CN115473116A - 基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于脉冲激光整形技术领域,具体涉及一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法。本发明通过对双调Q脉冲激光器的速率方程理论分析,设计可饱和吸收体的掺杂浓度分布或形状,调控对脉冲激光施加的内腔损耗的空间强度分布,实现平顶分布窄脉冲激光输出。本发明基于简单的装置设计同步实现激光强度分布的整形和脉冲宽度的压窄,显著降低了由非均匀分布脉冲光束导致的谐振腔光学元件的光热损伤阈值,提升了脉冲激光器整体性能。
Description
技术领域
本发明属于脉冲激光整形技术领域,具体涉及一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法。
背景技术
通常的激光光强空间分布为高斯分布,但是在激光打孔、激光清洗、激光焊接等工业应用中,这种非均匀的强度分布会导致处理精度差、边缘整齐度不好等问题。此外,在基于激光放大器的高功率激光的研制生产中,若脉冲激光为高斯光束,由于激光强度集中在中心部分,容易导致放大器中的激光晶体及其它光学元件的损伤,限制了光放大效率。
为了满足上述应用对强度均匀分布(平顶分布)的激光源的需求,目前常用的解决办法是将基模高斯分布的激光通过由一系列透镜或光栅构成的光束整形系统整形。但这种方法不仅增加了制作成本和调节难度,也增加了整个激光系统的尺寸和重量,而且基本只能在极有限的空间区域内实现光束的强度均匀分布,额外的整形器导致的损耗也会降低激光系统的能量转化效率。
传统的调Q技术是为了提高脉冲激光输出峰值功率,压缩更短的脉宽,其原理是,泵浦初期将激光器的振荡阈值调的很高(腔内具有较高的损耗),抑制激光振荡的产生,激光上能级的反转粒子数不断增加。当反转粒子数达到最大时,突然降低振荡阈值(腔内具有很低的损耗),此时,积累在上能级的粒子便雪崩式的跃迁到低能级,能量在极短时间被释放出来,从而获得脉冲宽度很窄、峰值功率极高的巨脉冲激光输出。但是这种普通调Q激光器输出的是高斯分布的光场,不能满足于一些应用,尤其是在高功率脉冲激光放大器下,由于光束中心部分的功率密度极高,可能导致激光晶体和光学元件的损伤。为解决这一问题,常采用光束整形方法对光强分布进行调控,使得光束能量均匀分布在整个光斑范围内。
目前已报道或已商用的整形系统主要有:(1)外腔光束整形(如:双折射透镜组、衍射光学元件、非球面透镜组)获得平顶分布光束,但是该方法整形系统庞大、成本较高且设计难度大。(2)光束合成法指将多个光束进行叠加从而产生平顶光束,如多模高斯光束合成法,但是该方法的实验实现难度大。(3)增益介质的饱和效应产生平顶光束是利用高斯光束的非均匀性,随着光强的增加,其增益介质中心部分先于边缘部分达到增益饱和,当泵浦光强达到一定值时,即可输出强度均匀的激光光束。
上述方法中,利用增益介质的饱和效应产生平顶光束的方法与本发明最为相似。两者的相似之处在于未加入额外的内腔光学元件用于光束整形。不同之处在于前者是利用增益介质的增益饱和效应,而后者是利用非均匀可饱和吸收体的吸收损耗。其原理上的区别在于,当谐振腔内的振荡光强增大到一定程度后,增益系数将随内腔光强的增大而减小。当光强达到增益介质的饱和光强时,增益系数将降低为小信号增益系数的一半,由于高斯光束的非均匀分布,位于中心位置附近的光束将先于边缘部分达到增益饱和。通过控制泵浦光强就可以使光强分布趋于均匀化,产生平顶光束。但是,该方法需要在激光器谐振腔内注入很高的能量密度才能产生增益饱和效应,获得的光束的空间强度分布不够均匀,动态范围较窄(只能在有限的功率范围内获得近平顶光束)。使用增益介质的饱和吸收整形典型工作有:谭荣清等人利用对TEA CO2激光器研究,当注入能量54J,增益介质的饱和能量密度约为74mJ/cm2情况下,实现输出光光束宽度约为18.4mm典型的“平顶型”结构的激光光束。(参考文献:谭荣清,万重怡,谢文杰.TEA CO2激光输出的平顶型模式研究[J].中国激光,2001(07):580-582.)本发明的原理是在主被动双调Q的基础上,利用非均匀掺杂浓度或不均匀形状的可饱和吸收体,调控激光光束在横截面上的损耗分布,最终实现平顶光束输出。本发明提供的方法可同步实现脉冲激光的时域脉宽压缩和空间整形。
已有的激光整形方法一般需要增加额外的光学透镜组或衍射元件,不仅增加了设计与调试难度、提高了制作成本,也可能导致输出光束相干性的退化。
