CN111509550A - 高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器 - Google Patents

高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器 Download PDF

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Abstract

一种高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，包括L型谐振腔、泵浦源和电路控制系统三部分。该激光器具有结构紧凑、指向稳定性高、抗干扰能力强的特点，可实现高重复频率的窄脉宽窄线宽1064nm脉冲激光输出，且激光的中心波长可调谐。

Description

高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器
技术领域
本发明专利涉及全固态激光器，特别是一种高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器。
背景技术
随着空间激光技术及单光子探测技术的发展，微脉冲激光器正成为空间激光器的重要发展方向，其单脉冲能量一般在百微焦耳量级，重复频率在千赫兹量级、峰值功率在百千瓦甚至兆瓦量级，同时要求窄线宽(皮米量级)甚至单纵模输出。目前普遍采用的技术路线主要有基于MOPA结构的全光纤脉冲放大器和小型化的全固态脉冲激光器。其中全光纤脉冲放大器具有转换效率高、散热好等显著特点，但受限于光纤内非线性效应的影响，输出激光的峰值功率处于千瓦级水平，仅适用于近距离空间探测，尚不能适应天基对地远距离探测的需求；目前小型化的全固态脉冲激光器主要采用被动调Q激光器，结合短腔法或腔内插入F-P标准具或扭转模腔法等，实现高重复频率窄线宽激光输出，输出激光峰值功率在百千瓦级甚至兆瓦级水平，但是输出激光的脉冲稳定性较差，输出光谱受环境影响较大，系统的环境适应性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，该激光器具有重复频率高、峰值功率高、线宽窄、波长可调谐、脉宽窄的特点，输出激光性能稳定，系统结构紧凑、可靠性高，具有较强的环境适应性。
本发明的技术解决方案如下：
一种高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，其结构包括L型谐振腔、泵浦源和电路控制系统，其特点在于：
所述的L型谐振腔包括作为后腔镜的Porro棱镜和作为耦合输出镜的反射式体布拉格光栅，由所述的Porro棱镜沿光路至所述的反射式体布拉格光栅依次是相位补偿波片、电光调Q晶体、1/4λ波片、偏振分光镜、增益介质Nd:YVO4晶体，所述的偏振分光镜与所述的光路成45°，形成L型谐振腔；
所述的泵浦源依次由激光二极管、准直透镜和聚焦透镜组成，所述的准直透镜和聚焦透镜组成泵浦光耦合系统；所述的激光二极管输出的泵浦光经过所述的准直透镜、聚焦透镜、偏振分光镜对所述的增益介质Nd:YVO4晶体进行泵浦；
所述的电路控制系统由时序控制系统、泵浦驱动电源和电光调Q驱动电源组成，所述的时序控制系统具备双通道输出功能，其输出端分别与所述的泵浦驱动电源的输入端、所述的电光调Q驱动电源的输入端相连，所述的泵浦驱动电源的输出端与所述的激光二极管的输入端相连，所述的电光调Q驱动电源的输出端与所述的电光调Q晶体的输入端相连；
所述的电路控制系统的控制过程为：所述的时序控制系统向所述的泵浦驱动电源发出触发信号，该泵浦驱动电源接收到触发信号后给所述的激光二极管进行泵浦；所述的时序控制系统在经一定延时后向所述的电光调Q驱动电源发出触发信号，该电光调Q驱动电源接收到触发信号后向所述的电光调Q晶体输出电压，激光器随即输出调Q脉冲激光。
所述的反射式体布拉格光栅利用热电制冷器(TEC)控温以实现高的温控精度和温度调谐，光谱宽度小于50pm。
所述的偏振分光镜对泵浦光高透，对谐振腔的1064nm振荡激光S偏振光高反、P偏振光高透，偏振消光比大于1000:1。
所述的准直透镜和聚焦透镜镀有对泵浦光高透、对1064nm激光高反膜，该透镜系统将激光二极管输出的泵浦光准直聚焦到所述的增益介质Nd:YVO4晶体内。
所述的Porro棱镜棱线摆放角度为45°或者135°。
所述的反射式体布拉格光栅利用热电制冷器(TEC)控温以实现高的温控精度和温度调谐，光谱宽度小于50pm。
所述的电光调Q晶体、1/4λ波片和偏振分光镜构成电光调Q开关。所述的时序控制系统向所述的泵浦驱动电源发出触发信号，该泵浦驱动电源接收到触发信号后给所述的激光二极管进行泵浦，所述的激光二极管输出的泵浦激光经过所述的准直透镜、聚焦透镜、偏振分光镜对所述的增益介质Nd:YVO4晶体进行泵浦，所述的增益介质Nd:YVO4晶体产生的自发辐射光经所述的反射式体布拉格光栅反射后再次经过该增益介质Nd:YVO4晶体，然后经过所述的偏振分光镜反射后得到S偏振方向的激光，该激光经过电光调Q晶体、1/4λ波片、相位补偿波片后由Porro棱镜反射，再次经过相位补偿波片、电光调Q晶体、1/4λ波片，当电光调Q晶体上不加电压时，激光的偏振态为P偏振方向，经偏振分光镜透射出谐振腔，无法形成振荡，增益介质Nd:YVO4晶体的上能级不断积累粒子；在经一定延时后，当电光调Q晶体上加电压时，激光的偏振态仍为S偏振方向，经偏振分光镜反射，在Porro棱镜和反射式体布拉格光栅之间形成激光振荡，产生窄线宽调Q脉冲输出。
