CN113889829A - 一种脉宽可调的被动调q激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉宽可调的被动调Q激光器,包括:被动调Q晶体,其设有切割面,激光光路穿过所述切割面并与所述切割面呈预设角度设置。本发明实施例提供的被动调Q激光器通过设置切割面,实现对泵浦激光穿过被动调Q晶体的路径长度的调节,从而可以实现被动调Q激光器的脉宽可调,通过简单的结构设计解决目前被动调Q激光器脉宽适用范围小且无法自主调节的问题。
Description
技术领域
本发明涉及全固态激光输出设备技术领域,特别涉及一种脉宽可调的被动调Q激光器。
背景技术
调Q技术又叫Q开关技术,是将一般输出的连续激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射,从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。目前常用的调Q方式主要有两类:1.通过电光晶体或是声光晶体进行主动调Q;2.是利用具有可饱和吸收性质的晶体,以被动调Q方式来实现。相比于主动调Q方式,被动调Q省略了复杂的驱动电路,大大减少了激光器的体积和成本,因此在许多应用场景中大受欢迎。
然而在现有技术中,常见的被动调Q激光器只能产生脉宽单一的短脉冲激光,适用对象固定,使用范围受限,但是,随着工业生产、军事应用以及基础科研等领域对激光器性能的要求不断提升,很多时候单一脉宽输出已经不能满足现实中的应用需求,因此一种可提供多脉宽选择的被动调Q激光器成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种脉宽可调的被动调Q激光器,通过简单的结构设计,实现对泵浦激光穿过被动调Q晶体的路径长度的调节,从而实现被动调Q激光器的脉宽可调,解决了目前被动调Q激光器由于脉宽单一使得适用范围受限的问题。
为解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种脉宽可调的被动调Q激光器,包括:被动调Q晶体,其设有切割面,激光光路穿过切割面并与切割面呈预设角度设置。通过控制激光光路在切割面的位置,从而控制激光光路穿过被动调Q晶体的路径长度,从而实现脉宽的控制调节。
进一步地,预设角度为28°-30°。通过预设角度的设置,控制激光器的脉宽可调范围,从而决定激光器的使用场景。
进一步地,被动调Q晶体沿激光光路方向的截面呈直角梯形,激光光路垂直于直角边。直角梯形的斜腰为切割面所在位置,泵浦激光穿过并垂直于直角腰所在晶体端面。在具体实施过程中,沿直角腰方向移动被动调Q晶体,使得泵浦激光穿过被动调Q晶体的路径长度发生变化,从而实现对激光器脉宽的改变。
进一步地,被动调Q晶体为Cr:YAG晶体或V:YAG晶体。被动调Q晶体可选为各种自调Q晶体。
进一步地,被动调Q激光器还包括:输出镜,设于被动调Q晶体一侧;激光晶体,设于被动调Q晶体背离输出镜的另一侧,并与被动调Q晶体键合;激光晶体背离被动调Q晶体的一端面镀设有高透膜和高反膜,高反膜用于与输出镜组成激光谐振腔。
进一步地,输出镜呈棱柱状,输出镜的工作面和输出面相互平行,输出镜的工作面和输出面均垂直于激光光路设置。
进一步地,输出镜的工作面与被动调Q晶体的切割面平行;输出镜的输出面垂直于激光光路设置。输出镜的工作面与被动调Q晶体的切割面平行使得泵浦激光在输出镜和被动调Q晶体上的折射角相同,从而保证激光输出时的路径与泵浦激光输入路径方向一致,从而使得激光器结构规整紧凑,体积小巧、稳定性高。
进一步地,被动调Q激光器还包括:无掺杂散热晶体,其与被动调Q晶体的端面键合设置,无掺杂散热晶体用于增强被动调Q晶体散热。
进一步地,被动调Q激光器还包括:脉宽调节装置,其与被动调Q晶体连接,用于控制被动调Q晶体位移,从而控制激光穿过被动调Q晶体的路径长度。脉宽调节装置控制被动调Q晶体位移,从而改变泵浦激光穿过切割面的位置,从而实现脉宽的调节。