因此,亟需一种结构简单、能量损耗低、有效整形空间区域范围大的脉冲激光空间整形方案。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种可以在高效利用可饱和吸收体损耗、常规谐振腔长、易操作、不插入其它整形元件条件下实现不仅局限于平顶光束的脉冲光输出。本发明的核心为:在谐振腔内放置2个Q开关,前一个为电光调Q开关,后一个为非均匀可饱和吸收体,通过设计腔内可饱和吸收体的掺杂离子分布或形状,并设计谐振腔结构调控可饱和吸收体处的内腔光束尺寸,使得高斯光束通过可饱和吸收体后的吸收损耗呈现非均匀的径向分布。通过电光调Q结合被动调Q获得重复频率稳定、脉冲宽度窄、脉冲强度分布均匀的激光脉冲。
本发明适用于固体脉冲激光器系统,方法在于通过设计非均匀可饱和吸收体以及调控内腔光束尺寸,以此可实现包括平顶光束在内的不同空间强度分布的脉冲激光输出。
为了达到上述目的,本发明采用了下列技术方案:
一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置,包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体、输出镜;
所述泵浦源作为泵浦光光源,泵浦光经过输入镜,并使激光增益介质粒子数反转,当反转粒子数密度最大时,电光Q开关打开,谐振腔内形成激光振荡,并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体,最后由输出镜输出脉冲激光。
一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置,包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、凸面高反镜、非均匀可饱和吸收体、输出镜;
所述泵浦源作为泵浦光光源,泵浦光经过输入镜并使激光增益介质粒子数反转,当反转粒子数密度最大时,电光Q开关打开,谐振腔内形成激光振荡,并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、经凸面高反镜反射通过非均匀可饱和吸收体,最后由输出镜输出脉冲激光。
一种基于非均匀形状可饱和吸收体的脉冲激光空间整形方法,包括以下步骤:
步骤1,选取目标脉冲激光的整形形状;
步骤2,根据目标脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或形状;
步骤3,基于设计的非均匀可饱和吸收体,利用程序调整激光器谐振腔的参数,并且满足谐振腔的稳定性、激光增益介质及非均匀可饱和吸收体处光斑尺寸适宜;
步骤4,根据理论设计的谐振腔参数,搭建脉冲激光空间整形装置,实现目标脉冲激光光束输出。
进一步,所述目标脉冲激光的整形形状为平顶光束、超高斯分布光束以及其它光束分布。
进一步,所述步骤2中根据目标脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或形状,具体为:首先根据目标脉冲激光的整形形状及腔型结构建立速率方程,非均匀可饱和吸收体基态粒子数密度的初始值定为总粒子数,激光增益介质的初始反转粒子数密度泵浦光参数决定,谐振腔内光子数密度的初始荧光分布为均匀分布,电光Q开关打开时,谐振腔内形成激光振荡,并通过非均匀可饱和吸收体,使其达到目标脉冲激光的空间分布,利用初始条件与边界条件,得出掺杂浓度分布或形状。
进一步,所述步骤3中程序具体为:根据腔内设计的非均匀可饱和吸收体的形状与尺寸,建立ABCD矩阵,利用谐振腔的稳定性条件、激光增益介质及可饱和吸收体处光斑尺寸适宜,调整谐振腔内各个元件的位置参数。
1、选择脉冲激光的整形形状,设计非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或空间分布:
首先设计非均匀可饱和吸收体中离子掺杂浓度的径向分布,使得光束吸收损耗呈现非均匀的径向分布,当可饱和吸收体导致的径向吸收损耗分布满足一定的条件时,即可实现平顶光束输出。为了实现更窄的输出脉宽、更高的单脉冲能量和峰值功率,因此设计图2、图3双调Q脉冲激光器装置,并根据目标脉冲激光的整形形状设计可饱和吸收体掺杂分布或形状;
假设对于腔内径向光子数密度实现调控的仅由可饱和吸收体的影响,首先理论计算可饱和吸收体位置处光子数密度Φs(r,t)和基态粒子数密度ns1(r,t)随时间、空间的变化方程,它与掺杂粒子性质(吸收截面、激发态寿命)和可饱和吸收体的长度、掺杂粒子数密度n(r)等有关;
理论计算可饱和吸收体位置处光子数密度φs(r,t)和基态粒子数密度ns1(r,t)随时间、空间的变化方程,具体计算:
