CN115000794A - 光控调制模块及由其构成的脉冲激光系统 - Google Patents

光控调制模块及由其构成的脉冲激光系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光控调制模块及由其构成的脉冲激光系统，其中的光控调制模块包括光控单元，其用于输出第一预设波长的控制光；可饱和吸收体本体，其用于在控制光的注入下吸收第二预设波长的光子；散热系统，其贴合在可饱和吸收体本体的底部，用于对可饱和吸收体本体进行散热；腔反射介质膜，其镀制在可饱和吸收体本体靠近散热系统的一侧，以形成腔内反馈。本发明提供的可饱和吸收体采用稀土离子掺杂介质，基于稀土离子能级粒子输运机制实现对可饱和吸收体的参数控制，在光控单元的作用下，可饱和吸收体的光学参数发生变化，从而改变其在脉冲激光系统中的作用，最终实现脉冲激光输出特性的调控。

Description

光控调制模块及由其构成的脉冲激光系统
技术领域
本发明涉及超短激光器技术领域，特别涉及一种光控调制模块及由其构成的脉冲激光系统。
背景技术
脉冲激光目前在激光加工，特殊材料焊接以及激光清洗等领域都具有非常重要的应用。目前实现脉冲激光输出的主要方式是采用锁模技术和调Q技术，而基于可饱和吸收体是目前实现锁模技术和调Q技术最常用的调制器件。但是不同机制的激光系统（例如，光纤，晶体棒，碟片等），对可饱和吸收体的参数需求不同，并且可饱和吸收体参数实时可调也可以实现脉冲激光输出特性的智能调节。所以可实时调控可饱和吸收体参数，对于脉冲激光的实现以及脉冲宽度的调制都具有非常重要的意义。随着智能时代的到来，对于激光器的需求也逐步提升。不仅需要保证激光输出的稳定性，同时对于激光的可调节特性也被重视。
但现有的可饱和吸收体的参数不可调控，亟需一种参数可调控的可饱和吸收体及由其构成的脉冲激光系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种光控调制模块及由其构成的脉冲激光系统，可饱和吸收体采用稀土离子掺杂晶体，实现可光控的可饱和吸收体，最终实现输出的脉冲激光的实时控制。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的光控调制模块，包括：
光控单元，其用于输出第一预设波长的控制光；
可饱和吸收体本体，其用于在控制光的注入下吸收第二预设波长的光子；
散热系统，其贴合在可饱和吸收体本体的底部，用于对可饱和吸收体本体进行散热；
腔反射介质膜，其镀制在可饱和吸收体本体靠近散热系统的一侧，以形成腔内反馈。
优选地，可饱和吸收体本体为掺杂有稀土离子的介质，介质为晶体或陶瓷。
优选地，稀土离子为钬离子、铒离子或镝离子。
优选地，可饱和吸收体本体为薄片型、圆柱型或方型结构。
优选地，光控单元为光纤耦合半导体激光器，光纤耦合半导体激光器的波长为976nm，第二预设波长为1973nm，稀土离子采用掺杂浓度为1mol.%~50mol.%的铒离子。
本发明提供的脉冲激光系统，包括：
泵浦光源，用于发出泵浦光；
增益晶体，用于对泵浦光产生增益形成激光；
输出耦合镜，其设置在脉冲激光系统的输出方向上；
光控调制模块，光控调制模块中的腔反射介质膜与输出耦合镜构成谐振腔。
优选地，增益晶体的掺杂离子有铥离子、铒离子或镝离子。
优选地，泵浦光源为半导体泵浦激光器，脉冲激光系统的输出波长为2μm，增益晶体掺杂有铥离子，半导体泵浦激光器的波长为793nm。
优选地，输出耦合镜的反射波长为2µm，反射率≥90%。
本发明能够取得如下技术效果：可饱和吸收体采用稀土离子掺杂晶体，基于稀土离子能级粒子输运机制实现对可饱和吸收体的参数控制，在光控单元的作用下，可饱和吸收体的光学参数发生变化，从而改变其在脉冲激光系统中的作用，最终实现脉冲激光输出特性的调控。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的光控调制模块的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的光控调制模块的作用机理示意图；
图3是根据本发明实施例提供的脉冲激光系统的结构示意图。
其中的附图标记包括：光控单元1、可饱和吸收体本体2、散热系统3、腔反射介质膜4、泵浦光源5、增益晶体6、光控调制模块7和输出耦合镜8。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的光控调制模块的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的光控调制模块，包括光控单元1、可饱和吸收体本体2、散热系统3和腔反射介质膜4。
光控单元1为连续激光器或脉冲激光器，光控单元1用于输出第一预设波长的控制光，该控制光入射至可饱和吸收体本体2，可饱和吸收体本体2在控制光的注入下，吸收第二预设波长的光子。
光控单元1的波长根据所要吸收的第二预设波长及所选择的离子能级结构来确定。例如光控单元1采用波长为976nm的光纤耦合半导体激光器，可采用脉冲电源等手段实现其脉冲输出的调制，可饱和吸收体本体2吸收1973nm波长的光子。
