CN113471803A - 脉冲输出可调的声光调q固体激光器及脉冲激光产生方法 - Google Patents

脉冲输出可调的声光调q固体激光器及脉冲激光产生方法 Download PDF

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Abstract

一种脉冲输出可调的声光调Q固体激光器及脉冲激光产生方法，该声光调Q固体激光器包括：振荡级模块，用于被泵浦持续产生激光；可编程信号发生器，用于产生模拟信号；声光Q驱动器，用于接收所述可编程信号发生器产生的模拟信号，产生台阶状的射频信号；声光Q开关，用于接收所述声光Q驱动器产生的射频信号，并基于所述射频信号对所述振荡级模块产生的连续激光进行调制，使其转变为脉冲激光。

Description

脉冲输出可调的声光调Q固体激光器及脉冲激光产生方法
技术领域
本发明涉及固体激光器的搭建、声光Q开关驱动器的射频信号调制方法领域，特别涉及脉冲输出可调的声光调Q固体激光器及脉冲激光产生方法。
背景技术
双脉冲激光在激光诱导击穿光谱技术领域具有重要的应用前景，可以增强产生的等离子体光谱强度和延长发光时间，提高检测精度。同时在激光医疗领域比如治疗肿瘤、去除结石胃石等方面也具有重要的应用，但目前还未见到将双脉冲激光应用在激光清洗领域的报道，主要原因在于，一般的清洗用单脉冲固体激光器存在高能量下不宜光纤传输、损伤光学镜面等问题，且相关双脉冲激光输出系统尚且存在结构复杂，不能实现同时具有高功率和高重复频率参数的双脉冲或多脉冲固体激光输出等问题。因此，存在对激光器进行优化的需要。
相关的双脉冲固体激光器，具有以下不足之处：在采用电光调Q开关器件，改变晶体或者液体中的电光效应进行调控输出双脉冲激光的方案中，此方式控制高功率激光时需要数千伏的工作电压，同时必须使用1/4波片才能形成稳定起振的激光器谐振腔，1/4波片的使用大幅降低了谐振腔激光平均功率的提高；在采用两个谐振腔来输出双脉冲激光的方案中，不能输出多个脉冲，如果实现多脉冲输出，需要增加谐振腔数量，增加系统复杂度；前述两种方案均不能实现同时具有高功率(百瓦级)和高重复频率(千赫兹，简写为kHz)参数的双脉冲或多脉冲固体激光输出。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供脉冲输出可调的声光调Q固体激光器及脉冲激光产生方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的第一个方面，提供了一种脉冲输出可调控的声光调Q固体激光器，包括：振荡级模块，用于持续产生激光；可编程信号发生器，用于产生模拟信号；声光Q驱动器，用于接收所述可编程信号发生器产生的模拟信号，产生台阶状的射频信号；声光Q开关，用于接收所述声光Q驱动器产生的射频信号，并基于所述射频信号对所述振荡级模块产生的激光进行调制，使其转变为脉冲光。
作为本发明的第二个方面，提供了一种利用如上所述的声光调Q固体激光器产生脉冲激光的方法包括：利用振荡级模块产生激光；利用可编程信号发生器，产生模拟信号；利用声光Q驱动器接收模拟信号，使其产生台阶状的射频信号；将所述声光Q驱动器产生的射频信号作用于声光Q开关；利用所述声光Q开关内的压电换能器将所述台阶状的射频信号的电能转换为对应不同台阶高度及不同持续时间的超声波能；利用所述声光Q开关内的声光晶体根据超声波能的强度调制所述声光晶体对激光的衍射效率，从而对所述振荡级模块产生的激光进行调制，使其转变为子脉冲个数、能量比例和间隔时间可调控的脉冲光。
从上述技术方案可以看出，本发明的脉冲输出可调的声光调Q固体激光器及脉冲激光产生方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
本发明的脉冲输出可调控的声光调Q固体激光器，通过将可编程信号发生器产生的模拟信号作用到声光Q驱动器，使声光Q驱动器产生台阶状的射频信号传输至声光Q开关，声光Q开关基于接收到台阶状的射频信号后对振荡级模块产生的激光进行调制，使其转变为脉冲个数、能量比例以及子脉冲间隔均可进行调控的脉冲光，进而使声光调Q固体激光器输出子脉冲个数、能量比例以及子脉冲间隔均可进行调控的脉冲激光。