其中,nl(r,t)、ns1(r,t)和n(r)分别为激光增益介质反转粒子数密度、可饱和吸收体的基态粒子密度和总粒子数密度;σ、σg和σe分别为激光增益介质受激辐射截面、可饱和吸收体的基态和激发态吸收截面;l和ls分别为激光增益介质及非均匀可饱和吸收体的长度;φg(r,t)为激光增益介质处光子数密度分布;τs是非均匀可饱和吸收体激发态寿命;tr是光在谐振腔中的往返时间。
所述设计的非均匀可饱和吸收体使得输出光束为平顶光束输出,具体包括:需要脉冲激光在腔内的平均振荡时间中腔内光子数密度对半径的微分为零,即(dΦs(r,mtr))/dr=0。通过数值模拟计算得出几种不同种类的可饱和吸收体,其中一种是掺杂离子浓度随半径变化的Cr4+:YAG晶体,离子掺杂浓度分布为n(r)=0.15at.%exp(-0.2r2),厚度为3mm;另一种是Cr4+:YAG平凸透镜晶体,其中一端为平面另一端为R=50mm的凸面,这里两款透镜的中心厚度4mm,初始透过率百分之70。
2、根据所设计的可饱和吸收体,利用程序调整附图2、3脉冲激光器谐振腔参数,满足谐振腔的稳定性、激光增益介质处光斑尺寸适宜。作为一种具体的实施方式,根据非均匀可饱和吸收体的形状与尺寸,建立ABCD矩阵,为了使得输出脉冲激光具有更窄的脉冲宽度,设计谐振腔长尽可能短,泵浦光在激光晶体处光斑尺寸为150μm至250μm。并且满足热透镜效应和谐振腔稳定性条件。
3、根据图2、3搭建脉冲激光整形装置。根据图2具体实施条件为:泵浦源采用中心波长为880nm LD激光器;激光增益介质采用尺寸为3×3×2+3×3×6mm3 YVO4+1%Nd:YVO4晶体;可饱和吸收体为不均匀掺杂的Cr4+:YAG晶体,薄膜偏振片消光比为1000:1,电光调Q晶体为两块正交放置的RTP晶体,四分子一波电压为860V。输入镜为减反(AR)T=98%@880nm并且高反(HR)R=99.8%@1064nm的双色镜,输出耦合镜采用曲率半径1000mm、T=60%@1064nm的平凹镜。
4、电光Q开关关闭时,腔内处于高损耗状态,无法产生激光振荡,当激光晶体反转粒子数密度达到最大时,Q开关打开(电光晶体处加载四分之一波电压),腔内产生激光振荡,由于非均匀可饱和吸收体的不均匀损耗,使得腔内振荡激光空间分布被吸收损耗调控,最终实现目标脉冲激光输出。
所述非均匀可饱和吸收体介质用于放置于激光器的谐振腔中。若可饱和吸收体的端面不均匀切割,腔型设计中需要考虑光束聚焦作用效果。所述施加于可饱和吸收体介质的泵浦功率为功率可变化的泵浦光。实验中取电光晶体1KHz频率,在图2双调Q脉冲激光器装置下,脉冲激光的最终输出脉冲宽度稳定在4.3ns左右,图6为输出的脉冲激光光束的径向强度分布图。
与现有技术相比本发明具有以下优点:
本发明方法参考图2、3脉冲激光器的装置,通过非均匀可饱和吸收体掺杂浓度或空间分布,实现压缩激光脉宽和空间整形双重作用。该方法可大幅减少其它整形元件带来的造价成本,而且整个激光系统也更加简单方便,尺寸和重量也减少,实现一体化的短脉冲高峰值功率的平顶激光光束输出,有效解决了现有技术中脉冲激光整形系统复杂问题。
本发明提供的脉冲激光空间整形方法,通过设计非均匀可饱和吸收体径向分布,使得光束横截面被非均匀可饱和吸收体所调控,最终能够实现目标脉冲激光输出。
本发明方法利用可饱和吸收体对光束空间整形,它不仅不影响到激光本身的输出,而且减轻了由于高斯光束的强度过于集中在中心部分,高功率下导致腔内激光增益介质和光学元件的损伤,极大提升脉冲激光器整体性能。
本发明方法解决了传统激光光束整形系统导致其整个装置结构复杂,调节困难,无需其它整形元件、方法简单、易于操作、成本较低。具有极高的应用价值和实用价值。
本发明方法可应用于不仅仅局限于此装置下的脉冲激光器,对于其它类型的脉冲激光器装置也适用。
附图说明
图1为本发明提供的脉冲激光空间整形方法流程图;
图2为本发明实施例1提供的一种基于非均匀掺杂可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置;
图3为本发明实施例2提供的一种基于非均匀形状可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置;
图4为本发明提供的一种非均匀掺杂可饱和吸收体的结构示意图;
图5为本发明提供的一种非均匀形状可饱和吸收体的结构示意图;
图6为本发明实施例提供的在一定电光晶体重复频率下最终输出的脉冲激光强度分布图;
其中,1-泵浦源,2-输入镜,3-激光增益介质,4-薄膜偏振片,5-电光调Q晶体,6-四分之一波片,7-非均匀可饱和吸收体,8-输出镜,9-凸面高反镜。
具体实施方式
实施例1