进一步地,被动调Q激光器还包括:泵浦源,用于产生泵浦激光;泵浦耦合系统,设于泵浦源和被动调Q晶体之间,用于将泵浦激光耦合进被动调Q晶体。
本发明实施例另一方面提供了一种脉宽调节方法,具体地,通过前述任一项记载的被动调Q激光器实现激光脉宽的调节。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果:
本发明实施例记载的激光器,通过简单的结构设计,实现被动调Q激光器的脉宽可调,解决了目前被动调Q激光器由于脉宽单一造成的适用范围受限的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种被动调Q激光器的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的另一种被动调Q激光器的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的另一种被动调Q激光器的结构示意图;
图4是本发明实施例提供的另一种被动调Q激光器的结构示意图。
附图标记:
1-被动调Q晶体;2-输出镜;3-激光晶体;4-无掺杂散热晶体;5-泵浦源;6-泵浦耦合系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
显然,所描述的实施例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。
此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为了使得公众能够更好的理解本发明,在对本发明提供的一种脉宽可调的被动调Q激光器进行详细描述之前,首先进行术语定义。
术语定义:
泵浦:即泵,又名帮浦、抽运;与泵不同的是,泵浦一词主要出现于激光领域。是指给激光工作物质提供能量使其形成粒子数反转的过程。
激光的脉宽:即激光的脉冲宽度,是指一个激光脉冲所持续的时间。不同的激光器,其脉冲宽度可以在很大范围内变化。
端面泵浦:泵浦光源通过光纤传导照射晶体出光端面。
高透:高透射率,本申请实施例中的高透膜即为泵浦光高透膜,用于减少泵浦光的反射,以便得到目标激光。
高反:高反射率,本申请实施例中的高反膜即为激光高反膜,激光高反膜与输出镜组成激光谐振腔,实现激光的振荡与输出。
本发明实施例中,激光光路见附图虚线所示。
本申请所遵循的技术原理如下所示:
调Q技术获得短脉冲的方法本质上是通过调节谐振腔内的损耗。由于被动调Q晶体的可饱和吸收特性,所以被动调Q技术中改变输出激光脉冲宽度的途径主要是通过改变腔内的吸收损耗。
被动调Q晶体的吸收损耗可表示为:
δ=β·l
式中,β为被动调Q晶体的吸收系数,l为激光在被动调Q晶体中的通过路径。
被动调Q激光器的输出激光脉冲宽度可表示为:
式中,tr为光子在腔内的往返时间;g0为小信号增益系数,L为增益介质长度。
通过上述的理论,可以说明:我们能够通过改变谐振腔的吸收损耗,达到改变激光器输出脉宽的目的。
请参照图1至图4,本发明实施例提供一种脉宽可调的被动调Q激光器,该被动调Q激光器包括:输出镜、无掺杂散热晶体、被动调Q晶体、激光晶体、泵浦耦合系统以及泵浦源。本实施方式提供的激光器的被动调Q晶体上设置有切割面,使得被动调Q晶体在激光光路方向上的长度为可变的,从而使得泵浦光沿着激光光路照射被动调Q晶体时的路径长度可变,从而实现对谐振腔的吸收损耗的改变,达到改变激光器输出脉宽的目的。
其中,泵浦源用于产生泵浦激光,在可选地实施方式中,泵浦激光的波长可为808nm、879nm、885nm等。
在本实施例中,泵浦源为半导体泵浦光源,其产生波长为808nm的泵浦激光,泵浦激光发射后经过的路径即为激光光路。
在具体实施方式中,泵浦源为光纤耦合输出LD。
