CN115296136A - 一种脉冲激光时空分布调控激光器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种脉冲激光时空分布调控激光器及方法。为解决技术实现难度大、无法精细调控、能量利用率低等问题，本发明在注入长波斯托克斯光时，它作为种子光被放大，脉冲激光被消耗，当注入短波泵浦光时，它被消耗，脉冲激光被放大，通过控制长波斯托克斯光、短波泵浦光在拉曼晶体中的空间分布，任意调控脉冲激光的空间分布。利用电光调Q腔倒空技术实现脉冲激光的时间整形，同时在光束整形阶段，由于拉曼过程的阈值性，当利用短波泵浦光对光束进行放大时，脉冲上升沿和下降沿均相对缩短。利用长波斯托克斯光则可对光束进行可控的衰减裁割，进一步压窄脉宽。将两种整形机制结合在一起，实现对脉冲激光的时‑空域同时整形。

Description

一种脉冲激光时空分布调控激光器及方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种脉冲激光时空分布调控激光器及方法。

背景技术

传统脉冲激光器的输出光束为峰值强度位于光束中心、横截面强度呈高斯型非均匀分布的高斯光束。在激光材料处理及相互作用研究、光纤注入、光学数据及图像处理、光刻、生物医学和军事等领域，激光能量的空间非均匀分布会引起材料局部温度升高而破坏材料特性、时间非均匀分布会导致加工效率降低以及余热导致的形变。此外，基于光放大器的高功率激光系统中，种子光束的不均匀性会导致非线性效应而引起光束质量变差以及激光介质的损伤，而且高斯光束较低的填充因子也制约了激光放大和倍频系统的能量提取效率。

另一方面，在微米级甚至是纳米级粒子的激光旋转与导引操作，冷原子束的激光准直、原子光刻术、激光制导和激光测距或测速等领域，已有工作证明利用空心光束可获得相比于基模高斯光束更好的加工和测量效果。

基于上述事实，对激光光束的时间域、空间域强度分布调控在材料加工、光学信息处理、激光医疗、科研、国防等领域均有重要的应用需求

2001年张少军等人提出了一种时-空域同时整形的激光器设计，采用变反射率镜腔，即格兰棱镜(GL)与电光调Q晶体(P.C)，高反镜构成一个变反射率系统来实现光波场空间截面上的分布变换即光束的空间整形；采用慢调Q腔倒空技术，即在电光晶体上所加电压即V_P.C不是一次跳变，而是一个按预定曲线规律变化的，并在20～100ns内完成。由于电光晶体所加电压值与光腔Q值有一一对应的关系，通过控制V_P.C的变化规律来控制光腔Q值的变化规律以实现光脉冲的时间整形。两种整形机制在同一台激光器中结合，实现激光束的时-空域整形。(参考文献：黄骝,张少军,李延廷.一种时-空域同时整形的激光器设计[J].激光技术,2001,25(3))

上述方案是与本发明最接近的技术方案。二者相似之处为：均实现了光场的时空分布调控，均采用了腔倒空技术，利用电光调Q晶体实现光脉冲的时间整形。区别之处为：张少军等人的方案采用非均匀反射镜腔将光波场空间截面上的分布变换为平顶分布，光束的空间整形不可自由调控。而本发明利用基于受激拉曼散射的全光调控技术实现对脉冲激光的空间整形，即通过控制长波斯托克斯光、短波泵浦光的空间分布，任意调控脉冲激光的空间分布和时间分布(注入长波斯托克斯光消耗内腔振荡脉冲激光，注入短波泵浦光增强内腔振荡脉冲激光)。相比张少军等人的方案，本方案不仅可以实现激光强度的空间分布和时间分布的自由操控和精细调节，并且通过拉曼过程可以将脉冲激光的脉冲宽度进一步压窄。此外，本发明可应用于需要环形强度分布等类型的光场的其他应用场景，具有极高的应用价值和实用价值。