如图2所示,一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置包括泵浦源1、输入镜2、激光增益介质3、薄膜偏振片4、电光调Q晶体5、四分之一波片6、非均匀可饱和吸收体7、输出镜8;
所述泵浦源1作为泵浦光光源,泵浦光经过输入镜2,并使激光增益介质3粒子数反转,当反转粒子数密度最大时,电光Q开关打开,谐振腔内形成激光振荡,并依次通过薄膜偏振片4、电光调Q晶体5、四分之一波片6,非均匀可饱和吸收体7、最后由输出镜8输出脉冲激光。
实施例2
如图3所示,一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置包括泵浦源1、输入镜2、激光增益介质3、薄膜偏振片4、电光调Q晶体5、四分之一波片6、非均匀可饱和吸收体7、输出镜8、凸面高反镜9;
所述泵浦源1作为泵浦光光源,泵浦光经过输入镜2,并使激光增益介质3粒子数反转,当反转粒子数密度最大时,电光Q开关打开,谐振腔内形成激光振荡,并依次通过薄膜偏振片4、电光调Q晶体5、四分之一波片6,经凸面高反镜9反射通过非均匀可饱和吸收体7,最后由输出镜8输出脉冲激光。
实施例3
如图1所示,本实施例提供了一种基于实施例1或2所述整形装置的脉冲激光空间整形方法,包括以下步骤:
S1、选取目标脉冲激光的整形形状。如:平顶光束、超高斯分布光束以及其它类型光束分布等。
S2、根据脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或空间形状。以平顶光束输出为例:
首先建立速率方程,理论计算非均匀可饱和吸收体位置处光子数密度Φs(r,t)和基态粒子数密度ns1(r,t)随时间、空间的变化方程。它与掺杂粒子性质(吸收截面、激发态寿命)、非均匀可饱和吸收体的长度和掺杂粒子数密度分布n(r)等有关。Cr4+:YAG具有较高的吸收效率以及成本低的特点。其基态吸收截面σg=4.3×10-18cm2,激发态吸收截面σe=8.2×10-19cm2,可饱和吸收体激发态寿命τs=3.2us。电光Q开关打开时,腔内形成激光振荡,并假设形成的振荡激光分布为高斯分布,当振荡激光在腔内通过非均匀可饱和吸收体时,实现光束的空间调控。若输出光束为平顶分布,需要光子在腔内的平均振荡时间mtr时刻光子数密度Φs(r,mtr)不随半径发生变化,即(dΦs(r,mtr))/dr=0,通过数值模拟,其掺杂粒子浓度随半径的变化关系n(r)∝n(0)exp(-kr2/m),其中n(0)为非均匀可饱和吸收体中心掺杂浓度;或者在可饱和吸收体掺杂浓度不变的情况下,得出端面切割厚度与半径的关系。
通过数值模拟计算得出了两种不同种类的非均匀可饱和吸收体,其中一种为圆柱形状,长度和通光直径都为3mm,掺杂离子浓度随半径n(r)∝0.15at.%exp(-0.2r2)变化的Cr4+:YAG晶体,另一种是Cr4+:YAG平凸透镜晶体,其中一端为平面另一端为R=50mm的凸面,通光直径为3mm,中心厚度4mm,初始透过率百分之70,具体如图4、图5所示。
S3、根据理论设计的非均匀可饱和吸收体掺杂浓度或形状,利用程序调整图2脉冲激光器谐振腔参数,包括谐振腔长、输出镜透过率与内腔损耗,并且满足腔的稳定性、激光增益介质及非均匀可饱和吸收体处光斑尺寸适宜。作为一种具体的实施方式,根据腔内设计的非均匀可饱和吸收体的形状与尺寸,建立ABCD矩阵,为了使得输出脉冲激光具有更窄的脉冲宽度,设计腔长尽可能短,泵浦光在激光晶体处光斑尺寸为150μm至250μm。并且满足热透镜效应和谐振腔稳定性条件。
S4、根据前述步确定的腔形结构搭建脉冲激光空间整形装置,图2所搭建整形装置的实施条件为:泵浦源采用中心波长为880nm LD激光器;激光增益介质采用尺寸为3×3×2+3×3×6mm3YVO4+1%Nd:YVO4晶体;可饱和吸收体为不均匀掺杂的Cr4+:YAG晶体,薄膜偏振片消光比为1000:1,电光调Q晶体为两块正交放置的RTP晶体,四分子一波电压为860V。输入镜为减反(AR)T=98%@880nm并且高反(HR)R=99.8%@1064nm的双色镜,输出耦合镜采用曲率半径1000mm、T=60%@1064nm的平凹镜。
具体地,设置电光Q开关1KHz频率,以图2双调Q脉冲激光器,脉冲激光的最终输出脉冲宽度稳定在4.3ns左右,图6为输出的脉冲激光光束的径向强度分布图。