泵浦耦合系统,设于泵浦源产生泵浦激光的一侧,用于将泵浦源产生的泵浦激光耦合成具有激光光路的光束。
在具体实施方式中,泵浦耦合系统为泵浦耦合聚焦镜。
在本实施例中,激光晶体为Nd:YAG晶体,其作为激光增益介质设置于泵浦耦合系统和被动调Q晶体之间,用于吸收泵浦光,通过能量转换产生目标输出激光。
在一些实施例中,被动调Q晶体为Cr:YAG晶体。
在具体实施方式中,Cr:YAG晶体呈梯台状,具体地,通过将长方体被动调Q晶体切掉一个棱角而成,使得Cr:YAG晶体上具有一个切割面,具体地,Cr:YAG晶体还设有泵浦端面,泵浦端面与泵浦光的激光光路垂直设置,泵浦光从泵浦端面垂直射入被动调Q晶体,并从切割面穿出,切割面与泵浦端面呈一定角度设置。
在具体实施过程中,由于切割面与泵浦端面呈一定角度设置,因此,沿泵浦光的照射方向,不同位置上切割面与泵浦端面之间的直线距离长短不一,因此,控制被动调Q晶体和泵浦激光的相对位置,改变泵浦激光照射在被动调Q晶体上的位置,使得泵浦激光穿过被动调Q晶体所经历的路径长度发生变化,从而控制被动调Q激光器腔内的吸收损耗,从而实现对被动调Q激光器脉冲宽度的调节。
在可选地实施方式中,通过脉宽调节装置控制被动调Q晶体的移动,从而控制泵浦激光穿过被动调Q晶体的路径长度,从而实现对激光脉冲宽度的调节。
在一些实施方式中,脉宽调节装置与被动调Q晶体固定连接,可选地,脉宽调节装置还包括螺旋测微仪。
在具体地实施方式中,被动调Q晶体的移动方向不变,根据被动调Q晶体的切割面相对于泵浦端面的倾斜角度以及被动调Q晶体的移动速度决定脉宽调节装置的调节程度,从而实现对激光脉宽的可控性调节。在一些实施方式中,被动调Q晶体呈直角三棱柱状,具体地,泵浦激光穿过被动调Q晶体的直角面和斜面,通过控制被动调Q晶体在垂直于另一直角面的方向上移动,实现对激光脉冲宽度的调节。
本实施例中,通过控制被动调Q晶体的移动,实现对激光光路路径长度的控制,进而调节整个谐振腔的吸收损耗,实现输出激光的脉宽调谐,同时保持光的指向不变,也没有光束的平移,保证了激光输出的稳定性。
在优选地实施方式中,激光晶体与被动调Q晶体键合设置,具体地,激光晶体的一端面与被动调Q晶体的泵浦端面键合,保证了激光器在调节脉宽时对于输出激光质量把控的精密度,同时实现激光器的小型化和操作便捷化。
在可选地实施方式中,被动调Q激光器还包括:无掺杂散热晶体,其与被动调Q晶体的端面键合设置,无掺杂散热晶体不产生增益,只用于增强被动调Q晶体散热。
在具体地实施方式中,无掺杂散热晶体为白YAG晶体。
在具体地实施方式中,无掺杂散热晶体与被动调Q晶体的切割面键合;可选地,无掺杂散热晶体与被动调Q晶体上和切割面相对的晶体端面键合;可选地,被动调Q晶体上和切割面相对的晶体端面以及切割面均键合设置有无掺杂散热晶体。无掺杂散热晶体用于增加散热能力,以使激光器获得更大能量的脉冲输出。
在一些实施方式中,切割面与激光光路之间的预设角度为根据被动调Q晶体的折射率计算得到的布儒斯特角;在优选地实施方式中,切割面与激光光路之间的预设角度为28.8°。
在一些实施方式中,激光晶体背离被动调Q晶体的一端面镀设有高透膜和高反膜,高透膜为泵浦光高透膜,用于减少泵浦光的反射,高反膜为激光高反膜,用于与输出镜组成激光谐振腔,实现对泵浦激光的泵浦,从而输出目标激光。
本实施例中,高透膜为808nm泵浦光高透膜,高反膜为1064nm激光高反膜,以便输出波长为1064nm的目标激光。
在一些实施方式中,激光器还包括输出镜,输出镜用于使激光在谐振腔内形成振荡并输出。
在一些实施方式中,输出镜上镀覆有对激光部分反射的介质膜。
在一些实施方式中,输出镜的工作面和输出面均与激光光路垂直,由于被动调Q晶体设有切割面,切割面与激光光路并非垂直设置,因此激光在穿过切割面时会发生折射,从而使激光光路的路径发生变化,因此,在本实施方式中,输出镜与被动调Q晶体呈一定角度设置,使其工作面和输出面均与折射后的激光光路垂直。