除此之外，其它的相关工作没有涉猎光场时空域强度分布的同步操控，仅聚焦于光束的空间强度分布调控、时间分布调控之一。其中，光束空间强度分布调控方法主要包括光束整形法、光束合成法、激光介质增益饱和效应法等，但是相关方法均存在技术实现难度大、无法精细调控、能量利用率低等问题。光束的时间分布调控方法主要有慢调Q腔倒空技术，受激布里渊散射脉冲压缩技术等，但是相关方法均无法兼顾高能量利用效率和脉宽压窄的需求。

总之，现有的激光光束的空间强度分布调控、时间分布调控存在一些实用性问题，为满足在材料加工、光学信息处理、激光医疗、科研、国防等领域的应用需求，亟需一种结构简单、能量损耗低、可将光束的空间分布整形成任意模式的脉冲激光时空整形方案。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种基于受激拉曼散射耦合的腔倒空技术的脉冲激光时空分布调控激光器以及方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种脉冲激光时空分布调控激光器，包括谐振腔、泵浦源、泵浦整形耦合装置、长波斯托克斯光源和短波泵浦光源，所述谐振腔包括输入镜、激光晶体、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、第一高反镜、第一双色镜、第二双色镜、拉曼晶体、第二高反镜；

所述泵浦源作为泵浦光光源，所述泵浦光经过泵浦整形耦合装置、输入镜入射至激光晶体，所述激光晶体产生的激光经薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片到达第一高反镜后再次通过四分之一波片、电光调Q晶体、薄膜偏振片、激光晶体到达输入镜，然后经过第二双色镜、拉曼晶体、第一双色镜到达第二高反镜；

所述第一双色镜和第二双色镜位于拉曼晶体两端，所述长波斯托克斯光源和短波泵浦光源经第一双色镜和第二双色镜注入拉曼晶体，在所述第一双色镜的左端设置有第二高反镜，所述第二双色镜位于输入镜的左端。

所述激光器可以是上升沿工作(谐振腔内不含1/4波片)，也可以是下降沿工作(谐振腔内含主轴与电光晶体光轴夹角为45°放置的1/4波片)。

一种利用所述激光器的脉冲激光时空分布调控方法，包括以下步骤：

步骤1，给电光调Q晶体和泵浦源各施加一个方波信号：给泵浦源施加高电平信号，泵浦源发出的泵浦光经过泵浦整形耦合装置、输入镜入射至激光晶体，将激光晶体的激活粒子从低能级泵浦到高能级，给电光调Q晶体施加低电平信号，四分之一波片和薄膜偏振片引入高损耗，此时Q开关处于关闭状态，激光晶体储能；

步骤2，当谐振腔内的反转粒子数达到最大时，给泵浦源施加低电平信号，给电光调Q晶体施加电压等于1/4波电压的高电平信号，谐振腔处于储能状态，产生脉冲激光并在腔内往返振荡；

步骤3，在给电光调Q晶体施加电压等于1/4波电压的高电平信号的同时，在拉曼晶体中注入连续运转的长波斯托克斯光与短波泵浦光，并通过调控长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，从而调控脉冲激光的空间增益分布，同时通过控制电光调Q晶体的驱动信号的高电平持续时间改变空间增益分布调控的调控深度；

步骤4，当谐振腔内的光子数达到最大且脉冲激光的空间分布满足目标要求时，将施加于电光调Q晶体的驱动信号再次切换为低电平电压，此时腔内振荡的S偏振光两次通过四分之一波片后变成P偏振光，并通过薄膜偏振片透射，输出激光巨脉冲；

步骤5，用光束质量分析仪检测输出的激光巨脉冲是否为目标光束，如果不是目标光束，重新调整长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，并返回步骤3；如果是目标光束，继续保持初始设定的长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，则实现基于受激拉曼散射耦合的腔倒空技术的脉冲激光时空分布调控。

