90°的晶体组成，为了保证电光晶体运转良好，需保证经过两块晶体的激光半径一致，过大激光半径变化，会使得两块晶体的相位补偿被破坏，从而造成腔倒空激光器运行不稳定，尤其对于高重频激光器影响更为严重。
目前，国内已实现了多种腔倒空激光器，如文献“914nmLD抽运高效率腔倒空电光调Q激光器”和“500kHz,6ns高重复频率电光腔倒空Nd:YVO4激光器”所披露的腔倒空激光器等，这些腔倒空激光器都只优化了晶体热效应对激光器的影响，而忽略了电光晶体上激光半径变化对激光器性能的影响。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种电光调Q腔倒空激光器，以解决现有腔倒空激光器存在的激光半径变化导致的激光器运行不稳定的技术问题。
本发明的电光调Q腔倒空激光器，包括激光单元和依次设置在所述激光单元出光侧的透射反射单元、激光晶体、折叠镜、电光调Q装置和全反镜；
所述激光单元，用于为所述激光晶体提供泵浦光；
所述透射反射单元，用于透射来自所述激光单元出射的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，将经由所述透射反射单元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；
所述折叠镜的设置位置满足第一条件，所述第一条件为：
Figure BDA0002497174250000021
其中，L为所述折叠镜距所述透射反射单元的距离，R为所述折叠镜的曲率半径，f为所述激光晶体的热焦距；
所述折叠镜为凹透镜，所述凹透镜的凹面用于将从所述激光晶体发射的激光反射至所述电光调Q装置，并将从所述全反镜反射的激光反射至所述激光晶体；
所述电光调Q装置用于控制通过其的激光的偏振方向；
所述全反镜，用于将从所述电光调Q装置靠近所述全反镜侧出射的激光再次反射至所述电光调Q装置。
优选地，所述折叠镜凹面上距离所述凹透镜中心轴0～5mm的区域为激光反射面。
优选地，所述L为
Figure BDA0002497174250000022
其中R为所述折叠镜的曲率半径。
优选地，所述R的取值范围为50mm≤R≤1000mm；
优选地，所述透射反射单元为泵浦镜。
优选地，所述透射反射单元为激光膜，所述激光膜设置于所述激光晶体靠近所述激光单元的端面上。
优选地，所述激光单元包括泵浦光源和耦合透镜组；
所述泵浦光源发出的泵浦光入射至所述耦合透镜组；
所述耦合透镜组，用于调整入射至所述激光晶体的激光半径；
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；两个凸透镜优选为平凸透镜，包括第一平凸透镜和第二平凸透镜。其中第一平凸透镜放置在离泵浦源距离为f1处，f1为第一平凸透镜的焦距。
优选地，所述电光调Q装置包括依次设置的起偏元件、四分之一波片和电光调Q晶体；
所述起偏元件，用于使通过其的激光起偏，形成S偏振光；
所述四分之一波片，用于调整通过其的激光偏振方向；
所述电光调Q晶体，用以控制经全反镜反射并通过其和四分之一波片的激光在S偏振光与P偏振光之间转换，使激光在所述透射反射单元和全反镜之间振荡后从所述起偏元件出射。
优选地，所述起偏元件包括至少一个偏振片，每个所述偏振片的主轴方向均与入射其上的激光呈布鲁斯特角。
优选地，所述四分之一波片的主轴方向与入射其上的激光的偏振方向呈45°，所述电光调Q晶体的主轴方向与入射其上的激光的偏振方向呈45°。
本发明的电光调Q腔倒空激光器，相较于现有技术，具有如下有益效果：
本发明的电光调Q腔倒空激光器，使用凹透镜作为折叠镜，并将其放置在离激光泵浦镜距离L处，能够有效地平缓折叠镜之后的激光半径的变化，使得折叠镜后的激光半径不变，促使经过腔倒空激光器核心元件——电光调Q晶体的激光半径变化极小，具有激光半径变化低敏感性的优点，提高了电光调Q晶体运行的稳定性，从而进一步提升了腔倒空激光器的运行稳定性，同时，本发明的电光调Q腔倒空激光器的结构简单，存在着极大的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中电光调Q腔倒空激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例中电光调Q晶体加压过程示意图；