本实施例提供的方法适用于任意含有可饱和吸收体脉冲激光整形系统,该方法不限于电光调Q晶体种类。该方法中控制输出激光为平顶光束不限于可饱和吸收体的种类(如Cr4+:GSAG、Cr4+:GSGG、Cr4+:Mg2SiO4、GsAs晶体等)。该方法可应用于采用侧面泵浦、端面泵浦或多端面泵浦等不同泵浦方式的全固态脉冲激光器。该方法所用脉冲激光器的增益介质可以是Nd:YVO4、Nd:GdVO4等钒酸盐晶体,Nd:YAG、Yb:YAG、Nd:YAP等钇铝石榴石晶体。该方法不仅可应用于L形折叠腔还可以是条形腔、V形折叠腔、和Z形折叠腔等不同腔型的驻波腔激光器。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置,其特征在于,包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体、输出镜;
所述泵浦源作为泵浦光光源,泵浦光经过输入镜,并使激光增益介质粒子数反转,当反转粒子数密度最大时,电光Q开关打开,谐振腔内形成激光振荡,并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体,最后由输出镜输出脉冲激光。
2.一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置,其特征在于,包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、凸面高反镜、非均匀可饱和吸收体、输出镜;
所述泵浦源作为泵浦光光源,泵浦光经过输入镜并使激光增益介质粒子数反转,当反转粒子数密度最大时,电光Q开关打开,谐振腔内形成激光振荡,并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、经凸面高反镜反射通过非均匀可饱和吸收体,最后由输出镜输出脉冲激光。
3.一种基于权利要求1或2所述装置的脉冲激光空间整形方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,选取目标脉冲激光的整形形状;
步骤2,根据脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或形状;
步骤3,根据理论设计的非均匀可饱和吸收体,利用程序调整激光器谐振腔的参数,并且满足谐振腔的稳定性、激光增益介质及非均匀可饱和吸收体处光斑尺寸适宜;
步骤4,根据以上设计的谐振腔参数,搭建脉冲激光空间整形装置;
4.根据权利要求3所述的一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形方法,其特征在于,所述目标脉冲激光的整形形状为平顶光束、超高斯分布光束以及其它类型光束分布。
5.根据权利要求3所述的一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形方法,其特征在于,所述步骤2中根据脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或形状,具体步骤为:首先根据目标脉冲激光的整形形状及腔型结构建立速率方程,可饱和吸收体基态粒子数密度的初始值定为总粒子数,激光增益介质的初始反转粒子数密度泵浦光参数决定,谐振腔内光子数密度的初始荧光分布为均匀分布,电光Q开关打开时,谐振腔内形成激光振荡,并通过非均匀可饱和吸收体,使其达到目标脉冲激光的空间分布,利用初始条件与边界条件,得出掺杂浓度分布或形状。
6.根据权利要求3所述的一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形方法,其特征在于,所述步骤3中程序具体为:根据谐振腔内设计的非均匀可饱和吸收体的形状与尺寸,建立ABCD矩阵,利用谐振腔的稳定性条件、可饱和吸收体及激光增益介质处光斑尺寸适宜,调整谐振腔内各个元件的位置参数。
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CN115810974A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-03-17 | 长春理工大学 | 一种渐变掺杂被动调q晶体平顶激光装置及输出方法 |
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CN103036137A (zh) * | 2012-12-30 | 2013-04-10 | 山东大学 | 产生高稳定、低重复频率、亚纳秒锁模脉冲激光的方法 |
CN111628399A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-09-04 | 西北核技术研究院 | 电激励非链式脉冲hf激光器被动脉宽压缩方法及激光器 |
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