CN113314938A - 腔长调节装置、线型谐振腔、激光器及其激光输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种腔长调节装置、线型谐振腔、激光器及其激光输出方法，涉及激光器领域，腔长调节装置包括第一腔长调节反射镜、第二腔长调节反射镜和压电陶瓷；所述第一腔长调节反射镜的反射面和所述第二腔长调节反射镜的反射面相对设置；所述压电陶瓷设置在所述第一腔长调节反射镜上；所述压电陶瓷用于产生具有垂直第一腔长调节反射镜方向的振动，以调节第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜之间的距离。本发明能够实现在压电陶瓷加载电压较低的情况下也能满足腔长调节量的需求，从而提高压电陶瓷的振动频率，最终提高线型腔注入锁定单频脉冲光输出频率。

Description

腔长调节装置、线型谐振腔、激光器及其激光输出方法

技术领域

本发明涉及注入锁定激光器领域，特别是涉及一种腔长调节装置、线型谐振腔、激光器及其激光输出方法。

背景技术

目前，线型腔单频注入锁定激光器的技术中，脉冲频率的大小由腔长调谐元件压电陶瓷(PZT)的振动频率决定。PZT是一个电容器件，其工作原理是：在PZT上加载正电压PZT的位移膨胀伸长，卸载电压PZT位移收缩，PZT位移与加载电压呈线性关系，那么加载周期性的电压，PZT就周期性的伸缩。如果在PZT表面粘贴一个谐振腔腔镜，就可以通过PZT的周期性伸缩调谐谐振腔腔长。

PZT的工作功率表达式为P＝fCU²，其中C为PZT的电容，U为加载电压，f为振动频率。在额定功率不变的情况下，要想提高PZT的振动频率f，就必须降低PZT的加载电压，即f＝P/(CU²)。当前，线型谐振腔单频注入锁定脉冲激光器，对腔长调谐量为大于腔内振荡光半波长，这样的要求在传统的线型谐振腔中，需要给PZT加载的电压通常接近100V(一个很大的值)，因此在额定功率下，PZT获得的振动频f比较低，通常在几百赫兹，这限制了腔长调谐频率，也限制了激光测风雷达的探测能力。如果设计一种装置可以使得在PZT电压很低的情况下也能实现腔长调谐量大于半个振荡光波长，那么就以大大提高线型谐振腔单频注入锁定激光器的输出频率，提高以线型腔单频注入锁定固体激光器为光源的激光测风雷达的探测能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种腔长调节装置、线型谐振腔、激光器及其激光输出方法，以实现在压电陶瓷加载电压较低的情况下也能满足腔长调节量的需求，从而提高压电陶瓷的振动频率，最终提高线型腔注入锁定单频脉冲光输出频率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种腔长调节装置，包括：第一腔长调节反射镜、第二腔长调节反射镜和压电陶瓷；

所述第一腔长调节反射镜的反射面和所述第二腔长调节反射镜的反射面相对设置；所述压电陶瓷设置在所述第一腔长调节反射镜上；所述压电陶瓷用于产生具有垂直第一腔长调节反射镜方向的振动，以调节所述第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜之间的距离。

可选的，所述压电陶瓷粘贴在所述第一腔长调节反射镜或者所述第二腔长调节反射镜的非反射面上。

可选的，所述第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜平行设置。

可选的，光在所述第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜之间的反射次数大于或者等于2。

可选的，所述腔长调节装置还包括控制电路；所述控制电路与所述压电陶瓷连接；所述控制电路用于控制所述压电陶瓷产生振动。

一种线型谐振腔，包括：全反射腔镜、如上述任意一项所述的腔长调节装置、Q开关、输出腔镜、种子光探测器和控制电路；

所述腔长调节装置和所述Q开关依次设置在所述全反射腔镜到所述输出腔镜之间的光路上；所述种子光探测器设置在所述腔长调节装置中的第一腔长调节反射镜的非反射面侧或第二腔长调节反射镜的非反射面侧；所述种子光探测器用于探测所述第一腔长调节反射镜或第二腔长调节反射镜透射出的种子光；

所述全反射腔镜透射的泵浦光经过增益介质，产生振荡光，所述振荡光经过所述腔长调节装置，在所述腔长调节装置中的第一腔长调节反射镜和第二腔长调节反射镜之间进行多次反射，当所述种子光探测器探测到种子光时，触发Q开关，使振荡光从输出腔镜输出。

