CN117277038A - 基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器及控制方法，激光器包括U型谐振腔、泵浦源和电路控制单元；U型谐振腔包括作为输入镜的全反镜，作为耦合输出镜的平面部分反射镜；依次呈U型设于全反镜和平面部分反射镜之间的电光调Q开关、第一45°反射镜、双激光晶体和第二45°反射镜；泵浦源包括半导体激光器、光纤以及泵浦光耦合单元；半导体激光器输出的泵浦光经过光纤耦合连接至泵浦光耦合单元对双激光晶体提供泵浦能量，采用双晶体串接结构配合单端连续泵浦的方式，使得两个晶体保证对泵浦光高吸收的同时，能够降低单个晶体热负载，同时还可以获得更高的输出功率、较好的光束质量。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，更具体地，涉及基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器及控制方法。
背景技术
激光二极管泵浦的固体脉冲激光器具有转换效率高、光束质量好、重复频率高、结构紧凑等优点，广泛应用于激光雷达、激光测距、激光精密加工、空间光通信及医学等诸多领域。随着调Q技术的快速发展和晶体材料性能的不断提高，激光二极管泵浦的固体脉冲激光器的输出参数在不断优化，可以实现机载平台要求的高重复频率、窄脉宽激光输出，但是仍然面临着高功率泵浦下的热效应管理问题。由于固体激光介质吸收泵浦能量后不可避免的产生诸如热梯度、热应力、热透镜、热致双折射及热退偏等热效应，泵浦功率的升高会明显增加激光介质的热效应，导致激光输出功率和稳定性降低，光束质量变差，在机载环境下，这种影响会越发严重，大大限制了激光输出性能的提高。
目前在高功率泵浦下，可通过大的模体积匹配和增强有效散热的方法，使得从激光介质中高效率地提取能量，降低热效应的不良影响，从而获得高光束质量激光输出。但是大的模体积就意味着有较大的腔内振荡光束半径和较长的光学腔长，而光束半径过大会影响激光转换效率的提高，腔长过长也不利于窄脉宽的产生。此外加强激光介质的有效散热势必会带来结构上的复杂性。因此高功率泵浦和高光束质量之间相互矛盾制约，阻碍了机载脉冲激光器向更高性能的发展。
现有技术有采用激光二极管阵列侧面泵浦激光板条晶体，通过一体化热沉设计增强散热，利用高精度温控单元对激光晶体和泵浦源进行有效温度控制，并采用双正交Porro棱镜组合偏振输出腔型，来提高固体激光光源抗机载振动及宽温环境引起的腔镜失谐的能力，但采用此种腔型的激光器因腔内损耗较大，多数只能输出重复频率低于1kHz的脉冲激光输出，不适用于高重复频率脉冲激光输出。现有技术也有采用两组激光二极管侧面泵浦双晶体棒串接结构，在双晶体棒之间插入90°石英旋光片对侧泵模块下的热效应进行补偿，并通过在腔内设置负透镜和小孔光阑来增大谐振腔的基模体积，但其腔内元件较多，腔长较长，难以获得窄脉宽激光输出。现有技术还有采用双单端泵浦双晶体棒串接结构分担热量，并采用泵浦光回收再利用装置对未被晶体完全吸收的泵浦光回收利用以提高激光器的转换效率，同时采用热补偿负透镜对晶体的热透镜效应进行补偿,但固定焦距的负透镜难以完全补偿动态变化的热透镜效应，不适用于高功率泵浦条件，同时也增加了腔型结构的复杂性。
由上可见，现有的高重频机载脉冲激光器因为高功率泵浦下激光介质热效应等原因导致输出功率受限以及输出光束质量较差，所采用的热效应改善方法难以实现高光束质量高功率输出同时保持激光器整体结构的小型化，限制了高重频脉冲激光器在机载平台的应用。
因此，急需一种结构紧凑、空间体积小，不易出现热饱和，能够降低激光器热效应的不良影响，能够有效提高泵浦光转换效率，能够满足机载平台应用的高光束质量高重频脉冲激光输出的激光器。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器及控制方法，包括U型谐振腔、泵浦源和电路控制单元；所述U型谐振腔包括作为输入镜的0°全反镜，作为耦合输出镜的平面部分反射镜，依次设于所述全反镜和平面部分反射镜之间的电光调Q开关、第一45°反射镜、双激光晶体和第二45°反射镜；所述泵浦源包括半导体激光器、光纤以及泵浦光耦合单元；所述电路控制单元包括供电控制系统、与所述供电控制系统分别相连的泵浦驱动电源和电光调Q驱动电源；所述泵浦驱动电源与所述半导体激光器相连，同时与所述电光调Q驱动电源的触发信号输入端相连，所述电光调Q驱动电源的输出端与所述电光调Q开关相连；通过所述供电控制系统对所述泵浦驱动电源和所述电光调Q驱动电源进行统一供电控制；本发明通过折转优化光路设计，缩短了激光器光学系统长度，结构紧凑，节省空间体积；本发明采用双晶体串接结构配合单端连续泵浦的方式，使得两个晶体保证对泵浦光高吸收的同时，能够降低单个晶体热负载，同时还可以获得更高的输出功率、较好的光束质量, 同时可以得到较高的泵浦光转换效率，能够为高光束质量、高重频机载激光的获得提供一种有效途径；能够满足机载平台的应用。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，包括U型谐振腔、泵浦源和电路控制单元；其中，