进一步，所述激光晶体为钒酸盐晶体、氟化物晶体、钇铝石榴石晶体、钆镓石榴石晶体、玻璃基质晶体。例如Nd:YVO₄、Nd:GdVO₄等钒酸盐晶体，Nd：YLF、Yb：YLF等氟化物晶体，Nd：YAG、Yb：YAG、Nd：YAP等钇铝石榴石晶体，Nd：GGG等钆镓石榴石晶体或Nd：Glass等玻璃基质晶体。

进一步，所述电光调Q晶体为RTP晶体、KDA晶体、KDP晶体、DKDP晶体等KDP型晶体、BaTiO₃晶体、SrTiO₃晶体等ABO₃型晶体、ZnS晶体、CuC晶体等AB型化合物晶体或其他杂类晶体。

进一步，所述拉曼晶体为任何基频光波长与激光晶体输出波长相同的拉曼晶体。

进一步，所述调控长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布的方法为：通过预设的程序利用微透镜整形阵列或液晶空间光调制器分别调控，所述预设的程序具体为：

根据谐振腔内光束往返一周总的增益和目标光束满足的条件，计算出脉冲激光通过拉曼晶体得到的增益gr需满足的条件，当g_r＞0时为注入短波泵浦光带来的增益，g_r＜0时为注入长波斯托克斯光引起的损耗，而增益g_r的绝对值正比于注入的功率，通过控制长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，即可控制g_r的空间分布，从而控制脉冲激光的空间分布；

所述谐振腔内光束往返一周总的增益为：

式中

为t时刻拉曼晶体处的光子数密度分布，

为t时刻激光晶体处的光子数密度分布，n(r，t)为t时刻激光晶体处光束中心处反转粒子数密度分布，l_L为激光晶体长度，l_R为拉曼晶体的长度，σ_L为激光晶体的受激发射截面；

所述目标光束满足的条件即任意模式的空间分布光束需满足的空间分布条件。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

1、本发明利用基于受激拉曼散射的全光调控技术实现对脉冲激光的空间整形。当注入长波斯托克斯光时，由于脉冲激光在拉曼晶体内振荡，长波斯托克斯光作为种子光被放大，脉冲激光作为受激拉曼散射的泵浦光被消耗，当注入短波泵浦光时，短波泵浦光被消耗，脉冲激光被放大，通过程序控制长波斯托克斯光、短波泵浦光在拉曼晶体中的空间分布，任意调控脉冲激光的空间分布。

2、利用电光调Q腔倒空技术实现脉冲激光的时间整形，同时在光束整形阶段，由于拉曼过程的阈值性，当利用短波泵浦光根据需要对光束进行放大时，脉冲上升沿和下降沿均相对缩短。利用长波斯托克斯光则可根据需要对光束进行可控的衰减裁割，进一步压窄脉宽。将两种整形机制结合在一起，实现对脉冲激光的时-空域同时整形。

3、本发明提出了一种时-空域同时整形的方法，利用基于受激拉曼散射的全光调控技术实现对脉冲激光的空间整形，利用电光调Q腔倒空技术实现脉冲激光的时间整形，将两种整形机制结合在一起，实现对脉冲激光的时-空域同时整形。

4、本发明通过在腔内加入一块拉曼晶体，将脉冲激光进一步压窄，能够得到更窄脉宽的脉冲激光输出。

5、本发明利用基于受激拉曼散射的调控方式，可以将光束在谐振腔内整形成平顶分布的光束，使激光晶体处的热分布更均匀，从而减轻激光晶体的热效应，实现峰值功率更高、光束质量更好的激光输出。

6、本发明利用短波泵浦光对光束进行整形的过程也是对脉冲能量的放大，可以对光束产生进一步的增益，使激光脉冲的峰值功率更高。

7、本发明与常用的产生平顶光束，空心光束的方法相比，引入了反馈机制，能够实时控制光场的空间分布，实现更精确、更稳定的光束空间整形。

8、本发明利用基于受激拉曼散射的全光调控手段对光场的空间分布进行整形，可以通过改变长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，将光束整形成任意模式的空间分布(例如：空心光束，平顶光束等)可应用于其他普通场景中任意需要对光场进行整形的领域，具有极高的应用价值和实用价值。