可选的，所述线型谐振腔为折叠腔、L型腔或者U型腔。

一种激光器，包括：泵浦光、增益介质和如上述所述的线型谐振腔；

所述增益介质设置在所述线型谐振腔的全反射腔镜和腔长调节装置之间之间；所述增益介质在泵浦光的激励下产生振荡光，所述振荡光在所述线型谐振腔内振荡。

一种激光器的激光输出方法，所述激光器的激光输出方法应用于如上述所述的激光器，所述激光器的激光输出方法包括：

控制Q开关关闭，注入种子光；

控制腔长调节装置中的压电陶瓷振动；

获取种子光探测器探测的种子光；

判断所述种子光探测器是否探测到种子光，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述种子光探测器探测到种子光，则控制Q开关打开以实现输出腔镜输出单频脉冲光；

若所述第一判断结果表示所述种子光探测器未探测到种子光，则返回步骤“控制腔长调节装置中的压电陶瓷振动”。

可选的，所述判断所述种子光探测器是否探测到种子光，得到第一判断结果，具体包括：

获取压电陶瓷的扫描电压；

判断所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值是否大于比较电平，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值大于比较电平，则判断所述峰值是否为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号；得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示所述峰值为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号，则确定种子光探测器探测到种子光；

若所述第三判断结果表示所述峰值不为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号，则返回步骤“获取种子光探测器探测的种子光”；

若所述第二判断结果表示所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值小于或者等于比较电平，则返回步骤“获取种子光探测器探测的种子光”。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种腔长调节装置、线型谐振腔、激光器及其激光输出方法，第一腔长调节反射镜的反射面和所述第二腔长调节反射镜的反射面相对设置，通过设置在所述第一腔长调节反射镜上的压电陶瓷产生的振动，来调节第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜之间的距离，因为种子光在两个腔长调节反射镜之间有多次反射，所以对应于相同的压电陶瓷伸缩量，腔长调节量可以成倍增加，从而实现在压电陶瓷电压较低的情况也能满足腔长调节量的需求，进而增加压电陶瓷的振动频率，提高线型腔注入锁定单频脉冲光输出频率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的腔长调节装置示意图；

图2为本发明提供的激光器示意图；

图3为本发明提供的注入锁定控制电路工作时序图；

图4为本发明提供的激光器的激光输出方法流程图。

符号说明：

1-泵浦光，2-全反射腔镜，3-增益介质，4-第二腔长调节反射镜，5-种子光探测器，6-Q开关，7-输出腔镜，8-单频脉冲光，9-种子光，10-控制电路，11-第一腔长调节反射镜，12-压电陶瓷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种腔长调节装置、线型谐振腔、激光器及其激光输出方法，以实现在压电陶瓷加载电压较低的情况下也能满足腔长调节量的需求，从而提高压电陶瓷的振动频率，最终提高线型腔注入锁定单频脉冲光输出频率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种腔长调节装置，包括：第一腔长调节反射镜11、第二腔长调节反射镜4和压电陶瓷12。

所述第一腔长调节反射镜11的反射面和所述第二腔长调节反射镜4的反射面相对设置；所述压电陶瓷12设置在所述第一腔长调节反射镜11上；所述压电陶瓷12用于产生具有垂直第一腔长调节反射镜11方向的振动，以调节第一腔长调节反射镜11和所述第二腔长调节反射镜4之间的距离。

在实际应用中，所述压电陶瓷12粘贴在所述第一腔长调节反射镜11或者所述第二腔长调节反射镜4的非反射面上。其中，压电陶瓷12(PZT)装在两个腔长调节反射镜上的任何一个都可以，或者第一腔长调节反射镜11的非反射面和第二腔长调节反射镜4的非反射面上可以同时设置压电陶瓷12。

在实际应用中，所述第一腔长调节反射镜11和所述第二腔长调节反射镜4平行设置。在实际应用中，当第一腔长调节反射镜11和所述第二腔长调节反射镜4未平行设置时，需满足光能从第一腔长调节反射镜11或所述第二腔长调节反射镜4出射。

