CN113451871A - 一种快速启动中红外激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开公开了一种快速启动中红外激光器，所述激光器直腔内从左至右依次放置有808nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、1064nm抽运光全反镜、Nd:YVO4晶体、1064nm抽运光输出镜、第三聚焦镜、第一45度分束镜、晶体承载轮盘和第二45度分束镜；折形腔内放置有第三45度分束镜和第四45度分束镜；所述单片机与所述温度传感器和步进电机连接；所述步进电机与所述单片机和晶体承载轮盘连接。

Description

一种快速启动中红外激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种快速启动中红外激光器。
背景技术
3.8μm中红外激光是重要的大气投射窗口波段，这个波段的激光被广泛运用于光谱分析、医疗诊断、遥感探测、光电对抗等军民领域，3.8μm中红外激光已经成为当前的研究重点之一。
在固体激光器领域，常用的激光晶体包括掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)和掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)，常用的参量变频晶体包括周期性极化铌酸锂(PPLN)和三硼酸锂(LBO)。
目前传统的中红外激光器在启动时往往需要一段预热时间，虽然根据不同的体制，激光器启动的时间也不同，但基本都不能快速输出所需波段的激光，因此不能够快速适应复杂的环境。
周期性极化铌酸锂晶体的双折射对温度感应比较灵敏，PPLN晶体在不同温度下，会发生温度调谐现象，会输出不同波长的中红外激光，并且不同极化周期的PPLN晶体在同一温度下，也会输出不同波长的中红外激光。
传统的多晶体切换装置切换反应慢、可承载的晶体数量少、环境温度感应匹配性差，因此发明一种结构紧凑新颖、温度环境匹配性高、多晶体切换迅速、可安装大量的不同周期极化晶体的温度反馈式轮式装置具有重要的实际意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种快速启动中红外激光器。本发明提供的快速启动中红外激光器通过温度传感器实时反馈的环境温度数据，通过单片机快速分析温度数据进行晶体周期的匹配并向步进电机驱动器发送调制信号，通过步进电机精准地转动轮盘，使得极化周期与所测温度相匹配的参量变频晶体到达准确的空间位置，进而快速输出3.8μm中红外激光，解决了目前快速启动中红外激光器结构复杂、集成化程度低的问题。
本发明提供的一种快速启动中红外激光器包括808nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、1064nm抽运光全反镜、Nd:YVO4晶体、1064nm抽运光输出镜、第三聚焦镜、第一45度分束镜、晶体承载轮盘、第二45度分束镜、第三45度分束镜、第四45度分束镜、步进电机、单片机、温度传感器、多块MgO:PPLN晶体，其中：
所述快速启动中红外激光器的直腔内从左至右依次放置有808nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、1064nm抽运光全反镜、Nd:YVO4晶体、1064nm抽运光输出镜、第三聚焦镜、第一45度分束镜、晶体承载轮盘和第二45度分束镜；
所述快速启动中红外激光器的折形腔内放置有第三45度分束镜和第四45度分束镜，其中，第三45度分束镜和第四45度分束镜的位置互相对称，所述第三45度分束镜和第四45度分束镜与第一45度分束镜和第二45度分束镜组成四镜环形腔；
所述温度传感器用于感应所述快速启动中红外激光器所处的环境温度并向所述单片机发送电信号；
所述单片机与所述温度传感器和步进电机连接，用于接收并分析所述温度传感器反馈的温度数据，以匹配相应极化周期的MgO:PPLN晶体，向所述步进电机发送脉冲信号，以控制所述步进电机的转速，使其进行旋转定位；
所述步进电机与所述单片机和晶体承载轮盘连接，用于在接收到所述单片机发送的脉冲信号时带动所述晶体承载轮盘转动至目标位置。