本发明的技术效果：
本发明全固态脉冲激光器是基于电光调Q和反射式体布拉格光栅获得稳定的高重复频率、高峰值功率、窄线宽、窄脉宽激光输出，通过精确控制反射式体布拉格光栅的温度实现输出波长的调谐，同时采用Porro棱镜作为谐振腔镜，提高了激光器谐振腔的稳定性。
附图说明
图1是本发明高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器的结构示意图。由图可见，本发明高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，包括L型谐振腔、泵浦源和电路控制系统三部分：
所述的L型谐振腔包括作为后腔镜的Porro棱镜101和作为耦合输出镜的反射式体布拉格光栅107，由所述的Porro棱镜101沿光路至所述的反射式体布拉格光栅107依次是相位补偿波片102、电光调Q晶体103、1/4λ波片104、偏振分光镜105、增益介质Nd:YVO4晶体106。所述的偏振分光镜105与所述的光路成45°，形成L型谐振腔。
所述的泵浦源依次由激光二极管201、准直透镜202、聚焦透镜203组成，所述的准直透镜202和聚焦透镜203组成泵浦光耦合系统；所述的激光二极管201输出的泵浦光经过所述的准直透镜202、聚焦透镜203、偏振分光镜105对所述的增益介质Nd:YVO4晶体106进行泵浦；
所述的电路控制系统由时序控制系统301、泵浦驱动电源302、电光调Q驱动电源303组成，所述的时序控制系统301具备双通道输出功能，其输出端分别与所述的泵浦驱动电源302的输入端、所述的电光调Q驱动电源303的输入端相连，所述的泵浦驱动电源302的输出端与所述的激光二极管201的输入端相连，所述的电光调Q驱动电源303的输出端与所述的电光调Q晶体103的输入端相连。
所述的电路控制系统的控制过程为：所述的时序控制系统301向所述的泵浦驱动电源302发出触发信号，该泵浦驱动电源302接收到触发信号后给所述的激光二极管201进行泵浦；所述的时序控制系统301在经一定延时后向所述的电光调Q驱动电源303发出触发信号，该电光调Q驱动电源303接收到触发信号后向所述的电光调Q晶体103输出电压，激光器随即输出调Q脉冲激光。
所述的Porro棱镜101棱线摆放角度为45°或者135°。所述的相位补偿波片102通过旋转一定角度对Porro棱镜引起的相位延迟进行补偿。所述的偏振分光镜105镀有对泵浦光高透膜，对谐振腔的1064nm振荡激光S偏振光高反、P偏振光高透膜，偏振消光比大于1000:1。所述的准直透镜202和聚焦透镜203镀有对泵浦光高透、对1064nm激光高反膜。所述的反射式体布拉格光栅107利用热电制冷器(TEC)控温以实现高的温控精度和温度调谐，所述的电光调Q晶体103、1/4λ波片104和偏振分光镜105构成电光调Q开关，所述的电光调Q晶体103为磷酸钛氧铷(RTP)。
下面是本发明一个具体实施例的参数：
激光二极管201为最大连续输出功率25W、中心波长为880nm的波长锁定的半导体激光器，纤芯直径为200μm，数值孔径为0.22。泵浦光耦合系统的准直透镜202和聚焦透镜203均为双凸透镜，它们的焦距比为1:3。Porro棱镜101的棱线摆放角度为45°，相位补偿波片102采用1/2λ波片。增益介质Nd:YVO4晶体106的掺杂浓度原子数百分比为0.5at.％，尺寸选用3mm*3mm*12mm的板条结构，采用铟箔包裹后置于冷却热沉中，采用热电制冷器(TEC)将冷却热沉的温度控制在20℃。偏振分光镜镀105有880nm的高透射膜(T>95％)，镀有1064nmS偏振光高反射膜(R>99％)，P偏振光高透射膜(T>95％)。反射式体布拉格光栅107作为输出腔镜，尺寸为5mm*5mm*15.5mm，衍射效率为70％，同样采用铟箔包裹后置于冷却热沉中，采用热电制冷器(TEC)对其进行温控。Porro棱镜101、偏振分光镜105和反射式体布拉格光栅107构成的“L”型谐振腔的腔长约为80mm。电光调Q晶体103为一对正交的磷酸钛氧铷(RTP)晶体，尺寸为4mm*4mm*10mm，电光调Q晶体103、1/4λ波片104和偏振分光镜105构成电光调Q开关，通过在电光调Q晶体103上周期性地施加约800V的电压，得到脉冲宽度约2ns，脉冲能量约200uJ，相应的峰值功率约100kW的激光输出，采用波长计测得输出激光的线宽小于0.5pm，将反射式体布拉格光栅107的温度由17℃改变至23℃时，输出激光的中心波长变化约50pm。
实验表明，本发明具有结构紧凑、指向稳定性高、抗干扰能力强的特点，可实现高重复频率的窄脉宽窄线宽1064nm脉冲激光输出，且激光的中心波长可调谐。

