CN117239524A - 一种高功率单频脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种高功率单频脉冲激光器，包括泵浦光提供装置、种子光提供装置、从动激光器、光探测器以及伺服控制系统；从动激光器设置在泵浦光提供装置和种子光提供装置的出射光路上，光探测器设置在从动激光器输出的探测光的出射光路上，伺服控制系统接收光探测器输出的误差信号并依据误差信号控制从动激光器的腔长；其中，从动激光器为环形谐振腔，探测光为从动激光器输出的正向透射光和反向透射光，光探测器具有差分探测特性。本申请利用从动激光器的环形谐振腔的振荡光有两个不同的传播方向的特点获得高信噪比的误差信号，有效避免了无法获取误差信号，难以实现注入锁定的问题。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，更具体地，涉及一种高功率单频脉冲激光器。
背景技术
纳秒激光器具有较短的脉冲宽度和较高的峰值功率，能够提供高能量、高峰值功率的脉冲激光输出。这使得它在高分辨率激光光谱、超快动力学、激光雷达、非线性光学、激光加工等领域具有广泛应用，是多普勒测风激光雷达、大气成分测量、相干光通信、引力波探测、太空碎片探测、抽运光参量振荡器等领域不可或缺的光源。虽然在腔内插入选频元件可以降低脉冲激光器的线宽，但与此同时也增加了腔内损耗，降低了功率水平。一旦激光器峰值功率过高，便会损坏选频元件。
为了实现高功率脉冲激光单频输出，采用注入锁定法是更好的选择。该方法用一个窄线宽、低功率的激光器作为主激光器，将其发射的种子光注入到可输出高功率振荡光的从动激光器中，当从动激光器谐振模式在种子光的频率处起振时，将会抑制自由运转的模式，输出与主动激光器相同频率的激光，即将从动激光器锁定在主动激光器上，从而达到激光单频运转的目的。这种技术既简化了腔的结构，减少损耗，又可降低激光输出阈值，提高其激光输出性能。
为了产生锁定谐振腔所需的误差信号，需要在种子光上加载调制信号，然而随着所研制的脉冲激光器输出功率不断增加，其输出峰值功率达到百兆瓦甚至更高，相比于从动激光器透射的脉冲振荡光，注入的种子光功率和加载在种子光上的调制信号微乎其微，直接被脉冲激光淹没，导致无法获取误差信号以达到锁腔目的。
发明内容
本申请提供一种高功率单频脉冲激光器，利用从动激光器的环形谐振腔的振荡光有两个不同的传播方向的特点，利用谐振腔在种子光频率处共振时正向透射光和反向透射光的输出功率差最大的特点获得高信噪比的误差信号，有效避免了由于脉冲光峰值功率远大于种子光功率，且调制信号较小而导致的无法获取误差信号，难以实现注入锁定的问题。
本申请提供了一种高功率单频脉冲激光器，包括泵浦光提供装置、种子光提供装置、从动激光器、光探测器以及伺服控制系统；
从动激光器设置在泵浦光提供装置和种子光提供装置的出射光路上，光探测器设置在从动激光器输出的探测光的出射光路上，伺服控制系统接收光探测器输出的误差信号并依据误差信号控制从动激光器的腔长；
其中，从动激光器为环形谐振腔，探测光为从动激光器输出的正向透射光和反向透射光，光探测器具有差分探测特性。
优选地，光探测器包括减法器和第一电容；
减法器包括第一光敏二极管和第二光敏二极管，第一光敏二极管的负极与电源正极连接，第一光敏二极管的正极与第二光敏二极管的负极连接，第二光敏二极管的正极与电源负极连接；
第一电容的第一端接地，第一电容的第二端与第一光敏二极管的正极连接，第一电容的第二端为光探测器的输出端。
优选地，光探测器还包括反向比例放大器，反向比例放大器的第一端与第一电容的第二端连接，反向比例放大器的输出端为光探测器的输出端。
优选地，光探测器还包括二阶滤波器，二阶滤波器的输入端与反向比例放大器的输出端连接，二阶滤波器的输出端为光探测器的输出端。
优选地，伺服控制系统包括锁相放大器、比例-积分-微分控制器、控制开关、高压放大器以及信号源；
锁相放大器的输入信号为光探测器输出的误差信号，锁相放大器的输出端与比例-积分-微分控制器的输入端连接，比例-积分-微分控制器的第一输出端与控制开关的第一输入端连接，信号源的输出端与控制开关的第二输入端连接，控制开关的输出端与高压放大器的输入端连接，高压放大器的输出端与从动激光器内的压电陶瓷连接。
优选地，伺服控制系统还包括示波器，示波器的输入端与比例-积分-微分控制器连接。
优选地，反向比例放大器包括第一电阻、放大器、第二电容和第二电阻；
放大器、第二电容和第二电阻并联，形成并联部，放大器的正输入端接地，放大器的负输入端为并联部的输入端；