可选地，所述晶体承载轮盘、步进电机、单片机、温度传感器与MgO:PPLN晶体构成温度反馈式轮式结构。
可选地，所述1064nm抽运光全反镜、所述Nd:YVO4晶体与所述1064nm抽运光输出镜构成1064nm激光谐振腔。
可选地，所述第一45度分束镜、晶体承载轮盘、第二45度分束镜、第三45度分束镜、第四45度分束镜与MgO:PPLN晶体构成中红外参量振荡腔。
可选地，所述第一聚焦镜和第二聚焦镜用于构成变焦耦合系统，以调节聚焦于所述Nd:YVO4晶体的端面的光斑的大小。
可选地，所述Nd:YVO4晶体用于作为产生1064nm抽运光的增益介质，其在所述808nm泵浦光的泵浦作用下，在激光谐振腔中振荡产生1064nm抽运光。
可选地，所述MgO:PPLN晶体用于在所述1064nm抽运光的泵浦作用下，在参量振荡腔中参与非线性变换过程，输出3.8μm中红外参量光。
可选地，所述1064nm抽运光全反镜用于透射所述808nm泵浦光，反射1064nm抽运光；和/或，
所述1064nm抽运光输出镜用于出射1064nm抽运光；和/或，
所述第三聚焦透镜用于将1064nm抽运光聚焦至所述MgO:PPLN晶体的端面处；和/或，
所述第一45度分束镜用于透射所述1064nm抽运光，反射中红外参量光。
可选地，所述晶体承载轮盘用于承载多块所述MgO:PPLN晶体。
可选地，所述第二45度分束镜用于透射中红外参量光，反射1064nm抽运光至所述第四45度分束镜；和/或，
所述第四45度分束镜用于反射所述1064nm抽运光和中红外参量光至所述第三45度分束镜；和/或，
所述第三45度分束镜用于反射所述1064nm抽运光和中红外参量光至所述第一45度分束镜。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明相比于传统多晶体切换结构，由于轮盘式结构的特殊性，可以容纳更多数量的参量变频晶体，晶体承载轮盘的转动角度也随之变小，在小体积内实现了激光器对更大环境温度范围的匹配覆盖，实现了3.8μm中红外激光快速而稳定的输出，克服了传统中红外激光器结构复杂、调节困难的缺点，推动快速启动中红外激光器向着小型化、高稳定、集成化的方向发展。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的一种快速启动中红外激光器的结构示意图。
图2为根据本发明另一实施例的一种快速启动中红外激光器的结构示意图。
图3为根据本发明一实施例的一种温度反馈轮式装置的结构示意图。
图4为根据本发明另一实施例的一种温度反馈轮式装置的结构示意图。
各附图标记所指代的结构组件为：
1：808nm半导体激光器；2：传能光纤；3：第一聚焦镜；4：第二聚焦镜；5：1064nm抽运光全反镜；6：Nd:YVO4晶体；7：1064nm抽运光输出镜；8：第三聚焦镜；9：第一45度分束镜；10：晶体承载轮盘；11：第二45度分束镜；12：第三45度分束镜；13：第四45度分束镜；14：步进电机；15：单片机；16：温度传感器；17：MgO:PPLN晶体
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本公开实施例的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。
在本公开实施例中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开实施例。
图1为根据本发明一实施例的一种快速启动中红外激光器的结构示意图，如图1所示，所述快速启动中红外激光器包括808nm半导体激光器1、传能光纤2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、1064nm抽运光全反镜5、Nd:YVO4晶体6、1064nm抽运光输出镜7、第三聚焦镜8、第一45度分束镜9、晶体承载轮盘10、第二45度分束镜11、第三45度分束镜12、第四45度分束镜13、步进电机14、单片机15、温度传感器16、多块MgO:PPLN晶体17，其中：
所述快速启动中红外激光器的直腔内从左至右依次放置有808nm半导体激光器1、传能光纤2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、1064nm抽运光全反镜5、Nd:YVO4晶体6、1064nm抽运光输出镜7、第三聚焦镜8、第一45度分束镜9、晶体承载轮盘10和第二45度分束镜11；