附图说明

图1为本发明脉冲激光时空分布调控激光器的结构示意图，其中，泵浦源-1，泵浦整形耦合装置-2，输入镜-3，激光晶体-4，薄膜偏振片-5，电光调Q晶体-6，四分之一波片-7，第二双色镜-8，拉曼晶体-9，第一高反镜-10，长波斯托克斯光源-11，短波泵浦光源-12，第一双色镜-13，第二高反镜-14；

图2为本发明脉冲激光时空分布调控方法的流程图；

图3为本发明的时序控制图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的一种脉冲激光时空分布调控激光器，包括谐振腔、泵浦源1、泵浦整形耦合装置2、长波斯托克斯光源11和短波泵浦光源12，所述谐振腔包括输入镜3、激光晶体4、薄膜偏振片5、电光调Q晶体6、四分之一波片7、第一高反镜10、第二双色镜8、第一双色镜13、拉曼晶体9、第二高反镜14；

所述泵浦源1作为泵浦光光源，所述泵浦光经过泵浦整形耦合装置2、输入镜入3射至激光晶体4，所述激光晶体4产生的激光经薄膜偏振片5、电光调Q晶体6、四分之一波片7到达第一高反镜10后再次通过四分之一波片7、电光调Q晶体6、薄膜偏振片5、激光晶体4到达输入镜3，然后经过第二双色镜8、拉曼晶体9、第一双色镜13到达第二高反镜14；

所述第一双色镜13和第二双色镜8位于拉曼晶体9两端，所述长波斯托克斯光源11和短波泵浦光源12经第一双色镜13和第二双色镜8注入拉曼晶体9，在所述第一双色镜13的左端设置有第二高反镜14，所述第二双色镜8位于输入镜3的左端。

所述激光器可以是上升沿工作(谐振腔内不含1/4波片)，也可以是下降沿工作(谐振腔内含主轴与电光晶体光轴夹角为45°放置的1/4波片)。

具体的，所述泵浦源1采用中心波长为808nm的激光二极管；激光晶体4采用尺寸为3×3×8mm³、Nd³⁺离子掺杂浓度为1at.％的单端键合Nd:YVO₄晶体，电光调Q晶体6采用两块主轴正交放置的RTP晶体，补偿自然双折射；拉曼晶体9为YVO₄晶体，尺寸为3mm×3mm×15mm，薄膜偏振片5采用消光比大于1000:1的薄膜偏振片，输入镜3采用45°HT@808nm&HR@1064nm平面镜；第一双色镜13和第二双色镜8采用双面镀膜，一面镀45°HT@1064nm&HR@972nm，另一面镀45°HT@1064nm&HR@1175nm，第一高反镜10和第二高反镜14采用0°HR@1064nm平凹镜，曲率半径为1000mm，长波斯托克斯光源11采用波长为1175nm的光源和短波泵浦光源12采用波长为972nm的光源，谐振腔腔长设置为130mm。

如图2和图3所示，一种利用所述激光器的脉冲激光时空分布调控方法，包括以下步骤：

步骤1，给电光调Q晶体6和泵浦源1各施加一个方波信号：给泵浦源1施加高电平信号，泵浦源1发出的泵浦光经过泵浦整形耦合装置2、输入镜3入射至激光晶体4，将激光晶体4的激活粒子从低能级泵浦到高能级，给电光调Q晶体6施加低电平信号，四分之一波片7和薄膜偏振片5引入高损耗，此时Q开关处于关闭状态，激光晶体4储能；

步骤2，当谐振腔内的反转粒子数达到最大时，给泵浦源1施加低电平信号，给电光调Q晶体6施加电压等于1/4波电压的高电平信号，产生1064nm脉冲激光，但是由于谐振腔处于储能状态，1064nm激光脉冲并不输出而是在腔内往返振荡，具体为：