光控单元1主要作用是将增益介质基态粒子输运到中间能级，以满足中间能级对脉冲激光系统的光子的吸收能力。
可饱和吸收体本体2为满足粒子输运过程的掺杂有稀土离子的介质，该介质可以是晶体或陶瓷等介质。掺杂的稀土离子可以为钬离子、铒离子或镝离子。
基于稀土离子能级粒子输运机制，通过光注入到掺杂有稀土离子的介质上，以改变该介质对脉冲激光系统中光子的吸收能力，实现对可饱和吸收体2的参数控制。
在本发明的一个示例中，可饱和吸收体2为薄片型、圆柱型或方型结构。
在本发明的一个具体示例中，可饱和吸收体2采用铒离子掺杂晶体，其掺杂浓度为1mol.%~50mol.%，以提升对976nm控制光的吸收。
散热系统3为TEC（Thermo Electric Cooler，半导体制冷器）温度控制系统，用于对可饱和吸收体本体2进行散热，避免可饱和吸收体本体2因热积累造成损伤。
由于可饱和吸收体本体2需要镀制腔反射膜，因此将腔反射介质膜4镀制在可饱和吸收体本体2靠近散热系统3的一侧，满足腔内反馈需要，以便在脉冲激光系统中提供正反馈。
图2示出了根据本发明实施例提供的光控调制模块的作用机理。
如图2所示，在没有976nm控制光的作用下，可饱和吸收体本体2是不会吸收1973nm波长的光子。而当976nm控制光注入可饱和吸收体本体2时，基态粒子输运到中间能级，而此时可饱和吸收体开始吸收1973nm波长光子。因此，随着976nm光功率的增加，中间能级粒子数随之增加，从而提升系统对1973nm波长光子的吸收能力。通过控制光控单元1的激光参数，以控制可饱和吸收体本体2的参数，最终达到调控脉冲激光系统的脉冲输出特性。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的光控调制模块的结构，与该光控调制模块相对应，本发明实施例还提供一种由光控调制模块构成的脉冲激光系统。
图3示出了根据本发明实施例提供的脉冲激光系统的结构。
如图3所示，本发明实施例提供的脉冲激光系统，包括泵浦光源5、增益晶体6、光控调制模块7和输出耦合镜8。
泵浦光源5用于发出泵浦光对增益晶体6进行泵浦。
泵浦光源5采用半导体泵浦激光器，半导体泵浦激光器的输出波长根据增益晶体6的掺杂离子的类型以及脉冲激光系统的输出波长确定。
例如，脉冲激光系统想要实现2μm的激光输出，采用铥掺杂增益晶体6，泵浦光源5就得选用793nm波长的半导体泵浦激光器，以793nm波长的光作为泵浦光。
增益晶体6用于对泵浦光产生增益形成增益光。在本发明的另一个示例中，增益晶体6的掺杂离子为铥离子、铒离子或镝离子。增益晶体6具体的掺杂浓度根据实际激光设计需求而定。
光控调制模块7设置在增益晶体6的一侧，在光控单元的作用下，改变可饱和吸收体本体的光学参数。将光控调制模块7作为脉冲激光系统的脉冲调制器。
输出耦合镜8设置在增益晶体6的另一侧，即脉冲激光系统的输出方向上。输出耦合镜8与光控调制模块7中的腔反射介质膜构成脉冲激光系统的谐振腔。输出耦合镜8基于镀膜技术使其在2µm波长的反射率≥90%。
增益光在可饱和吸收体7的作用下产生脉冲激光，最终经输出耦合镜8耦合输出。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种光控调制模块，其特征在于，包括：
光控单元，其用于输出第一预设波长的控制光；
可饱和吸收体本体，其用于在所述控制光的注入下吸收第二预设波长的光子；所述可饱和吸收体本体为掺杂有稀土离子的介质，所述介质为晶体或陶瓷；
散热系统，其贴合在所述可饱和吸收体本体的底部，用于对所述可饱和吸收体本体进行散热；
腔反射介质膜，其镀制在所述可饱和吸收体本体靠近所述散热系统的一侧，以形成腔内反馈。
2.如权利要求1所述的光控调制模块，其特征在于，所述稀土离子为钬离子、铒离子或镝离子。
3.如权利要求1或2所述的光控调制模块，其特征在于，所述可饱和吸收体本体为薄片型、圆柱型或方型结构。
4.如权利要求1或2所述的光控调制模块，其特征在于，所述光控单元为光纤耦合半导体激光器，所述光纤耦合半导体激光器的波长为976nm，所述第二预设波长为1973nm，所述稀土离子采用掺杂浓度为1mol.%~50mol.%的铒离子。
5.一种脉冲激光系统，包括：
泵浦光源，用于发出泵浦光；
增益晶体，用于对所述泵浦光产生增益形成激光；
输出耦合镜，其设置在所述脉冲激光系统的输出方向上；
其特征在于，还包括如权利要求1~4中任一项所述的光控调制模块，所述光控调制模块中的腔反射介质膜与所述输出耦合镜构成谐振腔。
6.如权利要求5所述的脉冲激光系统，其特征在于，所述增益晶体的掺杂离子有铥离子、铒离子或镝离子。
7.如权利要求5所述的脉冲激光系统，其特征在于，所述泵浦光源为半导体泵浦激光器，所述脉冲激光系统的输出波长为2μm，所述增益晶体掺杂有铥离子，所述半导体泵浦激光器的波长为793nm。
8.如权利要求6所述的脉冲激光系统，其特征在于，所述输出耦合镜的反射波长为2µm，反射率≥90%。
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