在实际应用中，光在所述第一腔长调节反射镜11和所述第二腔长调节反射镜4之间的反射次数大于或者等于2。反射次数越大对单频脉冲光8输出频率提高越有利。光从所述第一腔长调节反射镜11入射，经过所述第二腔长调节反射镜4反射出腔长调节装置；或者，光从所述第二腔长调节反射镜4入射，经过所述第一腔长调节反射镜11反射出腔长调节装置，或者，种子光9从腔长调节装置的同一个腔长调节反射镜出射、入射。

在实际应用中，所述腔长调节装置还包括控制电路10；所述控制电路10与所述压电陶瓷12连接；所述控制电路10用于控制所述压电陶瓷12产生振动。

第一腔长调节反射镜11和第二腔长调节反射镜4反射谐振腔中的振荡光和注入谐振腔内的种子光9。种子光9从第一腔长调节反射镜11入射进入腔长调节装置，在第一腔长调节反射镜11上的入射角为θ，理论上0°<θ<90°，实际应用中θ值多为45°。进入腔长调节装置后，种子光9在第一腔长调节反射镜11和第二腔长调节反射镜4之间来回反射，经N个反射周期后(反射周期定义：从一个腔长调节反射镜出发，经另一个腔长调节反射镜反射又回到原来腔长调节反射镜，为一个反射周期)，从第二腔长调节反射镜4出射。

压电陶瓷12推动第一腔长调节反射镜11获得的腔长改变量为NΔh，N为反射次数，Δh是一个反射周期获得的腔长改变量，而传统的线型腔腔长调谐装置只有一个反射周期，压电陶瓷一定位移量时，改变量为Δh。利用本发明提供的腔长调节装置，相同压电陶瓷位移量，腔长改变量为NΔh。在不采用本发明提供的腔长调节装置的情况下，额定电容为C，扫描电压幅值为U、重频为f的压电陶瓷，其消耗功率为P＝fCU²，此时的腔长改变Δh。如果采用本发明提供的腔长调节装置，想要获得相同的腔长改变量Δh，所以需要的扫描电压幅值只有U/N，因为Δh与U呈线性关系。根据P＝fCU²，在压电陶瓷消耗功率不变情况下，重频可以提高到fN²。一般情况下N取2，那么采用本发明结构，压电陶瓷的重频可以提高到原来的4倍——如果原来重频为500Hz，采用本发明的腔长调节装置，在不改变压电陶瓷额定功率的情况下，线型谐振腔注入锁定单频脉冲光8的重频频率可以提高到2kHz。因此，把上述的腔长调节装置放到线型腔注入锁定激光器的谐振腔中，可实现高频率单频脉冲光8输出。

本发明提供的一种线型谐振腔，包括：全反射腔镜2、如上述所述的腔长调节装置、Q开关6、输出腔镜7、种子光探测器5和控制电路10。

所述腔长调节装置和所述Q开关6依次设置在所述全反射腔镜2到所述输出腔镜7之间的光路上；所述种子光探测器5设置在所述腔长调节装置中的第一腔长调节反射镜11的非反射面侧或第二腔长调节反射镜4的非反射面侧；所述种子光探测器5用于探测所述第一腔长调节反射镜11或第二腔长调节反射镜4透射出的种子光9，种子光在第一腔长调节反射镜11和第二腔长调节反射镜4处均有少量透射。本发明以所述种子光探测器5设置在第二腔长调节反射镜4的非反射面侧；所述种子光探测器5用于探测第二腔长调节反射镜4透射出的种子光9为例。

所述全反射腔镜2透射的泵浦光1经过经过增益介质，产生振荡光，所述振荡光所述腔长调节装置，在所述腔长调节装置中的第一腔长调节反射镜11和第二腔长调节反射镜4之间进行多次反射，当所述种子光探测器5探测到种子光9时，触发Q开关6，使振荡光从输出腔镜7输出，得到单频脉冲光8。

种子光9从Q开关6的一级衍射方向注入线型谐振腔，在谐振腔腔内循环振荡过程中经过腔长调节装置，腔长调节装置里的压电陶瓷12由控制电路10控制。当谐振腔腔长满足种子光半波长整数倍时，种子光9形成谐振信号，信号被放在第二腔长调节反射镜4后面的种子光9信号探测器接收并发送给控制电路10。控制电路10触发线型谐振腔内的Q开关6，在泵浦光1对腔内增益介质3的激励下，输出腔镜7输出单频脉冲光8。