所述快速启动中红外激光器的折形腔内放置有第三45度分束镜12和第四45度分束镜13，其中，第三45度分束镜12和第四45度分束镜13的位置互相对称，所述第三45度分束镜12和第四45度分束镜13与第一45度分束镜9和第二45度分束镜11组成四镜环形腔；
所述温度传感器16用于感应所述快速启动中红外激光器所处的环境温度并向所述单片机15发送电信号；
所述单片机15与所述温度传感器16和步进电机14连接，用于接收并分析所述温度传感器16反馈的温度数据，以匹配相应极化周期的MgO:PPLN晶体17，向所述步进电机14发送脉冲信号，以控制所述步进电机14的转速，使其进行精确的旋转定位；
所述步进电机14与所述单片机15和晶体承载轮盘10连接，用于在接收到所述单片机15发送的脉冲信号时带动所述晶体承载轮盘10转动到合适的位置；
所述MgO:PPLN晶体17卡在预设金属夹具中并安置在所述晶体承载轮盘10中。
在本发明一实施例中，所述晶体承载轮盘10、步进电机14、单片机15、温度传感器16与MgO:PPLN晶体17构成一套温度反馈式轮式结构。
在本发明一实施例中，所述1064nm抽运光全反镜5、所述Nd:YVO4晶体6与所述1064nm抽运光输出镜7构成1064nm激光谐振腔；所述第一45度分束镜9、晶体承载轮盘10、第二45度分束镜11、第三45度分束镜12、第四45度分束镜13与MgO:PPLN晶体17构成中红外参量振荡腔。
具体地：
所述808nm半导体激光器1用于发射808nm泵浦光。
所述传能光纤2用于将所述808nm泵浦光依次传导至所述第一聚焦镜3和第二聚焦镜4。
所述第一聚焦镜3和第二聚焦镜4用于构成变焦耦合系统，以调节聚焦于所述Nd:YVO4晶体6的端面的光斑的大小，比如可将所述808nm泵浦光调节为半径为400μm的泵浦光斑，透过所述1064nm抽运光全反镜5聚焦于所述Nd:YVO4晶体6的左端面。
所述1064nm抽运光全反镜5用于透射所述808nm泵浦光，反射1064nm抽运光；
所述Nd:YVO4晶体6用于作为产生1064nm抽运光的增益介质，其在所述808nm泵浦光的泵浦作用下，在激光谐振腔中振荡产生1064nm抽运光。
所述1064nm抽运光输出镜7用于出射1064nm抽运光；
所述第三聚焦透镜8用于将1064nm抽运光聚焦至所述MgO:PPLN晶体17的端面处；
所述第一45度分束镜9用于透射所述1064nm抽运光，反射中红外参量光；
所述晶体承载轮盘10用于承载多块所述MgO:PPLN晶体17；
所述第二45度分束镜11用于透射中红外参量光，反射1064nm抽运光至所述第四45度分束镜13；
所述第四45度分束镜13用于反射所述1064nm抽运光和中红外参量光至所述第三45度分束镜12；
所述第三45度分束镜12用于反射所述1064nm抽运光和中红外参量光至所述第一45度分束镜9；
所述温度传感器16的测温范围为-60～260℃；
所述MgO:PPLN晶体17用于在所述1064nm抽运光的泵浦作用下，在参量振荡腔中参与非线性变换过程，最终输出3.8μm中红外参量光。
在本发明一实施例中，所述808nm半导体激光器1的波长为808nm，纤芯半径为200μm、数值孔径0.22。
在本发明一实施例中，所述1064nm抽运光全反镜5为平平镜，镀有808nm高透膜，1064nm高反膜。
在本发明一实施例中，所述Nd:YVO4晶体6(掺钕钒酸钇)采用a轴切割，尺寸为：厚×宽×长＝3mm×3mm×16mm，Nd3+离子掺杂浓度设置为0.25％，所述Nd:YVO4晶体的两端镀有808nm和1064nm增透膜。所述Nd:YVO4晶体侧面包裹有一层铟箔卡在一块紫铜热沉中，通过外部水冷装置循环制冷进行温度控制，温度控制在20℃。
在本发明一实施例中，所述1064nm抽运光输出镜7为平平镜，镀有1064nm高透膜，808nm高反膜。
在本发明一实施例中，所述第三聚焦镜8为凸凸镜，镀有1064高透膜。
在本发明一实施例中，所述第一45度分束镜9镀有45度角膜，1064nm高透膜，3.7～4.2μm高反膜。
在本发明一实施例中，所述第二45度分束镜11镀有45度角膜，1064nm高反膜，3.7～4.2μm高透膜。