基于本发明的声光调Q固体激光器输出脉冲激光的前述可调控性，可以同时实现高功率和高重复频率参数的双脉冲或多脉冲固体激光输出，可以在光学镜片或者光纤断面损伤阈值一定的前提下，将可输入能量提升多倍，有效解决激光清洗应用中大能量损伤的问题。
附图说明
图1是本发明的实施例中声光调Q固体激光器的结构示意图；
图2是本发明的实施例中声光调Q固体激光器输出双脉冲的原理图；
图3是本发明的实施例中测试出的射频信号波形图与设想中的射频信号波形图的对比，其中(a)为设想中的射频信号波形图，(b)为测试出的射频信号波形图；
图4是本发明的实施例中实现的双脉冲激光波形图。
附图标记说明
1 全反射镜片
2 振荡级模块
3 声光Q开关
4 激光输出镜片
5 光束扩束镜片组
6 硬光路传输准直输出镜片组
7 声光Q开关驱动器
8 可编程信号发生器
9 驱动电源
具体实施方式
在实施本发明的过程中发现，通过对固体激光器的结构进行优化，使固体激光器产生双脉冲或者多脉冲激光，可以有效解决目前激光清洗用固体激光器存在的高能量下不宜光纤传输、损伤光学镜面等问题。
由此，本发明创造性地提出了一种脉冲输出可调控的声光调Q固体激光器及脉冲光产生方法，目的在于通过对固体激光器进行优化，使固体激光器的激光经声光Q开关调制后能够产生脉冲光，进而谐振输出脉冲激光。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的实施例，提供了一种脉冲输出可调控的声光调Q固体激光器，包括：振荡级模块，用于持续产生激光；可编程信号发生器，用于产生模拟信号；声光Q驱动器，用于接收可编程信号发生器产生的模拟信号，产生台阶状的射频信号；声光Q开关，用于接收声光Q驱动器产生的射频信号，并基于射频信号对振荡级模块产生的激光进行调制，使其转变为脉冲激光。
可以理解，声光Q开关主要由压电换能器、声光晶体(一般为熔融石英体)和吸声材料所组成。通常利用压电换能器将射频信号的电能转换成超声波能，并施加在声光晶体上使其折射率发生周期性变化，从而对入射光起衍射作用，当无超声波通过时，声光晶体即回到高透射率的状态，激光器就发射出一个脉冲。而在本发明中，通过选择可以接受模拟信号输入的声光Q开关驱动器，使声光Q开关驱动器在接受特定的模拟调制信号之后可以输出台阶状的射频信号，射频信号的强度影响声光Q开关中的压电换能器施加在声光晶体上的超声波功率，进而影响声光晶体对激光的衍射效率，进而影响声光Q开关的衍射能力，从而在台阶状的射频信号调制下可以实现双脉冲光或多脉冲光的输出。也就是说通过控制射频信号强度就可以实现控制Bragg衍射光强度，可以在一个泵浦周期内进行两次或多次脉冲输出，通过调节射频信号台阶宽度可调节子脉冲间隔。通过调节射频信号台阶高度比例可实现子脉冲能量比例可调。本发明的激光器重复频率大于1kHz-20kHz，子脉冲间隔500ns-10us，功率可达100W以上。
根据本发明的实施例，振荡级模块可选择但不限于LD侧泵的4mm*160mmNd：YAG晶体棒的模块。
根据本发明的实施例，声光Q开关驱动器的工作频率为50MHZ，电脉冲下降时间≤120ns。选择工作频率尽量高的声光Q开关驱动器，保证可以输出多个台阶状射频信号的同时保证光路的关断，越高的工作频率会使声光Q开关具有越强的关断能力，因此选择工作频率为50MHz的声光Q开关驱动器。
根据本发明的实施例，声光调Q固体激光器还包括全反射镜片和激光输出镜片，分别置于振荡级模块两侧并呈对称共线设置；在全反射镜片和激光输出镜片之间形成谐振腔；声光Q开关位于振荡级模块和激光输出镜片之间或者位于振荡级模块和全反射镜片之间，声光Q开关产生的脉冲激光在谐振腔内振荡后通过激光输出镜片输出。谐振腔长度为400nm，此长度的谐振腔较稳定且转化率较高。全反射镜对1064nm波长的光的反射率为100％。
根据本发明的实施例，激光输出镜片的激光透过率为40％-70％。
根据本发明的实施例，声光调Q固体激光器还包括：光束扩束镜片组，用于对激光输出镜片输出的脉冲激光进行扩束整形。扩束镜模组根据实际需求可选但不限于f＝-50mm与f＝100mm球面镜组成的1：2扩束系统。
根据本发明的实施例，声光调Q固体激光器还包括：硬光路传输准直输出镜片组，用于将光束扩束镜片组输出的扩束整形后的激光进行硬光路传输；或者光纤传输耦合镜片组，用于将光束扩束镜片组输出的扩束整形后的激光耦合至光纤进行传输。