其中，线型谐振腔包括折叠腔、L型腔、U型腔等一切驻波腔。

如图2所示，本发明提供的一种激光器，包括：泵浦光1、增益介质3和如上述的线型谐振腔。

所述增益介质3设置在所述线型谐振腔的全反射腔镜2和腔长调节装置之间；所述增益介质3在泵浦光1的激励下产生振荡光，所述振荡光在所述线型谐振腔内振荡。

本发明提供的激光器为注入锁定激光器，其工作光路如下：

种子光9通过Q开关6的衍射级注入线型谐振腔，在全反射腔镜2和输出腔镜7之间循环振荡，循环过程经过腔长调节装置。腔长调谐装置上的PZT由控制电路10控制，当腔长等于种子光半波长整数时，腔长满足种子光频率的谐振条件，种子光9的谐振信号可以被放置在第二腔长调节反射镜4后面的种子光探测器5探测到。种子光9被输入到控制电路10中，控制电路10给Q开关6发射信号，Q开关6打开，线型谐振腔腔通过输出腔镜7输出单频脉冲光8。单频脉冲光8的频率由PZT的振动频率决定。

图3中的Q开关6、腔镜PZT、种子光探测器5共同接入一个控制电路10。种子光9注入线型谐振腔且增益介质3加载泵浦光1后，控制电路10开始工作，完整工作时序图如图3所示。

PZT上加载三角波扫描电压，根据频率进行周期性的驱动第一腔长调节反射镜11运动，调谐腔长，使腔长与种子光波长匹配；种子光探测器5监测腔长调谐过程，当腔长与种子光波长匹配上时，种子光9相干加强，干涉环中央为亮斑，种子光探测器5信号响应为尖峰(即图3探测器信号尖峰)；控制电路10内设置比较电平，种子光探测器5探测到的信号尖峰幅度达到比较电平的电压时，Q开关6被触发打开，如图3中Q开关6打开的矩形脉冲；Q打开后从激光器被种子光9诱导，输出单频脉冲光8。

“不满足输出条件的种子光”不会从腔内输出，即不满足条件的光线会被相干减弱，直至消失，所以种子光探测器5收集不到光信号，对应在种子光探测器5上的信号为图3中探测器信号尖峰之外的平坦区域——即没有光信号响应，信号值为0。

以1.6μm种子激光为例，压电陶瓷12位移1μm时可以满足500Hz注入锁定脉冲光输出需求。根据以上计算，应用本发明的腔长调节装置，PZT在相同功率情况下，腔输出单频脉冲光8的频率可以提升到2kHz。

如图4所示，本发明提供的一种激光器的激光输出方法，所述激光器的激光输出方法应用于如上述的激光器，所述激光器的激光输出方法包括：

步骤401：控制Q开关关闭，注入种子光。Q开关关闭，种子光由一级衍射方向注入线型腔。当Q开关关闭时，种子光通过Q开关的衍射级注入线型谐振腔，当Q开关时，种子光无法注入。

步骤402：控制腔长调节装置中的压电陶瓷振动。

步骤403：获取种子光探测器探测的种子光。

步骤404：判断所述种子光探测器是否探测到种子光，得到第一判断结果。若所述第一判断结果表示所述种子光探测器探测到种子光，则执行步骤405，若所述第一判断结果表示所述种子光探测器未探测到种子光，则返回步骤402。

步骤405：控制Q开关打开以实现输出腔镜输出单频脉冲光。

步骤404，具体包括：

获取压电陶瓷的扫描电压。

判断所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值是否大于比较电平，得到第二判断结果。

若所述第二判断结果表示所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值大于比较电平，则判断所述峰值是否为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号；得到第三判断结果。

若所述第三判断结果表示所述峰值为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号，则确定种子光探测器探测到种子光。

若所述第三判断结果表示所述峰值不为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号，则返回步骤“获取种子光探测器探测的种子光”。

若所述第二判断结果表示所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值小于或者等于比较电平，则返回步骤“获取种子光探测器探测的种子光”。