本发明一实施例中，所述第三45度分束镜12镀有45度角膜，1064nm高反膜，3.7～4.2μm高反膜。
在本发明一实施例中，所述第四45度分束镜13镀有45度角膜，1064nm高反膜，3.7～4.2μm高反膜。
在本发明一实施例中，所述MgO:PPLN晶体17采用a轴切割，尺寸为：厚×宽×长＝1mm×10mm×40mm，MgO掺杂浓度设置为5％，两端镀有多色增透膜，比如对3.7～4.2μm波段参量光增透。本发明由于采用多晶体设计，因此具有多块不同极化周期的所述MgO:PPLN晶体17被采用，极化周期长度范围覆盖了28～32μm。
其中，图3为根据本发明一实施例的一种温度反馈轮式装置的结构示意图，图4为根据本发明另一实施例的一种温度反馈轮式装置的结构示意图，如图3和图4所示，所述晶体承载轮盘10上可以安装内外两圈的所述MgO:PPLN晶体17，且通光位置互不干扰，其中，所述1064nm抽运光能够不受干扰的透射过所述MgO:PPLN晶体17时的位置为正确的，或者说是目标通光位置。MgO:PPLN晶体的数量越多，所述步进电机14旋转的角度就越小，晶体切换的速度也就越快。
基于上述技术方案，所述808nm半导体激光器1发射波长为808nm的泵浦光，所述808nm泵浦光透过所述传能光纤2、第一聚焦镜3、第二聚焦镜4、1064nm抽运光全反镜5以后由左端聚焦至所述Nd:YVO4晶体6中，构成单端泵浦模式，所述Nd:YVO4晶体6吸收主峰波长的泵浦光后形成粒子数反转，当所述1064nm激光谐振腔中增益大于损耗时，所述Nd:YVO4晶体6受激发射1064nm激光，由所述1064nm抽运光输出镜7输出1064nm抽运光，1064nm抽运光经过所述第三聚焦镜8和第一45度镜9由左端聚焦至所述MgO:PPLN晶体17中，形成单端泵浦模式，1064nm抽运光在中红外参量振荡腔中参与非线性频率变换，输出3.8μm中红外参量光。
其中，图1同时还展示了在某种状态下所述1064nm抽运光和所述3.8μm中红外参量光在所述快速启动中红外激光器中的传播路径以及所述晶体承载轮盘10的空间位置。在此状态下，所述温度传感器16监测环境为20℃，接着向所述单片机15发送温度数据电信号，所述单片机15通过分析温度数据电信号匹配相应极化周期的晶体，由温度调谐算法可知与20℃所匹配的能够输出3.8μm中红外参量光的MgO:PPLN晶体17的极化周期为31μm，因此所述单片机15向步进电机发送控制信号控制所述步进电机14将电脉冲信号转化为角位移，带动所述晶体承载轮盘10转动，使得极化周期为31μm的所述MgO:PPLN晶体17到达光路设定的空间位置，如图1所示，极化周期为31μm的所述MgO:PPLN晶体17位于所述晶体承载轮盘10的内圈，所述1064nm抽运光在所述参量振荡腔中驰豫振荡，当增益大于损耗时，由第二45度分束镜11输出3.8μm中红外参量光。
其中，图2展示了另一种状态下所述1064nm抽运光和所述3.8μm中红外参量光在所述快速启动中红外激光器中的传播路径以及所述晶体承载轮盘10的空间位置。在此状态下，所述温度传感器16监测环境为158.2℃，接着向所述单片机15发送温度数据电信号，所述单片机15通过分析温度数据电信号匹配相应极化周期的晶体，由温度调谐算法可知与158.2℃所匹配的能够输出3.8μm中红外参量光的MgO:PPLN晶体17的极化周期为30μm，因此所述单片机15向步进电机发送控制信号控制所述步进电机14将电脉冲信号转化为角位移，带动所述晶体承载轮盘10转动，使得极化周期为30μm的所述MgO:PPLN晶体17到达光路设定的空间位置，如图2所示，极化周期为30μm的所述MgO:PPLN晶体17位于所述晶体承载轮盘10的外圈，所述1064nm抽运光在所述参量振荡腔中驰豫振荡，当增益大于损耗时，由第二45度分束镜11输出3.8μm中红外参量光。