图3为本发明实施例中电光调Q晶体未施加电压时，谐振腔内激光的偏振及传输路径示意图；
图4为本发明实施例中电光调Q晶体施加四分之一波电压时，谐振腔内激光的偏振及传输路径示意图；
图5为本发明实施例中谐振腔内各点的激光半径分布图；
图6为本发明实施例中激光脉冲序列图；
图7为本发明实施例中激光输出的平均功率随时间的波动曲线图；
图8为本发明实施例中折叠镜曲率半径R为200mm时，谐振腔内激光半径分布图；
图9为本发明实施例中折叠镜曲率半径R为400mm时，谐振腔内激光半径分布图。
部件和附图标记列表：
1、泵浦光源；2、第一平凸透镜；3、第二平凸透镜；4、泵浦镜；5、激光晶体；6、折叠镜；7、第一偏振片；8、第二偏振片；9、四分之一波片；10、电光调Q晶体；11、全反镜。
具体实施方式
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。
图1为本发明实施例中电光调Q腔倒空激光器的结构示意图。
本发明实施例的电光调Q腔倒空激光器，包括激光单元和依次设置在激光单元出光侧的透射反射单元、激光晶体5、折叠镜6、电光调Q装置10和全反镜11；透射反射单元和全反镜11之间的部分为激光谐振腔。
其中激光单元用于为激光晶体5提供泵浦光；本实施例中，激光单元包括泵浦光源1和耦合透镜组；泵浦光源1发出的泵浦光入射至所述耦合透镜组；耦合透镜组，用于调整入射至激光晶体5的激光半径；泵浦光源1为输出功率连续可调或脉冲宽度和频率可调的脉冲的激光二极管端面泵浦源；耦合透镜组包括同轴且凸面相对设置的两个凸透镜。本实施例中，耦合透镜组包括第一平凸透镜2和第二平凸透镜3，其中第一平凸透镜放置在离泵浦源距离为f1处，f1为第一平凸透镜的焦距。泵浦光源1发射出来的泵浦光，是一个发散的光，它位于第一个平凸透镜2焦点处时，发散的泵浦光经过第一平凸透镜2后，会被准直呈平行的光，平行的光经过第二平凸透镜3后会被聚焦呈一个圆的光斑，照射在激光晶体5上。具体关系如下：
Figure BDA0002497174250000051
其中，φ2为激光晶体5上的光斑直径，φ1为泵浦光源1发射端的光斑直径，f1为第一平凸透镜2的焦距；f2为第二平凸透镜3的焦距。由上可知，可通过调整第一平凸透镜2和第二平凸透镜3的焦距改变注入激光晶体5的泵浦光的直径，实现泵浦光斑和谐振腔模的模式匹配，提高激光器整体的运行效率。
本申请中的透射反射单元，用于透射来自激光单元出射的泵浦光以及反射来自激光晶体5出射的激光；本申请实施例中，透射反射单元可以采用两种结构，其中一种结构为利用现有的泵浦镜4作为透射反射单元；另一种结构为将激光膜设置于激光晶体5靠近激光单元的端面上，将该激光膜作为透射反射单元。激光膜为包括一个对泵浦光高透的膜(透过率能达到>98％)和一个对激光高反的膜，从而实现既对泵浦光高透又对激光高反。本实施例采用将激光膜设置于激光晶体5靠近激光单元的端面上的结构时，减少了光学器件，使得激光器内部结构紧凑，减小了本申请腔倒空激光器的体积。
本申请中的激光晶体5，将经由透射反射单元透射的泵浦光转变为激光，并增强入射至激光晶体的激光光强；激光晶体5是本申请腔倒空激光器的动力核心部分。
本申请中的折叠镜6的设置位置满足第一条件，第一条件为：
Figure BDA0002497174250000052
其中，L为折叠镜6距透射反射单元的距离，R为折叠镜6的曲率半径，f为激光晶体5的热焦距；折叠镜6为凹透镜，凹透镜的凹面用于将从激光晶体5出射的激光反射至电光调Q装置，并将从全反镜11反射的激光反射至激光晶体5；通过该种设置，可以使得经由折叠镜6反射后的激光半径不变，保证了经过激光调Q晶体内的激光半径不变。其中折叠镜6可以为平凹透镜或者双凹透镜。
本申请的电光调Q装置用于控制通过其的激光的偏振方向，使激光在透射反射单元与全反镜之间振荡后输出；其中入射至电光调Q装置的激光为半径不变的激光。
本申请的全反镜11，用于将从电光调Q装置靠近全反镜侧出射的激光再次反射至电光调Q装置。
为使从折叠镜6出射的激光的半径更加稳定不变，本申请限定凹面上距离凹透镜中心轴0～5mm的区域为激光反射面，限定激光只在该激光反射面内反射。
进一步地，L的取值为
Figure BDA0002497174250000061