所述U型谐振腔包括作为输入镜的°全反镜，作为耦合输出镜的平面部分反射镜；依次呈U型设于所述全反镜和平面部分反射镜之间的电光调Q开关、第一45°反射镜、双激光晶体和第二45°反射镜；所述泵浦源包括半导体激光器、光纤以及泵浦光耦合单元；所述半导体激光器输出的泵浦光经过光纤耦合连接至泵浦光耦合单元对所述双激光晶体提供泵浦能量；所述电路控制单元包括供电控制系统、与所述供电控制系统分别相连的泵浦驱动电源和电光调Q驱动电源；所述泵浦驱动电源与所述半导体激光器相连，同时与所述电光调Q驱动电源的触发信号输入端相连，所述电光调Q驱动电源的输出端与所述电光调Q开关相连；所述泵浦驱动电源接收到供电信号后给所述半导体激光器进行泵浦，同时，所述电光调Q驱动电源接收到供电信号和触发信号后触发所述电光调Q开关打开，所述半导体激光器输出的泵浦光经过所述泵浦光耦合单元准直聚焦后经过第一45°反射镜对双激光晶体进行泵浦，激发所述双激光晶体产生的自发辐射激光经所述第二45°反射镜后到达平面部分反射镜，经平面部分反射镜反射后依次经过所述第二45°反射镜、双激光晶体，然后经过第一45°反射镜和电光调Q开关到达全反镜，接着在输入镜全反镜和耦合输出镜平面部分反射镜之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜输。
进一步地，所述泵浦光耦合单元包括并排间隔布置的准直透镜和聚焦透镜；
所述电光调Q开关包括依次布置的电光调Q晶体、四分之一波片以及偏振片；
所述双激光晶体包括并排间隔布置的第一激光晶体和第二激光晶体；
所述电光调Q驱动电源的输出端与所述电光调Q晶体的输入端相连。
进一步地，所述全反镜、所述第一45°反射镜和所述第二45°反射镜上均镀有对泵浦光高透、对1064nm激光高反的膜；
所述平面部分反射镜上镀有对1064nm激光部分透射，部分反射的膜。
进一步地，所述准直透镜和聚焦透镜上镀有对泵浦光高透的膜。
进一步地，所述第一激光晶体和所述第二激光晶体上均镀有对泵浦光和1064nm激光高透的膜，由铟箔包裹在紫铜热沉中，并利用热电制冷器和风冷散热器实现高精度温控。
进一步地，所述偏振片为56°偏振片或者45°偏振片，其表面镀有对谐振腔内1064nm振荡激光的S偏振光高反、P偏振光高透的膜，偏振消光比大于500:1。
进一步地，所述半导体激光器输出的泵浦光经过所述准直透镜、聚焦透镜准直聚焦后经过第一45°反射镜对所述第一激光晶体和第二激光晶体进行泵浦，激发所述第一激光晶体和第二激光晶体产生的自发辐射激光，经所述第二45°反射镜后到达平面部分反射镜，经平面部分反射镜反射后依次经过所述第二45°反射镜、第二激光晶体、第一激光晶体，然后经过第一45°反射镜，由所述偏振片透射后得到P偏振方向的激光；
通过调整四分之一波片的偏转角度，使得所述电光调Q晶体上未施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片、所述电光调Q晶体后，偏振态为S偏振方向，经所述偏振片反射出所述U型谐振腔时，该谐振腔处于高损耗状态无法起振；所述电光调Q晶体上施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片、所述电光调Q晶体后，偏振态仍然为P偏振方向,透过偏振片后在输入镜和耦合输出镜之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜输出。
进一步地，所述全反镜和所述平面部分反射镜间隔设于同一水平面上；
所述电光调Q晶体、四分之一波片、偏振片、第一45°反射镜的中心点均位于第一光路上；
所述第一45°反射镜、第一激光晶体、第二激光晶体和第二45°反射镜的中心点均位于第二光路上；
所述第二45°反射镜和所述平面部分反射镜的中心点均位于第三光路上；
第一光路与第二光路互相垂直，与第三光路互相平行；第一光路、第二光路以及第三光路共同形成U形；
第一光路的激光经第一45°反射镜反射后到达第二光路，第二光路的激光经第二45°反射镜反射后到达第三光路；同理，第三光路的激光经第二45°反射镜反射后到达第二光路，第二光路的激光经第一45°反射镜反射后到达第一光路。