给电光调Q晶体6加上1/4波电压，激光晶体4产生的S偏振光经薄膜偏振片完全反射，通过电光调Q晶体6和四分之一波片7后变成P偏振光，之后经第一高反镜10反射后再一次经过四分之一波片7和电光调Q晶体6，从而成为S偏振光，此时谐振腔处于储能状态，1064nm激光脉冲并不输出而是在腔内往返振荡。

步骤3，在给电光调Q晶体6施加电压等于1/4波电压的高电平信号的同时，在拉曼晶体9中注入连续运转的长波斯托克斯光与短波泵浦光，并通过调控长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，从而调控脉冲激光的空间增益分布，同时通过控制电光调Q晶体6的驱动信号的高电平持续时间改变空间增益分布调控的调控深度；

所述调控长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布的方法为：通过预设的程序利用微透镜整形阵列分别调控，所述预设的程序具体为：

根据谐振腔内光束往返一周总的增益和平顶光束(目标光束)满足的条件，计算出1064nm脉冲激光通过拉曼晶体9得到的增益g_r需满足的条件，当g_r＞0时为注入短波泵浦光带来的增益，g_r＜0时为注入长波斯托克斯光引起的损耗，而增益g_r的绝对值正比于注入的功率(|g_r|∝P)，通过控制长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，即可控制g_r的空间分布，从而控制脉冲激光的空间分布；

所述谐振腔内光束往返一周总的增益为：

式中，

为t时刻拉曼晶体9处的光子数密度分布，

为t时刻激光晶体4处的光子数密度分布，n(r，t)为t时刻激光晶体4处光束中心处反转粒子数密度分布，l_L为激光晶体4长度，l_R为拉曼晶体9的长度，σ_L为激光晶体4的受激发射截面；

所述平顶光束需满足的空间条件为：

t_r为光在腔内往返一次的时间，r为到光束中心的横向距离。

步骤4，当谐振腔内的光子数达到最大且脉冲激光的空间分布满足目标要求时，将施加于电光调Q晶体6的驱动信号再次切换为低电平电压，此时腔内振荡的S偏振光两次通过四分之一波片7后变成P偏振光，并通过薄膜偏振片5透射，即谐振腔的能量会一次性倒出腔外，从而形成1064nm激光巨脉冲；

步骤5，用光束质量分析仪检测输出的1064nm激光巨脉冲是否为平顶光束，如果不是平顶光束，重新调整长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，并返回步骤3；如果是平顶光束，继续保持初始设定的长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，则实现基于受激拉曼散射耦合的腔倒空技术的脉冲激光时空分布调控。

在腔倒空脉冲激光谐振腔中，放置受激拉曼散射激发模块，利用外加连续运转的长波斯托克斯光束和短波泵浦光束分别提供空间分布可控的受激拉曼增益和受激拉曼损耗，实现主振荡激光的空间强度分布的调控。

所述长波斯托克斯光和短波泵浦光的空间强度分布也可以通过液晶空间光调制器调控。

在本实施例中，通过基于受激拉曼散射耦合的腔倒空技术的脉冲激光时空分布调控方法，实现了对脉冲激光的时-空域同时整形。

Claims (6)

1.一种脉冲激光时空分布调控激光器，其特征在于，包括谐振腔、泵浦源、泵浦整形耦合装置、长波斯托克斯光源和短波泵浦光源，所述谐振腔包括输入镜、激光晶体、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、第一高反镜、第一双色镜、第二双色镜、拉曼晶体、第二高反镜；

所述泵浦源作为泵浦光光源，所述泵浦光经过泵浦整形耦合装置、输入镜入射至激光晶体，所述激光晶体产生的激光经薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片到达第一高反镜后再次通过四分之一波片、电光调Q晶体、薄膜偏振片、激光晶体到达输入镜，然后经过第二双色镜、拉曼晶体、第一双色镜到达第二高反镜；