其中R为折叠镜6的曲率半径。R值越大，从折叠镜6出射的激光的半径稳定性更佳。本申请限定R的取值范围为50mm≤R≤1000mm；
本申请的电光调Q装置包括依次设置的起偏元件、四分之一波片9和电光调Q晶体10；
其中起偏元件，用于使通过其的激光起偏，形成S偏振光；起偏元件包括在激光传输路径上设置的至少一个偏振片，每个偏振片的主轴方向均与入射至该偏振片的激光呈布鲁斯特角。本实施例中设置了两个偏振片：第一偏振片7和第二偏振片8，两个偏振片均为薄膜偏振片。
本申请的四分之一波片9，用于调整通过其的激光偏振方向，其中四分之一波片的主轴方向与入射其上的激光的偏振方向呈45°，只有满足该角度，才能够实现圆偏振光与S偏振光、P偏振光之间的转换；
本申请的电光调Q晶体10，用以控制经全反镜反射并通过其和四分之一波片的激光在S偏振光与P偏振光之间转换，使激光在透射反射单元和全反镜11之间振荡后从起偏元件出射，其中电光调Q晶体10的主轴方向与入射其上的激光的偏振方向呈45°，只有满足该角度，才能够实现圆偏振光与P偏振光之间的转换，电光调Q晶体10可以为：RTP、KTP、BBO、LBO、LGS、LiNbO3中的一种。
本申请以上述实施例说明电光调Q腔倒空激光器的工作原理为：
泵浦光源1输出的泵浦光经过耦合透镜组整形后，经由泵浦镜4入射至激光晶体5。
电光调Q晶体10加压过程见图2。
当电光调Q晶体10未施加电压时，谐振腔内激光的偏振及传输如图3所示，腔内激光经由折叠镜6反射后，通过第一偏振片7和第二偏振片8，其偏振方向为S方向(竖直方向)。S偏振光经过主轴方向与入射至该四分之一波片9的激光的偏振方向呈45°的四分之一波片9后，其偏振方向由S方向变为圆偏振，随后圆偏振激光经过电光调Q晶体10，最后由全反镜11反射，再次经过电光调Q晶体10，在此过程中，腔内激光偏振方向保持为圆偏振不变，此后再经过四分之一波片9，此时激光偏振方向将由圆偏振方向变为P方向(水平方向)，当激光经过布鲁斯特角放置的第二偏振片8时，将全部透射出谐振腔外，形成激光输出。此时，激光器的耦合输出率为100％，腔损最大，腔内无法形成激光振荡，激光晶体5的反转粒子数激增。
当对电光调Q晶体10施加四分之一波电压，此时电光调Q晶体10可看作一个四分之一波片。如图4所示，由偏振片反射的S偏振光，两次经过四分之一波片和电光调Q晶体10，其偏振方向保持不变，激光由偏振片反射回原光路，形成激光振荡。此时，激光器的耦合输出率为0，腔损最小，激光晶体5反转粒子数减小转变为激光腔内的振荡激光。
再经过一定的激光振荡时间(电光调Q晶体10的加压时间)后，撤去施加在电光调Q晶体10上的电压，此时，腔内储存的激光能量将由偏振片100％透射输出，形成脉冲激光。
在此结构激光谐振腔中，激光半径分布可由ABCD定律和腔的自再现模理论得到。
谐振腔由泵浦镜4至全反镜11，再由全反镜11至泵浦镜4的谐振腔ABCD矩阵为：
Figure BDA0002497174250000081
其中：
Figure BDA0002497174250000082
为泵浦镜4的传输矩阵；
Figure BDA0002497174250000083
为泵浦镜4至激光晶体5之间的传输矩阵，l1为泵浦镜4与激光晶体5之间的距离，n为传输介质折射率；
Figure BDA0002497174250000084
为激光晶体5热焦距的传输矩阵，f为激光晶体5在一定泵浦功率下的热焦距；
Figure BDA0002497174250000085
为激光晶体5的传输矩阵，lc为激光晶体5的长度，nc为激光晶体5的折射率；
Figure BDA0002497174250000086
为激光晶体5至折叠镜6之间的传输矩阵，l2为激光晶体5与折叠镜6之间的距离，n为传输介质折射率；
Figure BDA0002497174250000087
为折叠镜6的传输矩阵，R为折叠镜6的曲率半径；
Figure BDA0002497174250000088
为折叠镜6至电光调Q晶体10之间的传输矩阵，l3为折叠镜6与电光调Q晶体10之间的距离，n为传输介质折射率；
Figure BDA0002497174250000091
为电光调Q晶体10的传输矩阵，le为电光调Q晶体10单晶体的长度，ne为电光调Q晶体10的折射率，lΔ为电光调Q晶体10中两个晶体间的距离；