进一步地，所述半导体激光器、光纤、准直透镜和聚焦透镜依次间隔设于第二光路上。
本发明的另一个方面提供一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器控制方法，应用前述基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器实现，包括如下步骤：
S1、搭建U型谐振腔，在同一水平面上间隔布置全反镜和平面部分反射镜，在第一光路上全反镜的一侧由近及远的依次间隔布置电光调Q开关和第一45°反射镜；在第二光路上所述第一45°反射镜的一侧由近及远的依次间隔布置第一激光晶体、第二激光晶体和第二45°反射镜，使得所述第二45°反射镜和所述平面部分反射镜均位于与第一光路平行的第三光路上；电光调Q开关包括在第一光路上全反镜的一侧由近及远的依次间隔布置的电光调Q晶体、四分之一波片和偏振片；
S2、在所述U型谐振腔的一侧搭建泵浦源，具体地，在第二光路上第一45°反射镜远离第一激光晶体的一侧由远及近的依次间隔布置半导体激光器、光纤、准直透镜和聚焦透镜；
S3、在所述U型谐振腔和所述泵浦源上连接电路控制单元，具体地，在半导体激光器上连接泵浦驱动电源，在电光调Q开关的电光调Q晶体的输入端上连接电光调Q驱动电源，在泵浦驱动电源和电光调Q驱动电源上连接供电控制系统；
S4、启动供电控制系统，通过所述供电控制系统对所述泵浦驱动电源和所述电光调Q驱动电源进行统一供电控制，所述泵浦驱动电源接收到供电信号后给所述半导体激光器进行泵浦，同时，所述电光调Q驱动电源接收到供电信号和触发信号后向所述电光调Q晶体施加电压；所述半导体激光器输出的泵浦光经过所述准直透镜的准直和聚焦透镜的聚焦后经过第一45°反射镜对第一激光晶体、第二激光晶体进行泵浦，激发其产生自发辐射激光并经所述第二45°反射镜后到达平面部分反射镜，经平面部分反射镜反射后依次经过所述第二45°反射镜、第二激光晶体、第一激光晶体，然后经过第一45°反射镜，由所述偏振片透射后得到P偏振方向的激光；
S5、调整所述四分之一波片的偏转角度，使得所述电光调Q晶体上未施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片、所述电光调Q晶体后，偏振态为S偏振方向，经所述偏振片反射出所述U型谐振腔时，该谐振腔处于高损耗状态无法起振；
所述电光调Q晶体上施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片、所述电光调Q晶体后，偏振态仍然为P偏振方向,透过偏振片后在输入镜全反镜和耦合输出镜平面部分反射镜之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜输出。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，通过在同一水平面上间隔布置全反镜和平面部分反射镜，在第一光路上全反镜的一侧由近及远的依次间隔布置电光调Q开关和第一45°反射镜；在第二光路上所述第一45°反射镜的一侧由近及远的依次间隔布置第一激光晶体、第二激光晶体和第二45°反射镜，使得所述第二45°反射镜和所述平面部分反射镜均位于与第一光路平行的第三光路上；在第二光路上第一45°反射镜远离第一激光晶体的一侧由远及近的依次间隔布置半导体激光器、光纤、准直透镜和聚焦透镜；采用单端连续泵浦的U型腔结构，通过合理设计泵浦光耦合单元的准直透镜和聚焦透镜，并采用反射镜折转光路，使得单端泵浦光经耦合透镜组准直聚焦后的光斑尺寸与谐振腔内产生的振荡激光光斑尺寸接近，从而实现良好模式匹配，保证泵浦光高转化效率的同时，提高光束质量，通过两个间隔布置的45度反射镜折转光路，使得结构更加紧凑，节省空间体积。
2.本发明的基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，在第二光路上所述第一45°反射镜的一侧由近及远的依次间隔布置第一激光晶体、第二激光晶体，采用双晶体串接技术，保证对泵浦光高吸收的同时，分散单个激光晶体上的热量，降低激光器热效应的不良影响，有效提高泵浦光转换效率和激光器长期运行可靠性，实现更高功率、较好光束质量的高重频脉冲激光的输出。
附图说明