根据本发明的实施例，声光调Q固体激光器还包括：驱动电源，用于为振荡级模块提供泵浦电流，从而对振荡级模块产生的激光的功率进行调节；其中，驱动电源通过调节振荡级模块的泵浦电流来调节振荡级模块的泵浦功率，进而可以调节振荡级模块的激光输出功率。
根据本发明的实施例，还提供了一种利用如上所述的声光调Q固体激光器产生脉冲激光的方法，包括：利用振荡级模块产生激光；利用可编程信号发生器，产生模拟信号；利用声光Q驱动器接收所述模拟信号，使其产生台阶状的射频信号，将声光Q驱动器产生的射频信号作用于声光Q开关；利用所述声光Q开关内的压电换能器将所述台阶状的射频信号的电能转换为对应不同台阶高度及不同持续时间的超声波能；利用声光Q开关内的声光晶体根据超声波能的强度调制所述声光晶体对激光的衍射效率，从而对所述振荡级模块产生的激光进行调制，使其转变为子脉冲能量、个数及间隔可调的脉冲激光。
根据本发明的实施例，产生脉冲激光的方法还包括，利用驱动电源为所述振荡级模块提供泵浦电流，从而对所述振荡级模块产生的激光的功率进行调节。
根据本发明的实施例，台阶状射频信号的强度根据泵浦电流的大小随时调整，每个台阶的长度应与所需子脉冲间隔时间同步。
以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
实施例1
以下结合图1和图2，来说明本发明的声光调Q固体激光器产生多脉冲激光原理。
图1是本发明的实施例中声光调Q固体激光器的结构示意图。如图1所示，声光调Q固体激光器，包括：
振荡级模块2，用于持续产生激光；可编程信号发生器8，用于产生模拟信号；声光Q驱动器7，用于接收可编程信号发生器8产生的模拟信号，产生台阶状的射频信号；声光Q开关3，用于接收声光Q驱动器7产生的射频信号，并基于射频信号对振荡级模块2产生的激光进行调制，使其转变为脉冲激光；驱动电源9，用于为振荡级模块2提供泵浦电流，从而对振荡级模块2产生的激光的功率进行调节，驱动电源9通过调节泵浦电流来调节振荡级模块的泵浦功率，进而调节振荡级模块产生激光的功率。声光调Q固体激光器还包括全反射镜片1和激光输出镜片4，分别置于振荡级模块2两侧并呈对称共线设置；在全反射镜片1和激光输出镜片4之间形成谐振腔；声光Q开关3位于振荡级模块2和激光输出镜片4之间，尽量紧靠振荡级模块2，使声光Q开关3微调角度可以对光路进行完全关断；声光Q开关调制产生的脉冲激光在谐振腔内振荡后通过激光输出镜片输出。声光调Q固体激光器还包括：光束扩束镜片组5，用于对激光输出镜片输出的脉冲激光进行扩束整形；以及硬光路传输准直输出镜片组6，用于将光束扩束镜片组5输出的扩束整形后的激光进行硬光路传输。图2是本发明的实施例中声光调Q固体激光器输出双脉冲的原理图。声光Q开关的工作原理为：通过施加高电平的射频信号，声光Q开关3内声光晶体的衍射效率较高，此时声光Q开关3对谐振腔激光进行关断，同时，由于声光Q开关3的声光晶体的衍射作用，增加谐振腔的衍射损耗，由于振荡级模块中的激光二极管(LD)对Nd：YAG晶体棒持续进行泵浦，因此在振荡级模块2会积累大量的反转粒子数。若此时切断施加的射频信号，声光晶体回到高透射率状态，声光Q开关3内声光晶体不再对激光进行衍射，使衍射损耗降低，反转粒子数会向低能级跃迁，从而使谐振腔内瞬时输出一个脉冲激光。
如图2所示，在射频信号的第一个台阶处，声光Q开关3的声光晶体的衍射效率较高，即衍射损耗较高，谐振腔处在低Q值状态。当施加的射频信号强度部分减弱，即在射频信号下降到第二个台阶处，此时，衍射效率随之降低，使谐振腔内瞬时输出一个脉冲；随后在第二个射频信号的台阶持续时间内，振荡级模块2的LD持续泵浦，继续积累反转粒子数，待射频信号强度再次降低时，衍射效率随之降低，形成第二脉冲，完成了在一个周期内的两次脉冲输出。以此类推，可以利用此种控制方法，设计多台阶的射频信号输出影响声光Q开关3对激光的衍射，进而得到多脉冲。
可编程信号发生器8将合适的模拟调制信号输入声光Q开关驱动器7，会输出对应台阶状的射频信号，如图2所示，射频信号中第一个台阶宽度代表谐振腔内反转粒子数积累时间，第二个及以后台阶的宽度决定子脉冲产生的时间间隔，台阶宽度越宽，子脉冲产生的时间间距越长。通过调整台阶宽度可以实现子脉冲间隔范围为500ns-10us。声光Q驱动器输出的射频信号第一个台阶电压值为3V，第二个台阶电压范围为1.5-2.5V，第二个台阶宽度范围为500ns-10us。通过调整射频信号每个台阶的高度比例可以来调整子脉冲间的能量比例。调节射频信号台阶高度可以实现子脉冲能量比例范围1∶1-1∶0.7。