Figure BDA0002497174250000092
为电光调Q晶体10与全反镜11之间的传输矩阵，l4为电光调Q晶体10与全反镜11之间的距离，n为传输介质折射率；
Figure BDA0002497174250000093
为全反镜11的传输矩阵；
得到谐振腔的ABCD值，由腔模自再现理论可得到泵浦镜4上的激光半径：
Figure BDA0002497174250000094
由泵浦镜4上的激光半径ωz和激光曲率半径Rz,便可得到整个谐振腔内的激光半径分布。
下面，将结合具体的实施例说明本申请的电光调Q腔倒空激光器，在谐振腔内的激光半径情况。
本实施例以1.5um高频率腔倒空激光器进一步详细介绍本发明的技术方案。当然，本发明的腔倒空激光器也可以为1.0um、2.0um等各类波长、各种频率的腔倒空激光器。
在本发明实例中，采用976nm半导体激光器泵浦Er:Yb:YAB激光晶体5，同时使用电光调Q晶体10(RTP)进行调制，实现了100kHz，3.3ns，1531nm的激光输出。实例中的设备参数如下：
泵浦光源1为中心波长为976nm、芯径为100um的半导体激光器，在本实例中其输出泵浦功率为27W。
耦合透镜组都为焦距为50mm的平凸透镜。
激光晶体5为3*3*1.5mm(lc＝1.5mm)的Er:Yb:YAB晶体，其折射率nc为1.75，在27W泵浦功率下，其热焦距f为15mm。前端面镀有976nm高透、1500-1600nm全反射膜作为泵浦镜4使用(l1＝0)，同时在后端面镀有1500-1600nm增透膜以减小腔内损耗。
折叠镜6为曲率半径R为100mm的平凹透镜，其与激光晶体5前端面距离l2为50mm。
电光调Q晶体10由两块尺寸相同(4*4*10mm)的RTP晶体组成，晶体的折射率ne为1.76，两晶体间距离lΔ为5mm。电光调Q晶体10与折叠镜6之间的距离l3为200mm。
全反镜11镀有1500-1600nm全反射膜，其与电光调Q晶体10距离l3为75mm。
此外，谐振腔在空气中搭建，激光在空气中传播介质中，因此n＝1。
将数据代入公式(1)可计算得到本激光谐振腔的传输矩阵
Figure BDA0002497174250000101
由ABCD值便可计算得到谐振腔内各点的激光半径。
图5为计算得到的谐振腔内各点的激光半径分布，图5中A点为激光晶体5后端面，B点为折叠镜6的反射面，C点为电光调Q晶体10前端面，D点为电光调Q晶体10后端面，E点为全反镜11。从图5中可知，谐振腔中从激光晶体5释放的激光由折叠镜6反射后，半径变化由快变缓，在折叠镜6与全反镜间的激光半径趋于一致。入射至电光调Q晶体10前端面C处的激光半径为737.238um，出射电光调Q晶体10后端面D处的激光半径为736.425um，激光半径变化量为0.813um，变化率仅为0.11％，因此经过电光调Q晶体10的激光半径可视为不变。图6为实验得到的激光脉冲序列图，各脉冲峰值几乎一致，脉冲能量差值<2％；图7为激光输出的平均功率随时间的波动曲线，从图中可知激光输出功率的变化率为2.3％，激光输出功率具有良好的稳定性。图8和图9是折叠镜6曲率半径R分别为200mm和400mm时的谐振腔内激光半径分布图。当曲率半径为200mm时，电光调Q晶体10C、D两处的激光光斑变化量为0.145um，变化率为0.011％；当曲率半径为400mm时，电光调Q晶体10C、D两处的激光光斑变化量为0.019um，变化率为0.000726％。可知，当折叠镜6曲率半径R取值越大时，透过电光晶体的激光半径差值越小。在实验条件允许的情况下，使用大曲率半径的平凹透镜作为折叠镜6，有着更佳的效果。
本发明的电光调Q腔倒空激光器，使用凹透镜作为折叠镜，并将其放置在离激光泵浦镜距离L处，能够有效地平缓折叠镜之后的激光半径变化，使得折叠镜后的激光半径不变，促使经过腔倒空激光器核心元件——电光调Q晶体的激光半径变化极小，具有激光半径变化低敏感性的优点，提高了电光调Q晶体运行的稳定性，从而进一步提升了腔倒空激光器的运行稳定性，同时，本发明的电光调Q腔倒空激光器的结构简单，存在着极大的应用价值。
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)