本实施例中,输出镜为YAG晶体。
在可选实施方式中,输出镜可以为曲面镜或平面镜,其对振荡激光光束具有一定的透过率。
请参照图2、图3和图4,在一些实施方式中,输出镜的工作面与被动调Q晶体的切割面平行,输出镜的输出面垂直于激光光路设置。输出镜的工作面与被动调Q晶体的切割面平行使得泵浦激光在输出镜和被动调Q晶体上的折射率相同,从而保证激光输出时的路径与泵浦激光输入路径方向一致,从而使得激光器结构紧凑,形状规则,小型化程度高。
在一些实施方式中,输出镜为光路补偿输出镜,具体为YAG晶体,在可选实施方式中,输出镜呈楔形设计。
在一些实施方式中,光路补偿输出镜靠近被动调Q晶体的端面镀设有增透膜,使其在作为输出镜的同时对激光形成一定的透过率。
在可选地实施方式中,输出镜与被动调Q晶体的切割面键合连接。
在可选地实施方式中,输出镜的工作面与被动调Q晶体的切割面切角互补,补偿激光光路,使激光平行于光轴输出,又增加了散热能力。
在一些实施方式中,输出镜、被动调Q晶体以及激光晶体依次键合,键合后的晶体两端端面相互平行,构成一个微片激光器。
在一示例性实施方式中,YAG晶体、Cr:YAG晶体、Nd:YAG晶体依次键合在一起。
本发明实施例旨在保护一种脉宽可调的被动调Q激光器,具备如下效果:
本发明实施例记载的激光器,通过简单的结构设计,实现被动调Q激光器的脉宽可调,解决了目前被动调Q激光器由于脉宽单一造成的适用范围受限的问题,使被动调Q激光器可以满足不同场景下的应用需求;
此外,本发明实施例记载的激光器不影响激光泵浦效率,满足市场对被动调Q激光器激光脉冲能量和峰值功率的要求。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (11)
1.一种脉宽可调的被动调Q激光器,其特征在于,包括:
被动调Q晶体,其设有切割面,激光光路穿过所述切割面并与所述切割面呈预设角度设置。
2.根据权利要求1所述的被动调Q激光器,其特征在于,
所述预设角度为28°-30°。
3.根据权利要求1所述的被动调Q激光器,其特征在于,
所述被动调Q晶体沿所述激光光路方向的截面呈直角梯形,所述激光光路垂直于直角边。
4.根据权利要求1所述的被动调Q激光器,其特征在于,
所述被动调Q晶体为Cr:YAG晶体或V:YAG晶体。
5.根据权利要求1所述的被动调Q激光器,其特征在于,还包括:
输出镜,设于所述被动调Q晶体一侧;
激光晶体,设于所述被动调Q晶体背离所述输出镜的另一侧,并与所述被动调Q晶体键合;
所述激光晶体背离所述被动调Q晶体的一端面镀设有高透膜和高反膜,所述高反膜用于与所述输出镜组成激光谐振腔。
6.根据权利要求5所述的被动调Q激光器,其特征在于,
所述输出镜呈棱柱状,所述输出镜的工作面和输出面相互平行,所述输出镜的工作面和输出面均垂直于所述激光光路设置。
7.根据权利要求5所述的被动调Q激光器,其特征在于,
所述输出镜的工作面与所述被动调Q晶体的所述切割面平行;
所述输出镜的输出面垂直于所述激光光路设置。
8.根据权利要求1所述的被动调Q激光器,其特征在于,还包括:
无掺杂散热晶体,其与所述被动调Q晶体的端面键合设置,所述无掺杂散热晶体用于增强所述被动调Q晶体散热。
9.根据权利要求1所述的被动调Q激光器,其特征在于,还包括:
脉宽调节装置,其与所述被动调Q晶体连接,用于控制所述被动调Q晶体位移,从而控制激光穿过所述被动调Q晶体的路径长度。
10.根据权利要求1所述的被动调Q激光器,其特征在于,还包括:
泵浦源,用于产生泵浦激光;
泵浦耦合系统,设于所述泵浦源和所述被动调Q晶体之间,用于将泵浦激光耦合进所述被动调Q晶体。
11.一种脉宽调节方法,其特征在于,利用如权利要求1-10任一项所述的被动调Q激光器进行激光脉宽的调节。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220104 |