第一电阻的第一端与第一电容的第二端连接，第一电阻的第二端与并联部的输入端连接，并联部的输出端为光探测器的输出端。
优选地，从动激光器为基于增益晶体的激光器。
优选地，从动激光器采用四镜或六镜环形谐振腔。
优选地，二阶滤波器包括电感和第三电容，电感的第一端与反向放大器的输出端连接，电感的第二端与第三电容的第一端连接，第三电容的第二端接地，电感的第二端作为光探测器的输出端。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且连同其说明一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请提供的高功率单频脉冲激光器的一个实施例的结构图；
图2为本申请提供的光探测器的一个优选实施例的结构图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
本申请提供一种高功率单频脉冲激光器，利用从动激光器的环形谐振腔的振荡光有两个不同的传播方向的特点，利用谐振腔在种子光频率处共振时正向透射光和反向透射光的输出功率差最大的特点获得高信噪比的误差信号，有效避免了由于脉冲光峰值功率远大于种子光功率，且调制信号较小而导致的无法获取误差信号，难以实现注入锁定的问题。
如图1所示，本申请提供的高功率单频脉冲激光器包括泵浦光提供装置、种子光提供装置、从动激光器3、光探测器7以及伺服控制系统8。从动激光器3设置在泵浦光提供装置和种子光提供装置的出射光路上，光探测器7设置在从动激光器3输出的探测光的出射光路上，伺服控制系统8接收光探测器7输出的误差信号并依据误差信号控制从动激光器3的腔长。
如图1所示，泵浦光提供装置包括泵浦激光器1和泵浦耦合装置2，泵浦耦合装置2位于泵浦激光器1的出射光路上，从动激光器3设置在泵浦耦合装置2的出射光路上，泵浦激光器1输出的泵浦光束经泵浦耦合装置2整形聚焦后进入从动激光器3。
可选地，泵浦激光器1为固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等可输出高功率脉冲光的激光器。
如图1所示，种子光提供装置包括主动激光器4、隔离器5和光耦合装置6。主动激光器4发射单频种子光，隔离器5位于主动激光器4的出射光路上，隔离器5保证种子光单向传输，种子光耦合装置6位于隔离器5的出射光路上，种子光耦合装置6将种子光进行整形，使其与从动激光器3的振荡模式匹配。
可选地，主动激光器4为固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等单频激光器。
从动激光器3为环形谐振腔，谐振腔的镜子数量可以是奇数(例如三镜、五镜)，也可以偶数(例如四镜、六镜)。从动激光器3可以是基于增益晶体的激光器(例如钛宝石激光器)等任意需要压窄线宽的高功率脉冲激光器。
作为一个实施例，如图1所示，从动激光器3为钛宝石激光器，采用8字四镜环形腔。从动激光器3包括第一凹面镜31、第二凹面镜32、第一平面镜33、第二平面镜34以及钛宝石增益晶体35。钛宝石增益晶体35设置在第一凹面镜31和第二凹面镜32之间，第一平面镜33上粘接有压电陶瓷36，其中，改变压电陶瓷36的电压可以改变从动激光器3谐振腔的腔长，实现选择起振模式。
其中，选取透射率大的第二平面镜34作为种子光的注入耦合镜，这样可以让更多的种子光进入腔内。选取第二凹面镜32透射的微量脉冲振荡光作为探测光。
从动激光器3内的振荡光具有正向31-35-32-33-34-31和反向31-34-33-32-35-31两个方向的传播路径，一部分正向传播振荡光和一部分反向传播振荡光经第二凹面镜32透射，形成正向透射光和反向透射光，形成光探测器7的探测光进入光探测器7。本申请中，探测光为正向透射光和反向透射光，而不是现有技术中的振荡光和种子光，有效避免了由于脉冲光功率远大于种子光功率，且调制信号较小而导致的无法获取误差信号，难以实现注入锁定的问题。
光探测器具有差分探测特性。作为一个实施例，请参考图2，光探测器包括减法器9和第一电容C1。减法器9包括第一光敏二极管PD1和第二光敏二极管PD2，第一光敏二极管PD1的负极与电源正极(+12V)连接，第一光敏二极管PD1的正极与第二光敏二极管PD2的负极连接，第二光敏二极管PD2的正极与电源负极(-12V)连接。第一电容C1的第一端接地，第一电容C1的第二端与第一光敏二极管PD1的正极连接，第一电容C1的第二端为光探测器7的输出端。