综上，本发明的目的在于解决快速启动中红外激光器在复杂环境中工作时不能迅速启动并输出所需波段激光以及多晶体切换装置切换反应慢、可承载的晶体数量少、环境温度感应匹配性差的问题。通过在快速启动中红外激光器的直腔和折形腔内分别搭建1064nm激光谐振腔和中红外参量振荡腔，通过温度传感器实时感应环境温度并产生温度数据电信号，通过单片机接收并快速分析温度数据进行晶体的极化周期匹配，通过单片机向步进电机发送调制信号，通过步进电机精准地转动轮盘使得极化周期与所测温度相匹配的MgO:PPLN晶体到达准确的空间位置，从而快速输出3.8μm中红外激光，并且在保证应用指标的同时，实现了不仅能够保证快速启动中红外激光器结构紧凑新颖、环境温度适应性强、输出激光迅速，而且具有多晶体匹配切换便捷和可承载大量不同周期极化晶体的特点的温度反馈轮式机构。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速启动中红外激光器，其特征在于，所述激光器包括808nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、1064nm抽运光全反镜、Nd:YVO4晶体、1064nm抽运光输出镜、第三聚焦镜、第一45度分束镜、晶体承载轮盘、第二45度分束镜、第三45度分束镜、第四45度分束镜、步进电机、单片机、温度传感器、多块MgO:PPLN晶体，其中：
所述快速启动中红外激光器的直腔内从左至右依次放置有808nm半导体激光器、传能光纤、第一聚焦镜、第二聚焦镜、1064nm抽运光全反镜、Nd:YVO4晶体、1064nm抽运光输出镜、第三聚焦镜、第一45度分束镜、晶体承载轮盘和第二45度分束镜；
所述快速启动中红外激光器的折形腔内放置有第三45度分束镜和第四45度分束镜，其中，第三45度分束镜和第四45度分束镜的位置互相对称，所述第三45度分束镜和第四45度分束镜与第一45度分束镜和第二45度分束镜组成四镜环形腔；
所述温度传感器用于感应所述快速启动中红外激光器所处的环境温度并向所述单片机发送电信号；
所述单片机与所述温度传感器和步进电机连接，用于接收并分析所述温度传感器反馈的温度数据，以匹配相应极化周期的MgO:PPLN晶体，向所述步进电机发送脉冲信号，以控制所述步进电机的转速，使其进行旋转定位；
所述步进电机与所述单片机和晶体承载轮盘连接，用于在接收到所述单片机发送的脉冲信号时带动所述晶体承载轮盘转动至目标位置。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述晶体承载轮盘、步进电机、单片机、温度传感器与MgO:PPLN晶体构成温度反馈式轮式结构。
3.根据权利要求1或2所述的激光器，其特征在于，所述1064nm抽运光全反镜、所述Nd:YVO4晶体与所述1064nm抽运光输出镜构成1064nm激光谐振腔。
4.根据权利要求1-3任一所述的激光器，其特征在于，所述第一45度分束镜、晶体承载轮盘、第二45度分束镜、第三45度分束镜、第四45度分束镜与MgO:PPLN晶体构成中红外参量振荡腔。
5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述第一聚焦镜和第二聚焦镜用于构成变焦耦合系统，以调节聚焦于所述Nd:YVO4晶体的端面的光斑的大小。
6.根据权利要求1-5任一所述的激光器，其特征在于，所述Nd:YVO4晶体用于作为产生1064nm抽运光的增益介质，其在所述808nm泵浦光的泵浦作用下，在激光谐振腔中振荡产生1064nm抽运光。
7.根据权利要求1-6任一所述的激光器，其特征在于，所述MgO:PPLN晶体用于在所述1064nm抽运光的泵浦作用下，在参量振荡腔中参与非线性变换过程，输出3.8μm中红外参量光。
8.根据权利要求1-7任一所述的激光器，其特征在于，所述1064nm抽运光全反镜用于透射所述808nm泵浦光，反射1064nm抽运光；和/或，
所述1064nm抽运光输出镜用于出射1064nm抽运光；和/或，
所述第三聚焦透镜用于将1064nm抽运光聚焦至所述MgO:PPLN晶体的端面处；和/或，
所述第一45度分束镜用于透射所述1064nm抽运光，反射中红外参量光。
9.根据权利要求1-8任一所述的激光器，其特征在于，所述晶体承载轮盘用于承载多块所述MgO:PPLN晶体。
10.根据权利要求1-9任一所述的激光器，其特征在于，所述第二45度分束镜用于透射中红外参量光，反射1064nm抽运光至所述第四45度分束镜；和/或，
所述第四45度分束镜用于反射所述1064nm抽运光和中红外参量光至所述第三45度分束镜；和/或，
所述第三45度分束镜用于反射所述1064nm抽运光和中红外参量光至所述第一45度分束镜。
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