图3是本发明的实施例中测试出的射频信号波形图与设想中的射频信号波形图的对比。如图3所示，测试出的射频信号波形图和设想中的射频信号波形图高度相似，图中实现的为频率10kHz下的射频信号。
图4是本发明的实施例中实现的双脉冲激光波形图，左图中可以看出，本激光器输出了重复频率为5kHz的脉冲激光，右图为局部放大的脉冲，可以看到，输出的双脉冲激光的子脉冲间隔约为500ns。从图4可以看出，本发明的脉冲输出可调控的声光调Q固体激光器可产生双脉冲激光，且单次脉冲激光的脉宽为70ns。本发明可以在光学镜片或者光纤断面损伤阈值一定的前提下，理论上可以将输入能量提升多倍，有效解决激光清洗应用中大能量损伤的问题。
由此可见，本发明的声光调Q固体激光器，子脉冲个数、能量比例以及子脉冲间隔均可调控。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲输出可调的声光调Q固体激光器，包括：
振荡级模块，用于持续产生激光；
可编程信号发生器，用于产生模拟信号；
声光Q驱动器，用于接收所述可编程信号发生器产生的模拟信号，产生台阶状的射频信号；
声光Q开关，用于接收所述声光Q驱动器产生的射频信号，并基于所述射频信号对所述振荡级模块产生的激光进行调制，使其转变为脉冲激光。
2.如权利要求1所述的声光调Q固体激光器，其中，
所述声光Q开关驱动器的工作频率为50MHZ，电脉冲下降时间≤120ns。
3.如权利要求1所述的声光调Q固体激光器，其中，所述声光调Q固体激光器还包括全反射镜片和激光输出镜片，分别置于所述振荡级模块两侧并呈对称共线设置；在所述全反射镜片和所述激光输出镜片之间形成谐振腔；
所述声光Q开关位于所述振荡级模块和所述激光输出镜片之间或者位于所述振荡级模块和所述全反射镜片之间，所述声光Q开关调制产生的脉冲激光在所述谐振腔内振荡后通过激光输出镜片输出。
4.如权利要求3所述的声光调Q固体激光器，其中，所述激光输出镜片的激光透过率为40％-70％。
5.如权利要求3所述的声光调Q固体激光器，其中，所述谐振腔长度为400mm。
6.如权利要求3所述的声光调Q固体激光器，其中，所述声光调Q固体激光器还包括：
光束扩束镜片组，用于对所述激光输出镜片输出的脉冲激光进行扩束整形。
7.如权利要求6所述的声光调Q固体激光器，其中，所述声光调Q固体激光器还包括：
硬光路传输准直输出镜片组，用于将所述光束扩束镜片组输出的扩束整形后的激光进行硬光路传输；或者
光纤传输耦合镜片组，用于将所述光束扩束镜片组输出的扩束整形后的激光耦合至光纤进行传输。
8.如权利要求1所述的声光调Q固体激光器，其中，所述声光调Q固体激光器还包括：
驱动电源，用于为所述振荡级模块提供泵浦电流，所述驱动电源通过调节所述泵浦电流来调节所述振荡级模块的泵浦功率，进而调节所述振荡级模块产生激光的功率。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的声光调Q固体激光器产生脉冲激光的方法，包括：
利用振荡级模块产生激光；
利用可编程信号发生器，产生模拟信号；
利用声光Q驱动器接收所述模拟信号，使其产生台阶状的射频信号，将所述声光Q驱动器产生的射频信号作用于声光Q开关；
利用所述声光Q开关内的压电换能器将所述台阶状的射频信号的电能转换为对应不同台阶高度及不同持续时间的超声波能；
利用所述声光Q开关内的声光晶体根据超声波能的强度调制所述声光晶体对激光的衍射效率，从而对所述振荡级模块产生的激光进行调制，使其转变为子脉冲能量、个数及间隔可调的脉冲激光。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括，利用驱动电源为所述振荡级模块提供泵浦电流，从而对所述振荡级模块产生的激光的功率进行调节；
所述台阶状射频信号其每个台阶的强度根据所述泵浦电流的大小随时调整，每个台阶的长度与所需子脉冲间隔时间同步。
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