在该实施例中，从动激光器3的正向透射光为第一光敏二极管PD1的探测光，从动激光器3的反向透射光为第二光敏二极管PD2的探测光。两束探测光通过减法器9获得差分信号。第一电容C1有通高频信号、阻低频信号的作用，正向透射光和反向透射光分别被转换成电信号后，其中高频信号经过第一电容C1接地，剩下的低频信号作为光探测器7输出的误差信号输出给伺服控制系统8。
优选地，如图2所示，光探测器7还包括反向比例放大器10，反向比例放大器10的第一端与第一电容C1的第二端连接，反向比例放大器10的输出端为光探测器7的输出端。
如图2所示，反向比例放大器10包括第一电阻R1、放大器U、第二电容C2和第二电阻R2。其中，放大器U、第二电容C2和第二电阻R2并联，形成并联部。放大器U的正输入端接地，放大器U的负输入端为并联部的输入端。第一电阻R1的第一端与第一电容C1的第二端连接，第一电阻R1的第二端与并联部的输入端连接，并联部的输出端为光探测器的输出端。第一电容C1输出的低频信号经反向比例放大器10获得的放大信号作为光探测器7输出的误差信号输出给伺服控制系统8。
更优选地，如图2所示，光探测器7还包括二阶滤波器11，二阶滤波器11的输入端与反向比例放大器10的输出端连接，二阶滤波器11的输出端为光探测器7的输出端。
如图2所示，二阶滤波器11包括电感L和第三电容C3，电感L的第一端与反向放大器10的输出端连接，电感L的第二端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端接地，电感L的第二端作为光探测器7的输出端。反向放大器10输出的放大信号经二阶滤波器11滤波后获得的滤波信号作为光探测器7输出的误差信号输出给伺服控制系统8。
第一光敏二极管PD1和第二光敏二极管PD2分别将探测光转换成正向电流信号和反向电流信号。当谐振腔与种子光频率完全失谐时，正向探测光和反向探测光的功率相同，获得的正向透射光和反向透射光的功率差为0。当谐振腔在种子光的频率处起振时，正向透射光增大，反向透射光消失，此时获得的正向透射光和反向透射光的功率差最大。
作为一个实施例，如图1所示，伺服控制系统8包括锁相放大器81、比例-积分-微分控制器82、控制开关85、高压放大器86以及信号源84。
锁相放大器81的输入信号为光探测器7输出的误差信号，锁相放大器81的输出端与比例-积分-微分控制器82的输入端连接，比例-积分-微分控制器82的第一输出端与控制开关85的第一输入端连接，信号源84的输出端与控制开关85的第二输入端连接，控制开关85的输出端与高压放大器86的输入端连接，高压放大器86的输出端与从动激光器3内的压电陶瓷36连接。
优选地，如图2所示，伺服控制系统8还包括示波器81，示波器81的输入端与比例-积分-微分控制器82连接。
光探测器7输出的误差信号经过锁相放大器81和比例-积分-微分控制器82控制后，比例-积分-微分控制器82将误差信号实时输入示波器83，示波器83显示用于表示误差信号的鉴频曲线。
通过控制开关85可以切换注入锁定系统的工作模式。当控制开关85处于扫描状态时，高压放大器86由信号源84提供调制信号，驱动压电陶瓷36大范围扫描腔长。当差分信号最大时，示波器83显示的鉴频信号的斜率最大，此时通过控制开关85切换伺服控制系统8的工作模式，使得控制开关85处于锁定状态，高压放大器86由比例-积分-微分控制器82输出的反馈信号控制，使得腔长在共振点附近小范围扫描，将从动激光器3的谐振腔腔长稳定地锁定在种子光频率谐振处，此时扫描信号被锁定在透射峰的最高处，此时从动激光器3输出单频的高功率脉冲激光。
由泵浦光提供装置提供的高功率脉冲泵浦光注入从动激光器3，生成高功率脉冲振荡光。从动激光器3的振荡光存在正向和反向两个传播方向。当从动激光器3的谐振腔自由运转时，两个方向的透射光功率基本相等，通过光探测器的差分作用，获得基线为零的信号。一旦种子光注入，由于频率牵引作用，谐振腔会实现单向运转，此时正向光的功率会增强，反向光的功率会减弱。当谐振腔完全在种子光频率处振荡时，反向透射光消失，功率全部集中在正向透射光，此时探测到的信号差最大。由此通过测量从动激光器3的正向透射光和反向透射光的功率差的变化，获得明显的误差信号。
需要说明的是，注入的种子光的功率必须合适，当种子光功率过高时，正向光的探测信号容易饱和，此时中心频率的峰值不再增加，反而容易激发小模，把谐振腔振荡频率牵引到小模上，影响频率锁定；当种子光功率偏低时，反向光不能完全抑制，导致输出功率降低。种子光的功率依据实际情况而定。
本申请提供的高功率单频脉冲激光器易于输出功率更高、具有更高稳定性的单频脉冲光，具有较高的实用价值。