Claims (5)

1.一种高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，其结构包括L型谐振腔、泵浦源和电路控制系统，其特征在于：
所述的L型谐振腔包括作为后腔镜的Porro棱镜(101)和作为耦合输出镜的反射式体布拉格光栅(107)，由所述的Porro棱镜(101)沿光路至所述的反射式体布拉格光栅(107)依次是相位补偿波片(102)、电光调Q晶体(103)、1/4λ波片(104)、偏振分光镜(105)、增益介质Nd:YVO4晶体(106)。所述的偏振分光镜(105)与所述的光路成45°，形成L型谐振腔；
所述的泵浦源依次由激光二极管(201)、准直透镜(202)和聚焦透镜(203)组成，所述的准直透镜(202)和聚焦透镜(203)组成泵浦光耦合系统；所述的激光二极管(201)输出的泵浦光经过所述的准直透镜(202)、聚焦透镜(203)、偏振分光镜(105)对所述的增益介质Nd:YVO4晶体(106)进行泵浦；
所述的电路控制系统由时序控制系统(301)、泵浦驱动电源(302)和电光调Q驱动电源(303)组成，所述的时序控制系统(301)具备双通道输出功能，其输出端分别与所述的泵浦驱动电源(302)的输入端、所述的电光调Q驱动电源(303)的输入端相连，所述的泵浦驱动电源(302)的输出端与所述的激光二极管(201)的输入端相连，所述的电光调Q驱动电源(303)的输出端与所述的电光调Q晶体(103)的输入端相连；
所述的电路控制系统的控制过程为：所述的时序控制系统(301)向所述的泵浦驱动电源(302)发出触发信号，该泵浦驱动电源(302)接收到触发信号后给所述的激光二极管(201)进行泵浦；所述的时序控制系统(301)在经一定延时后向所述的电光调Q驱动电源(303)发出触发信号，该电光调Q驱动电源(303)接收到触发信号后向所述的电光调Q晶体(103)输出电压，激光器随即输出调Q脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，其特征在于所述的反射式体布拉格光栅(107)利用热电制冷器(TEC)控温以实现高的温控精度和温度调谐，光谱宽度小于50pm。
3.根据权利要求1所述的高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，其特征在于所述的偏振分光镜(105)对泵浦光高透，对谐振腔的1064nm振荡激光S偏振光高反、P偏振光高透，偏振消光比大于1000:1。
4.根据权利要求1所述的高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，其特征在于所述的准直透镜(202)和聚焦透镜(203)镀有对泵浦光高透、对1064nm激光高反膜，该透镜系统将激光二极管输出的泵浦光准直聚焦到所述的增益介质Nd:YVO4晶体(106)内。
5.根据权利要求1所述的高峰值功率窄线宽1064nm全固态脉冲激光器，其特征在于所述的Porro棱镜(201)棱线摆放角度为45°或者135°。
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