其中，种子光探测器探测的信号为峰值时，对应的种子光的干涉环为亮斑。

本发明主要应用在远距离激光测风雷达领域。远距离激光测风雷达的光源为固体注入锁定单频激光器。固体注入锁定单频激光器的脉冲频率越高，雷达的探测能力越强。本发明提供的装置及方法在压电陶瓷额定功率不变的情况下，大大提高线型腔注入锁定激光器输出单频脉冲激光的重频。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种腔长调节装置，其特征在于，包括：第一腔长调节反射镜、第二腔长调节反射镜和压电陶瓷；

所述第一腔长调节反射镜的反射面和所述第二腔长调节反射镜的反射面相对设置；所述压电陶瓷设置在所述第一腔长调节反射镜上；所述压电陶瓷用于产生具有垂直第一腔长调节反射镜方向的振动，以调节所述第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜之间的距离。

2.根据权利要求1所述的腔长调节装置，其特征在于，所述压电陶瓷粘贴在所述第一腔长调节反射镜或者所述第二腔长调节反射镜的非反射面上。

3.根据权利要求1所述的腔长调节装置，其特征在于，所述第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜平行设置。

4.根据权利要求1所述的腔长调节装置，其特征在于，光在所述第一腔长调节反射镜和所述第二腔长调节反射镜之间的反射次数大于或者等于2。

5.根据权利要求1所述的腔长调节装置，其特征在于，所述腔长调节装置还包括控制电路；所述控制电路与所述压电陶瓷连接；所述控制电路用于控制所述压电陶瓷产生振动。

6.一种线型谐振腔，其特征在于，包括：全反射腔镜、如权利要求1-5任意一项所述的腔长调节装置、Q开关、输出腔镜、种子光探测器和控制电路；

所述腔长调节装置和所述Q开关依次设置在所述全反射腔镜到所述输出腔镜之间的光路上；所述种子光探测器设置在所述腔长调节装置中的第一腔长调节反射镜的非反射面侧或第二腔长调节反射镜的非反射面侧；所述种子光探测器用于探测所述第一腔长调节反射镜或第二腔长调节反射镜透射出的种子光；

所述全反射腔镜透射的泵浦光经过增益介质，产生振荡光，所述振荡光经过所述腔长调节装置，在所述腔长调节装置中的第一腔长调节反射镜和第二腔长调节反射镜之间进行多次反射，当所述种子光探测器探测到种子光时，触发Q开关，使振荡光从输出腔镜输出。

7.根据权利要求6所述的线型谐振腔，其特征在于，所述线型谐振腔为折叠腔、L型腔或者U型腔。

8.一种激光器，其特征在于，包括：泵浦光、增益介质和如权利要求6-7所述的线型谐振腔；

所述增益介质设置在所述线型谐振腔的全反射腔镜和腔长调节装置之间之间；所述增益介质在泵浦光的激励下产生振荡光，所述振荡光在所述线型谐振腔内振荡。

9.一种激光器的激光输出方法，其特征在于，所述激光器的激光输出方法应用于如权利要求8所述的激光器，所述激光器的激光输出方法包括：

控制Q开关关闭，注入种子光；

控制腔长调节装置中的压电陶瓷振动；

获取种子光探测器探测的种子光；

判断所述种子光探测器是否探测到种子光，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述种子光探测器探测到种子光，则控制Q开关打开以实现输出腔镜输出单频脉冲光；

若所述第一判断结果表示所述种子光探测器未探测到种子光，则返回步骤“控制腔长调节装置中的压电陶瓷振动”。

10.根据权利要求9所述的激光器的激光输出方法，其特征在于，所述判断所述种子光探测器是否探测到种子光，得到第一判断结果，具体包括：

获取压电陶瓷的扫描电压；

判断所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值是否大于比较电平，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值大于比较电平，则判断所述峰值是否为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号；得到第三判断结果；

若所述第三判断结果表示所述峰值为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号，则确定种子光探测器探测到种子光；

若所述第三判断结果表示所述峰值不为对应所述压电陶瓷的扫描电压下降沿的第一个峰值信号，则返回步骤“获取种子光探测器探测的种子光”；

若所述第二判断结果表示所述种子光探测器探测的种子光信号的峰值小于或者等于比较电平，则返回步骤“获取种子光探测器探测的种子光”。

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