1.一种电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，包括激光单元和依次设置在所述激光单元出光侧的透射反射单元、激光晶体、折叠镜、电光调Q装置和全反镜；
所述激光单元，用于为所述激光晶体提供泵浦光；
所述透射反射单元，用于透射来自所述激光单元出射的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，将经由所述透射反射单元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；
所述折叠镜的设置位置满足第一条件，所述第一条件为：
Figure FDA0002497174240000011
其中，L为所述折叠镜距所述透射反射单元的距离，R为所述折叠镜的曲率半径，f为所述激光晶体的热焦距；
所述折叠镜为凹透镜，所述凹透镜的凹面用于将从所述激光晶体发射的激光反射至所述电光调Q装置，并将从全反镜反射的激光反射至所述激光晶体；
所述电光调Q装置用于控制通过其的激光的偏振方向；
所述全反镜，用于将从所述电光调Q装置靠近所述全反镜侧出射的激光再次反射至所述电光调Q装置。
2.根据权利要求1所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述折叠镜凹面上距离所述凹透镜中心轴0～5mm的区域为激光反射面。
3.根据权利要求1所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述L为
Figure FDA0002497174240000012
其中R为所述折叠镜的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述R的取值范围为50mm≤R≤1000mm。
5.根据权利要求1所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述透射反射单元为泵浦镜。
6.根据权利要求1所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述透射反射单元为激光膜，所述激光膜设置于所述激光晶体靠近所述激光单元的端面上。
7.根据权利要求1所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述激光单元包括泵浦光源和耦合透镜组；
所述泵浦光源发出的泵浦光入射至所述耦合透镜组；
所述耦合透镜组，用于调整入射至所述激光晶体的激光半径；
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。
8.根据权利要求1～7任一项所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述电光调Q装置包括依次设置的起偏元件、四分之一波片和电光调Q晶体；
所述起偏元件，用于使通过其的激光起偏，形成S偏振光；
所述四分之一波片，用于调整通过其的激光偏振方向；
所述电光调Q晶体，用以控制经全反镜反射并通过其和四分之一波片的激光在S偏振光与P偏振光之间转换，使激光在所述透射反射单元和全反镜之间振荡后从所述起偏元件出射。
9.根据权利要求8所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述起偏元件包括至少一个偏振片，每个所述偏振片的主轴方向均与入射其上的激光呈布鲁斯特角。
10.根据权利要求8所述的电光调Q腔倒空激光器，其特征在于，所述四分之一波片的主轴方向与入射其上的激光的偏振方向呈45°，所述电光调Q晶体的主轴方向与入射其上的激光的偏振方向呈45°。
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CN117317789A (zh) * 2023-11-28 2023-12-29 武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司 一种脉宽可调纳秒激光器及其调控方法

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