图1为本发明实施例基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器控制方法的流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-半导体激光器、2-光纤、3-准直透镜、4—聚焦透镜、5-第一45°反射镜、6-第一激光晶体、7-第二激光晶体、8-第二45°反射镜、9-偏振片、10-四分之一波片、11-电光调Q晶体、12-全反镜、13-平面部分反射镜、14-供电控制系统、15-泵浦驱动电源、16-电光调Q驱动电源。
具体实施方式
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，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”......仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，本发明的一个方面提供一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器及控制方法，包括U型谐振腔、泵浦源和电路控制单元；所述U型谐振腔包括作为输入镜的0°全反镜12，作为耦合输出镜的平面部分反射镜13，依次呈U型设于所述全反镜12和平面部分反射镜13之间的电光调Q开关、第一45°反射镜5、双激光晶体和第二45°反射镜8；所述泵浦源包括半导体激光器1、光纤2以及泵浦光耦合单元；所述半导体激光器1输出的泵浦光经过光纤2耦合连接至泵浦光耦合单元对所述双激光晶体提供泵浦能量；所述电路控制单元包括供电控制系统14、与所述供电控制系统14分别相连的泵浦驱动电源15和电光调Q驱动电源16；所述泵浦驱动电源15与所述半导体激光器1相连，同时与所述电光调Q驱动电源16的触发信号输入端相连，所述电光调Q驱动电源16的输出端与所述电光调Q开关相连；通过所述供电控制系统14对所述泵浦驱动电源15和所述电光调Q驱动电源16进行统一供电控制；所述泵浦驱动电源15接收到供电信号后给所述半导体激光器1进行泵浦，同时，所述电光调Q驱动电源16接收到供电信号和触发信号后触发所述电光调Q开关打开，所述半导体激光器1输出的泵浦光经过所述泵浦光耦合单元准直聚焦后经过第一45°反射镜5对双激光晶体进行泵浦，激发所述双激光晶体产生的自发辐射激光经所述第二45°反射镜8后到达平面部分反射镜13，经平面部分反射镜13反射后依次经过所述第二45°反射镜8、双激光晶体，然后经过第一45°反射镜和电光调Q开关到达全反镜12，接着在输入镜全反镜12和耦合输出镜平面部分反射镜13之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜13输出；本发明通过折转优化光路设计，缩短了激光器光学系统长度，结构紧凑，节省空间体积；通过单端泵浦+双晶体串接方式，使得两个晶体保证对泵浦光高吸收的同时，分散单个激光晶体上的热量，不易出现热饱和，从而降低激光器热效应的不良影响，有效提高泵浦光转换效率和激光器长期运行可靠性，从而实现满足机载平台应用的高光束质量高重频脉冲激光输出。
进一步地，如图1所示，在本发明的实施例中，所述泵浦光耦合单元包括并排间隔布置的准直透镜3和聚焦透镜4；所述电光调Q开关包括依次布置的电光调Q晶体11、四分之一波片10以及偏振片9；所述双激光晶体包括并排间隔布置的第一激光晶体6和第二激光晶体7；所述电光调Q驱动电源16的输出端与所述电光调Q晶体11的输入端相连；所述半导体激光器1输出的泵浦光经过所述准直透镜3、聚焦透镜4准直聚焦后经过第一45°反射镜5对所述第一激光晶体6和第二激光晶体7进行泵浦，激发所述第一激光晶体6和第二激光晶体7产生的自发辐射激光，经所述第二45°反射镜8后到达平面部分反射镜13，经平面部分反射镜13反射后依次经过所述第二45°反射镜8、第二激光晶体7、第一激光晶体6，然后经过第一45°反射镜，由所述偏振片9透射后得到P偏振方向的激光；调整四分之一波片10的偏转角度，使得所述电光调Q晶体11上未施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片10、所述电光调Q晶体11后，偏振态为S偏振方向，经所述偏振片9反射出所述U型谐振腔时，该谐振腔处于高损耗状态无法起振；所述电光调Q晶体11上施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片10、所述电光调Q晶体11后，偏振态仍然为P偏振方向,透过偏振片9后在输入镜和耦合输出镜之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜输出。
进一步地，如图1所示，在本发明的实施例中，所述全反镜12和所述平面部分反射镜13间隔设于同一水平面上；所述电光调Q晶体11、四分之一波片10、偏振片9、第一45°反射镜5的中心点均位于第一光路上；所述第一45°反射镜5、第一激光晶体6、第二激光晶体7和第二45°反射镜8的中心点均位于第二光路上；所述第二45°反射镜8和所述平面部分反射镜13的中心点均位于第三光路上；第一光路与第二光路互相垂直，与第三光路互相平行；所述半导体激光器1、光纤2、准直透镜3和聚焦透镜4依次间隔设于第二光路上；第一光路、第二光路以及第三光路共同形成U形；第一光路的激光经第一45°反射镜5反射后到达第二光路，第二光路的激光经第二45°反射镜8反射后到达第三光路；同理，第三光路的激光经第二45°反射镜8反射后到达第二光路，第二光路的激光经第一45°反射镜5反射后到达第一光路；本发明通过设置单端连续泵浦的U型腔结构，通过合理设计泵浦光耦合单元，并采用反射镜折转光路，使得单端泵浦光经泵浦光耦合单元准直聚焦后的光斑尺寸与谐振腔内产生的振荡激光光斑尺寸接近，从而实现良好模式匹配，保证泵浦光高转化效率的同时，提高光束质量，并采用45度反射镜折转光路，使得结构更加紧凑，节省空间体积。
进一步地，在本发明的实施例中，所述全反镜12、所述第一45°反射镜5和所述第二45°反射镜8上均镀有对泵浦光高透、对1064nm激光高反的膜；所述平面部分反射镜13上镀有对1064nm激光部分透射，部分反射的膜；所述准直透镜3和聚焦透镜4上镀有对泵浦光高透的膜；所述第一激光晶体6和所述第二激光晶体7上均镀有对泵浦光和1064nm激光高透的膜，由铟箔包裹在紫铜热沉中，并利用热电制冷器（TEC）和风冷散热器实现高精度温控；所述偏振片9为56°偏振片或者45°偏振片，其表面镀有对谐振腔内1064nm振荡激光的S偏振光高反、P偏振光高透的膜，其偏振消光比大于500:1；所述电光调Q晶体11、四分之一波片10和偏振片9共同构成电光调Q开关；所述电光调Q晶体11为磷酸钛氧铷(RTP)。
下面是本发明最大连续输出功率的一个具体实施例的参数：
半导体激光器1采用最大连续输出功率95W、中心波长为808nm的半导体激光器，其纤芯直径为200μm，数值孔径为0.22；泵浦光耦合单元的准直透镜3和聚焦透镜4均为平凸透镜，它们焦距比为1:4.5；0°全反镜12镀有808nm的高透射膜(T>95％)，1064nm的高反射膜(R>99.5％)，尺寸为Φ12.7mm*3mm；第一激光晶体6和第二激光晶体7均采用Nd:YAG晶体，掺杂浓度原子数百分比为0.2at.%，尺寸选用3mm*3mm*30mm的方棒结构，由铟箔包裹后置于冷却热沉中，采用热电制冷器(TEC)将冷却热沉的温度控制在25℃；第一45°反射镜5和所述第二45°反射镜8上均镀有808nm的高透射膜(T>95％)，1064nm的高反射膜(R>99.5％)；
平面部分反射镜13为半反镜，其直径12.7mm，厚度3mm，表面镀有1064nm的半透射半反射膜(透光率T=50%)；全反镜12、第一45°反射镜5和所述第二45°反射镜8和输出耦合镜平面部分反射镜13构成的“U”型谐振腔的腔长约为245mm；电光调Q晶体11为一对正交的磷酸钛氧铷(RTP)晶体，尺寸为3mm*3mm*14mm；偏振片9为56°偏振片，镀有1064nm S偏振光高反射膜(反光率R>99.8％)，P偏振光高透射膜(透光率T>98％)；电光调Q晶体11、四分之一波片10和偏振片9构成电光调Q开关；本发明的此实施例，通过在电光调Q晶体11上周期性地施加约1300V的电压，得到重复频率10kHz下，脉冲宽度约10ns，脉冲能量达2.8mJ，相应的峰值功率约280kW的激光输出，采用光束质量分析仪测得输出激光的光束质量M2x=1.834，M2y=1.904，本发明获得的泵浦光转换效率为29.5%。
基于上述技术方案可见，本发明采用双晶体串接结构配合单端连续泵浦的方式，在降低单个晶体热负载的同时还可以获得更高的输出功率、较好的光束质量, 同时可以得到较高的泵浦光转换效率，能够为高光束质量、高重频机载激光的获得提供一种有效途径。
如图2所示，按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器使用方法，采用上述的基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器实现，包括以下步骤：
S1、搭建U型谐振腔，在同一水平面上间隔布置全反镜12和平面部分反射镜13，在第一光路上全反镜12的一侧由近及远的依次间隔布置电光调Q开关和第一45°反射镜5；在第二光路上所述第一45°反射镜5的一侧由近及远的依次间隔布置第一激光晶体6、第二激光晶体7和第二45°反射镜8，使得所述第二45°反射镜8和所述平面部分反射镜13均位于与第一光路平行的第三光路上；电光调Q开关包括在第一光路上全反镜12的一侧由近及远的依次间隔布置的电光调Q晶体11、四分之一波片10和偏振片9；
S2、在所述U型谐振腔的一侧搭建泵浦源，具体地，在第二光路上第一45°反射镜5远离第一激光晶体6的一侧由远及近的依次间隔布置半导体激光器1、光纤2、准直透镜3和聚焦透镜4；
S3、在所述U型谐振腔和所述泵浦源上连接电路控制单元，具体地，在半导体激光器1上连接泵浦驱动电源15，在电光调Q开关的电光调Q晶体11的输入端上上连接电光调Q驱动电源16，在泵浦驱动电源15和电光调Q驱动电源16上连接供电控制系统14；
S4、启动电路控制单元的供电控制系统14，通过所述供电控制系统14对所述泵浦驱动电源15和所述电光调Q驱动电源16进行统一供电控制，所述泵浦驱动电源15接收到供电信号后给所述半导体激光器1进行泵浦，同时，所述电光调Q驱动电源16接收到供电信号和触发信号后向所述电光调Q晶体11施加电压；所述半导体激光器1输出的泵浦光经过所述准直透镜3的准直和聚焦透镜4的聚焦后经过第一45°反射镜5对第一激光晶体6、第二激光晶体7进行泵浦，激发其产生自发辐射激光并经所述第二45°反射镜8后到达平面部分反射镜13，一部分经平面部分反射镜13耦合输出，另一部分经平面部分反射镜13反射后依次经过所述第二45°反射镜8、第二激光晶体7、第一激光晶体6，然后经过第一45°反射镜，由所述偏振片9透射后得到P偏振方向的激光；
S5、调整所述四分之一波片10的偏转角度，使得所述电光调Q晶体11上未施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片10、所述电光调Q晶体11后，偏振态为S偏振方向，经所述偏振片9反射出所述U型谐振腔时，该谐振腔处于高损耗状态无法起振；
所述电光调Q晶体11上施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片10、所述电光调Q晶体11后，偏振态仍然为P偏振方向,透过偏振片9后在输入镜全反镜12和耦合输出镜平面部分反射镜13之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜13输出。
本发明的基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器及控制方法，通过在同一水平面上间隔布置全反镜和平面部分反射镜，在第一光路上全反镜的一侧由近及远的依次间隔布置电光调Q开关和第一45°反射镜；在第二光路上所述第一45°反射镜的一侧由近及远的依次间隔布置第一激光晶体、第二激光晶体和第二45°反射镜，使得所述第二45°反射镜和所述平面部分反射镜均位于与第一光路平行的第三光路上；在第二光路上第一45°反射镜远离第一激光晶体的一侧由远及近的依次间隔布置半导体激光器、光纤、准直透镜和聚焦透镜；电光调Q开关包括在第一光路上全反镜的一侧由近及远的依次间隔布置的电光调Q晶体、四分之一波片和偏振片；在电光调Q开关的电光调Q晶体和所述泵浦源上连接电路控制单元，通过所述供电控制系统对所述泵浦驱动电源和所述电光调Q驱动电源进行统一供电控制；所述泵浦驱动电源接收到供电信号后给所述半导体激光器进行泵浦，同时，所述电光调Q驱动电源接收到供电信号和触发信号后能够向所述电光调Q晶体施加电压；通过调整所述四分之一波片的偏转角度，使得所述电光调Q晶体上未施加电压时，由所述偏振片透射后得到的P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片、所述电光调Q晶体后，偏振态为S偏振方向，经所述偏振片反射出所述U型谐振腔时，该谐振腔处于高损耗状态无法起振；所述电光调Q晶体上施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片、所述电光调Q晶体后，偏振态仍然为P偏振方向,透过偏振片后在输入镜全反镜和耦合输出镜平面部分反射镜之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜输出；本发明采用单端连续泵浦的U型腔结构，通过合理设计泵浦光耦合单元的准直透镜和聚焦透镜，并采用反射镜折转光路，使得单端泵浦光经耦合透镜组准直聚焦后的光斑尺寸与谐振腔内产生的振荡激光光斑尺寸接近，从而实现良好模式匹配，保证泵浦光高转化效率的同时，提高光束质量，通过两个间隔布置的45度反射镜折转光路，使得结构更加紧凑，节省空间体积；采用双晶体串接技术，保证对泵浦光高吸收的同时，分散单个激光晶体上的热量，降低激光器热效应的不良影响，有效提高泵浦光转换效率和激光器长期运行可靠性，实现更高功率、较好光束质量的高重频脉冲激光的输出。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：包括U型谐振腔、泵浦源和电路控制单元；其中，
所述U型谐振腔包括作为输入镜的0°全反镜（12），作为耦合输出镜的平面部分反射镜（13）；依次呈U型设于所述全反镜（12）和平面部分反射镜（13）之间的电光调Q开关、第一45°反射镜（5）、双激光晶体和第二45°反射镜（8）；所述泵浦源包括半导体激光器（1）、光纤（2）以及泵浦光耦合单元；所述半导体激光器（1）输出的泵浦光经过光纤（2）耦合连接至泵浦光耦合单元对所述双激光晶体提供泵浦能量；所述电路控制单元包括供电控制系统（14）、与所述供电控制系统（14）分别相连的泵浦驱动电源（15）和电光调Q驱动电源（16）；所述泵浦驱动电源（15）与所述半导体激光器（1）相连，同时与所述电光调Q驱动电源（16）的触发信号输入端相连，所述电光调Q驱动电源（16）的输出端与所述电光调Q开关相连；所述泵浦驱动电源（15）接收到供电信号后给所述半导体激光器（1）进行泵浦，同时，所述电光调Q驱动电源（16）接收到供电信号和触发信号后触发所述电光调Q开关打开，所述半导体激光器（1）输出的泵浦光经过所述泵浦光耦合单元准直聚焦后经过第一45°反射镜（5）对双激光晶体进行泵浦，激发所述双激光晶体产生的自发辐射激光经所述第二45°反射镜（8）后到达平面部分反射镜（13），经平面部分反射镜（13）反射后依次经过所述第二45°反射镜（8）、双激光晶体，然后经过第一45°反射镜和电光调Q开关到达全反镜（12），接着在输入镜全反镜（12）和耦合输出镜平面部分反射镜（13）之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜（13）输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述泵浦光耦合单元包括并排间隔布置的准直透镜（3）和聚焦透镜（4）；
所述电光调Q开关包括依次布置的电光调Q晶体（11）、四分之一波片（10）以及偏振片（9）；
所述双激光晶体包括并排间隔布置的第一激光晶体（6）和第二激光晶体（7）；
所述电光调Q驱动电源（16）的输出端与所述电光调Q晶体（11）的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述全反镜（12）、所述第一45°反射镜（5）和所述第二45°反射镜（8）上均镀有对泵浦光高透、对1064nm激光高反的膜；
所述平面部分反射镜（13）上镀有对1064nm激光部分透射，部分反射的膜。
4.根据权利要求3所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述准直透镜（3）和聚焦透镜（4）上镀有对泵浦光高透的膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述第一激光晶体（6）和所述第二激光晶体（7）上均镀有对泵浦光和1064nm激光高透的膜，由铟箔包裹在紫铜热沉中，并利用热电制冷器和风冷散热器实现高精度温控。
6.根据权利要求5所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述偏振片（9）为56°偏振片或者45°偏振片，其表面镀有对谐振腔内1064nm振荡激光的S偏振光高反、P偏振光高透的膜，偏振消光比大于500:1。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述半导体激光器（1）输出的泵浦光经过所述准直透镜（3）、聚焦透镜（4）准直聚焦后经过第一45°反射镜（5）对所述第一激光晶体（6）和第二激光晶体（7）进行泵浦，激发所述第一激光晶体（6）和第二激光晶体（7）产生的自发辐射激光，经所述第二45°反射镜（8）后到达平面部分反射镜（13），经平面部分反射镜（13）反射后依次经过所述第二45°反射镜（8）、第二激光晶体（7）、第一激光晶体（6），然后经过第一45°反射镜（5），由所述偏振片（9）透射后得到P偏振方向的激光；
通过调整四分之一波片（10）的偏转角度，使得所述电光调Q晶体（11）上未施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片（10）、所述电光调Q晶体（11）后，偏振态为S偏振方向，经所述偏振片（9）反射出所述U型谐振腔时，该谐振腔处于高损耗状态无法起振；所述电光调Q晶体（11）上施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片（10）、所述电光调Q晶体（11）后，偏振态仍然为P偏振方向,透过偏振片（9）后在输入镜和耦合输出镜之间形成振荡，产生调Q脉冲并输出。
8.根据权利要求7所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述全反镜（12）和所述平面部分反射镜（13）间隔设于同一水平面上；
所述电光调Q晶体（11）、四分之一波片（10）、偏振片（9）、第一45°反射镜（5）的中心点均位于第一光路上；
所述第一45°反射镜（5）、第一激光晶体（6）、第二激光晶体（7）和第二45°反射镜（8）的中心点均位于第二光路上；
所述第二45°反射镜（8）和所述平面部分反射镜（13）的中心点均位于第三光路上；
第一光路与第二光路互相垂直，与第三光路互相平行；第一光路、第二光路以及第三光路共同形成U形；
第一光路的激光经第一45°反射镜（5）反射后到达第二光路，第二光路的激光经第二45°反射镜（8）反射后到达第三光路；同理，第三光路的激光经第二45°反射镜（8）反射后到达第二光路，第二光路的激光经第一45°反射镜（5）反射后到达第一光路。
9.根据权利要求8所述的一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器，其特征在于：所述半导体激光器（1）、光纤（2）、准直透镜（3）和聚焦透镜（4）依次间隔设于第二光路上。
10.一种基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的基于双晶体串接的单端泵浦机载脉冲激光器实现，包括如下步骤：
S1、搭建U型谐振腔，在同一水平面上间隔布置全反镜（12）和平面部分反射镜（13），在第一光路上全反镜（12）的一侧由近及远的依次间隔布置电光调Q开关和第一45°反射镜（5）；在第二光路上所述第一45°反射镜（5）的一侧由近及远的依次间隔布置第一激光晶体（6）、第二激光晶体（7）和第二45°反射镜（8），使得所述第二45°反射镜（8）和所述平面部分反射镜（13）均位于与第一光路平行的第三光路上；电光调Q开关包括在第一光路上全反镜（12）的一侧由近及远的依次间隔布置的电光调Q晶体（11）、四分之一波片（10）和偏振片（9）；
S2、在所述U型谐振腔的一侧搭建泵浦源，具体地，在第二光路上第一45°反射镜（5）远离第一激光晶体（6）的一侧由远及近的依次间隔布置半导体激光器（1）、光纤（2）、准直透镜（3）和聚焦透镜（4）；
S3、在所述U型谐振腔和所述泵浦源上连接电路控制单元，具体地，在半导体激光器（1）上连接泵浦驱动电源（15），在电光调Q开关的电光调Q晶体（11）的输入端上连接电光调Q驱动电源（16），在泵浦驱动电源（15）和电光调Q驱动电源（16）上连接供电控制系统（14）；
S4、启动供电控制系统（14），通过所述供电控制系统（14）对所述泵浦驱动电源（15）和所述电光调Q驱动电源（16）进行统一供电控制，所述泵浦驱动电源（15）接收到供电信号后给所述半导体激光器（1）进行泵浦，同时，所述电光调Q驱动电源（16）接收到供电信号和触发信号后向所述电光调Q晶体（11）施加电压；所述半导体激光器（1）输出的泵浦光经过所述准直透镜（3）的准直和聚焦透镜（4）的聚焦后经过第一45°反射镜（5）对第一激光晶体（6）、第二激光晶体（7）进行泵浦，激发其产生自发辐射激光并经所述第二45°反射镜（8）后到达平面部分反射镜（13），经平面部分反射镜（13）反射后依次经过所述第二45°反射镜（8）、第二激光晶体（7）、第一激光晶体（6），然后经过第一45°反射镜，由所述偏振片（9）透射后得到P偏振方向的激光；
S5、调整所述四分之一波片（10）的偏转角度，使得所述电光调Q晶体（11）上未施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片（10）、所述电光调Q晶体（11）后，偏振态为S偏振方向，经所述偏振片（9）反射出所述U型谐振腔时，该谐振腔处于高损耗状态无法起振；
所述电光调Q晶体（11）上施加电压时，所述P偏振方向的激光往返两次经过所述四分之一波片（10）、所述电光调Q晶体（11）后，偏振态仍然为P偏振方向,透过偏振片（9）后在输入镜全反镜（12）和耦合输出镜平面部分反射镜（13）之间形成振荡，在电光调Q开关的作用下产生调Q脉冲激光并由平面部分反射镜（13）输出。
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