所述第一双色镜和第二双色镜位于拉曼晶体两端，所述长波斯托克斯光源和短波泵浦光源经第一双色镜和第二双色镜注入拉曼晶体，在所述第一双色镜的左端设置有第二高反镜，所述第二双色镜位于输入镜的左端。

2.一种利用权利要求1所述激光器的脉冲激光时空分布调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，给电光调Q晶体和泵浦源各施加一个方波信号：给泵浦源施加高电平信号，泵浦源发出的泵浦光经过泵浦整形耦合装置、输入镜入射至激光晶体，将激光晶体的激活粒子从低能级泵浦到高能级，给电光调Q晶体施加低电平信号，四分之一波片和薄膜偏振片引入高损耗，此时Q开关处于关闭状态，激光晶体储能；

步骤2，当谐振腔内的反转粒子数达到最大时，给泵浦源施加低电平信号，给电光调Q晶体施加电压等于1/4波电压的高电平信号，谐振腔处于储能状态，产生脉冲激光并在腔内往返振荡；

步骤3，在给电光调Q晶体施加电压等于1/4波电压的高电平信号的同时，在拉曼晶体中注入连续运转的长波斯托克斯光与短波泵浦光，并通过调控长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，从而调控脉冲激光的空间增益分布，同时通过控制电光调Q晶体的驱动信号的高电平持续时间改变空间增益分布调控的调控深度；

步骤4，当谐振腔内的光子数达到最大且脉冲激光的空间分布满足目标要求时，将施加于电光调Q晶体的驱动信号再次切换为低电平电压，此时腔内振荡的S偏振光两次通过四分之一波片后变成P偏振光，并通过薄膜偏振片透射，输出激光巨脉冲；

步骤5，用光束质量分析仪检测输出的激光巨脉冲是否为目标光束，如果不是目标光束，重新调整长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，并返回步骤3；如果是目标光束，继续保持初始设定的长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，则实现基于受激拉曼散射耦合的腔倒空技术的脉冲激光时空分布调控。

3.根据权利要求2所述一种脉冲激光时空分布调控方法，其特征在于，所述激光晶体为钒酸盐晶体、氟化物晶体、钇铝石榴石晶体、钆镓石榴石晶体、玻璃基质晶体。

4.根据权利要求2所述一种脉冲激光时空分布调控方法，其特征在于，所述电光调Q晶体为KDP型晶体、ABO₃型晶体、AB型化合物晶体或其他杂类晶体。

5.根据权利要求2所述一种脉冲激光时空分布调控方法，其特征在于，所述拉曼晶体为任何基频光波长与激光晶体输出波长相同的拉曼晶体。

6.根据权利要求2所述一种脉冲激光时空分布调控方法，其特征在于，所述调控长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布的方法为：通过预设的程序利用微透镜整形阵列或液晶空间光调制器分别调控，所述预设的程序具体为：

根据谐振腔内光束往返一周总的增益和目标光束满足的条件，计算出脉冲激光通过拉曼晶体得到的增益g_r需满足的条件，当g_r＞0时为注入短波泵浦光带来的增益，g_r＜0时为注入长波斯托克斯光引起的损耗，而增益g_r的绝对值正比于注入的功率，通过控制长波斯托克斯光与短波泵浦光的空间分布，即可控制g_r的空间分布，从而控制脉冲激光的空间分布；

所述谐振腔内光束往返一周总的增益为：

式中，

为t时刻拉曼晶体处的光子数密度分布，

为t时刻激光晶体处的光子数密度分布，n(r，t)为t时刻激光晶体处光束中心处反转粒子数密度分布，l_L为激光晶体长度，l_R为拉曼晶体的长度，σ_L为激光晶体的受激发射截面；

所述目标光束满足的条件为任意模式的空间分布光束需满足的空间分布条件。

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