虽然已经通过例子对本申请的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本申请的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本申请的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本申请的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种高功率单频脉冲激光器，其特征在于，包括泵浦光提供装置、种子光提供装置、从动激光器、光探测器以及伺服控制系统；
所述从动激光器设置在所述泵浦光提供装置和所述种子光提供装置的出射光路上，所述光探测器设置在所述从动激光器输出的探测光的出射光路上，所述伺服控制系统接收所述光探测器输出的误差信号并依据所述误差信号控制所述从动激光器的腔长；
其中，所述从动激光器为环形谐振腔，所述探测光为所述从动激光器输出的正向透射光和反向透射光，所述光探测器具有差分探测特性。
2.根据权利要求1所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述光探测器包括减法器和第一电容；
所述减法器包括第一光敏二极管和第二光敏二极管，所述第一光敏二极管的负极与电源正极连接，所述第一光敏二极管的正极与所述第二光敏二极管的负极连接，所述第二光敏二极管的正极与电源负极连接；
所述第一电容的第一端接地，所述第一电容的第二端与所述第一光敏二极管的正极连接，所述第一电容的第二端为所述光探测器的输出端。
3.根据权利要求2所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述光探测器还包括反向比例放大器，所述反向比例放大器的第一端与所述第一电容的第二端连接，所述反向比例放大器的输出端为所述光探测器的输出端。
4.根据权利要求3所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述光探测器还包括二阶滤波器，所述二阶滤波器的输入端与所述反向比例放大器的输出端连接，所述二阶滤波器的输出端为所述光探测器的输出端。
5.根据权利要求1所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述伺服控制系统包括锁相放大器、比例-积分-微分控制器、控制开关、高压放大器以及信号源；
所述锁相放大器的输入信号为所述光探测器输出的误差信号，所述锁相放大器的输出端与所述比例-积分-微分控制器的输入端连接，所述比例-积分-微分控制器的第一输出端与所述控制开关的第一输入端连接，所述信号源的输出端与所述控制开关的第二输入端连接，所述控制开关的输出端与所述高压放大器的输入端连接，所述高压放大器的输出端与所述从动激光器内的压电陶瓷连接。
6.根据权利要求5所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述伺服控制系统还包括示波器，所述示波器的输入端与所述比例-积分-微分控制器连接。
7.根据权利要求3所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述反向比例放大器包括第一电阻、放大器、第二电容和第二电阻；
所述放大器、所述第二电容和所述第二电阻并联，形成并联部，所述放大器的正输入端接地，所述放大器的负输入端为所述并联部的输入端；
所述第一电阻的第一端与所述第一电容的第二端连接，所述第一电阻的第二端与所述并联部的输入端连接，所述并联部的输出端为所述光探测器的输出端。
8.根据权利要求1所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述从动激光器为基于增益晶体的激光器。
9.根据权利要求8所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述从动激光器采用四镜或六镜环形谐振腔。
10.根据权利要求4所述的高功率单频脉冲激光器，其特征在于，所述二阶滤波器包括电感和第三电容，所述电感的第一端与所述反向放大器的输出端连接，所述电感的第二端与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端接地，所述电感的第二端作为所述光探测器的输出端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |