CN117317789A - 一种脉宽可调纳秒激光器及其调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉宽可调纳秒激光器及其调控方法，激光器包括第一高反镜、第二高反镜，依次间隔设于第一高反镜和第二高反镜之间的激光增益模块、第一电光Q开关、偏振片、第二电光Q开关以及四分之一波片；第一高反镜、激光增益模块、第一电光Q开关、偏振片、第二电光Q开关、四分之一波片以及第二高反镜共同构成L形谐振腔；在调Q模式下，对第一电光Q开关施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与偏振片偏振化方向之间的夹角来调节偏振片的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；在腔倒空调Q模式下，不对第一电光Q开关施加电压，使其在“零位”，通过调整第二电光Q开关的工作周期实现腔倒空宽输出。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种脉宽可调纳秒激光器及其调控方法。
背景技术
脉冲宽度可调激光器在医疗、工业和军事领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。其中，工业领域的激光焊接主要面临材料的熔点、焊接的深度和焊接热损伤区域等影响焊接质量的问题，而脉冲宽度可调激光器能够实现激光峰值功率的调节达到对不同材料进行熔化、焊接深度可调以及热损伤区域控制的目的。
由激光原理可知，调Q脉冲输出宽度由谐振腔腔长/>、偏振片透过率/>、腔内往返损耗/>和小信号增益/>所决定，其表达式如下：
（1）
其中，为激光在谐振腔腔长/>的腔内往返时间，也称为渡越时间，/>为激光在谐振腔内的往返损耗，/>为输出镜透过率，/>为无量纲参数，/>，/>是小信号增益系数，增益系数/>可表示为/>。
在已知泵浦源和工作物质的情况下，激光在谐振腔内的往返损耗和小信号增益系数/>是确定的，此时可改变谐振腔腔长/>和输出镜透过率/>来达到输出脉冲宽度可调的目的。而通过改变谐振腔腔长调节脉宽往往需要重新搭建光路，同时意味着需要改变谐振腔结构，且对谐振腔的调节要求较高，不易操作，无法实现连续调谐，可见，在实际应用中存在很大的局限性。
因此，急需一种不需要改变谐振腔结构，又能实现输出脉冲宽度可连续调谐的激光器。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种脉宽可调纳秒激光器及其调控方法，采用“电光Q开关+偏振片”组合，在调Q模式下，对电光Q开关施加四分之一电压，通过旋转电光Q开关调谐耦合输出率，实现激光器耦合输出率连续可调，进而实现脉宽连续可调；在腔倒空模式下，不对电光Q开关施加电压，使其可以腔倒空输出。本发明结构简单、功能多样，具备调Q和腔倒空两种模式切换功能，在实现脉宽可连续调节的同时，能够解决传统调节脉宽需要通过改变腔长、新搭建光路，比较繁琐，而且不能实现连续调节的问题。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种脉宽可调纳秒激光器，包括第一高反镜、第二高反镜，依次间隔设于第一高反镜和第二高反镜之间的激光增益模块、第一电光Q开关、偏振片、第二电光Q开关以及四分之一波片；其中，所述第一高反镜、所述激光增益模块、所述第一电光Q开关、所述偏振片的中心点均位于第一直线光路上，所述第二高反镜、所述四分之一波片、所述第二电光Q开关、所述偏振片的中心点均位于第二直线光路上；第一直线光路和第二直线光路互相垂直；所述第一高反镜、所述激光增益模块、所述第一电光Q开关、所述偏振片、所述第二电光Q开关、所述四分之一波片以及所述第二高反镜共同构成L形谐振腔；
在调Q模式下，对所述第一电光Q开关施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关的工作周期实现腔倒空脉宽输出。
进一步地，所述激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角和所述脉冲输出宽度之间的关系通过式（4）表示：
（4）
其中，为脉冲输出宽度；/>为激光在谐振腔内的渡越时间；/>为无量纲参数；/>为激光在谐振腔内的往返损耗；/>为增益系数；/>为激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角。
进一步地，在腔倒空模式下，脉冲输出宽度、激光在谐振腔内的渡越时间以及电光调制器高压脉冲下降沿的关系如式（5）表示：
（5）
其中，为电光调制器高压脉冲下降沿，且/>。
进一步地，所述激光增益模块包括增益介质和泵浦源，其中，所述增益介质为Nd:YAG、Yb:YAG或Ho:YAG。
进一步地，所述泵浦源为半导体激光器、光纤激光器、碟片激光器或板条激光器。
进一步地，所述泵浦源对激光晶体的泵浦方式为侧面泵浦或端面泵浦；
所述泵浦源对激光晶体的泵浦方式为侧面泵浦时，所述第一高反镜和所述第二高反镜对起振激光反射率>99.9%，并且对泵浦光透射率>99.9%；
所述泵浦源对激光晶体的泵浦方式为端面泵浦时，所述第一高反镜和所述第二高反镜对起振激光反射率>99.9%。
进一步地，所述偏振片为偏振分光镜、线偏振片或格兰棱镜。
本发明的另一个方面提供一种脉宽可调纳秒激光器的脉宽调节方法，采用前述的脉宽可调纳秒激光器实现，包括如下步骤：
S1、搭建谐振腔：在第一高反镜和第二高反镜之间依次布设激光增益模块、第一电光Q开关、偏振片、第二电光Q开关以及四分之一波片，使得所述第一高反镜、所述激光增益模块、所述第一电光Q开关、所述偏振片的中心点均位于第一直线光路上，所述第二高反镜、所述四分之一波片、所述第二电光Q开关、所述偏振片的中心点均位于与所述第一直线光路垂直的第二直线光路上；
S2、在调Q模式下，对所述第一电光Q开关施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关的工作周期实现腔倒空脉宽输出。
进一步地，步骤S2中所述在调Q模式下，对所述第一电光Q开关施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调包括：
S21:对第一电光Q开关一直施加四分之一电压，将第一电光Q开关和四分之一波片的光轴分别调整到与所述偏振片4偏振化方向夹角为和45°；
对第二电光Q开关不施加电压，使第一高反镜和第二高反镜之间的谐振腔内损耗较高，激光无法起振，能量存储在所述激光增益模块的上能级，激光器处于工作物质储能阶段；
S22:对所述第二电光Q开关施加四分之一电压，使得所述谐振腔内损耗迅速降低，存储在所述激光增益模块的上能级的粒子数迅速反转使得激光在谐振腔中起振，激光器处于输出光脉冲阶段；通过改变第一电光Q开关与偏振片4偏振化方向的夹角，即可实现脉冲输出宽度连续可调。
进一步地，步骤S2中所述在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关的工作周期实现腔倒空脉宽输出包括如下步骤：
S201:在腔倒空调Q模式下，对第一电光Q开关不施加电压，将第一电光Q开关的光轴与所述偏振片4偏振化方向的夹角调整为0°，将四分之一波片的光轴调整到与所述偏振片4偏振化方向夹角为45°；
不对所述第二电光Q开关施加电压，使其处于不工作状态，激光无法起振，谐振腔内处于低Q状态，激光器处于工作物质储能阶段；
S202:对所述第二电光Q开关施加四分之一电压，使谐振腔内激光无法输出，只能在第一高反镜和第二高反镜之间反复渡越，并提取放大形成巨脉冲，直至一个腔倒空周期结束；
S203：撤掉所述第二电光Q开关上的电压，谐振腔内经过放大的巨脉冲激光经过所述偏振片迅速输出到谐振腔外，激光器处于输出光脉冲阶段。
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：
本发明的一种脉宽可调纳秒激光器及其调控方法，通过在第一高反镜和第二高反镜之间依次间隔布置激光增益模块、第一电光Q开关、偏振片、第二电光Q开关以及四分之一波片，以偏振片为交汇点，共同构成L形谐振腔，采用“电光Q开关+偏振片”组合，在调Q模式下，对电光Q开关施加四分之一电压，通过旋转电光Q开关改变激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角来调节偏振片的耦合输出率，实现激光器耦合输出率连续可调，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；在腔倒空模式下，不对电光Q开关施加电压，使其可以腔倒空输出。本发明结构简单、功能多样，具备调Q和腔倒空两种模式切换功能，在实现脉宽可连续调节的同时，能够解决传统调节脉宽需要通过改变腔长、新搭建光路，比较繁琐，而且不能实现连续调节的问题。
附图说明
图1为本发明实施例一种脉宽可调纳秒激光器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一种脉宽可调纳秒激光器的脉宽调节方法流程示意图；
图3为本发明实施例一种脉宽可调纳秒激光器的调Q时序示意图；
图4为本发明实施例一种脉宽可调纳秒激光器的腔倒空时序示意图；
图5为本发明实施例一种脉宽可调纳秒激光器的输出脉冲宽度随偏振片旋转角度变化曲线示意图。
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-第一高反镜、2-激光增益模块、3-第一电光Q开关、4-偏振片、5-第二电光Q开关、6-四分之一波片、7-第二高反镜。
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。
基于本发明的背景技术中提到的现有技术的缺陷，可知，一种不需要改变谐振腔结构，又能实现输出脉冲宽度可连续调谐的激光器的研发迫在眉睫。
基于上述理由，如图1所示，本发明的一个方面提供一种脉宽可调纳秒激光器，包括第一高反镜1、第二高反镜7，依次间隔设于第一高反镜1和第二高反镜7之间的激光增益模块2、第一电光Q开关3、偏振片4、第二电光Q开关5、以及四分之一波片6；其中，所述第一高反镜1、所述激光增益模块2、所述第一电光Q开关3、所述偏振片4的中心点均位于第一直线光路上，所述第二高反镜7、所述四分之一波片6、所述第二电光Q开关5、所述偏振片4的中心点均位于第二直线光路上；第一直线光路和第二直线光路互相垂直；所述第一高反镜1、所述激光增益模块2、所述第一电光Q开关3、所述偏振片4、所述第二电光Q开关5、所述四分之一波片6以及所述第二高反镜7共同构成L形谐振腔；所述第一电光Q开关3位于“零位”时，其光轴与所述偏振片4偏振化方向夹角为0°；所述第一电光Q开关3和所述四分之一波片6的光轴与所述偏振片4偏振化方向夹角可根据实际需要进行调整；工作时，在调Q模式下，对所述第一电光Q开关3施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片4的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关3施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关5的工作周期实现腔倒空脉宽输出功能；本发明结构简单、功能多样以及脉宽可连续调节，避免了传统改变谐振腔腔长需重新搭建光路且不可连续调节脉宽的复杂方法。
进一步地，在本发明的实施例中，采用偏振片作为输出镜，因此本发明中所述偏振片4的耦合输出率等同于背景技术中的输出镜透过率T；
假设所产生激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向的夹角为，根据马吕斯定理可知，透过偏振片4的输出光强/>与输入光强/>的关系为：
（2）
在本发明中，如图1所示，偏振片4透过水平偏振的激光（相对于纸面），反射垂直偏振激光（相对于纸面）。根据马吕斯定理，在本发明的实施例中，θ为激光的偏振方向与所述偏振片4偏振化方向（在本发明的具体实施例中为水平面）之间的夹角，偏振片的耦合输出率与夹角之间的关系为：
（3）
其中，将公式（3）代入公式（1）中，可得到调Q脉冲输出宽度与所述夹角/>之间的关系：
（4）
由公式（4）可知，在调Q模式下，脉冲输出宽度随着/>角变化；本发明正是采用四分之波片通过改变所述产生激光的偏振方向与偏振片偏振化方向的夹角θ实现输出脉冲宽度/>可调。
在腔倒空模式下，脉冲输出宽度、激光在谐振腔内的渡越时间/>以及电光调制器高压脉冲下降沿/>的关系如式（5）表示：
（5）
由上可知，在腔倒空模式下，脉冲输出宽度与激光在谐振腔内的渡越时间/>和电光调制器高压脉冲下降沿/>（一般要求/>）有关。
进一步地，在本发明的实施例中，在调Q模式下，对第一电光Q开关3一直施加四分之一电压，将第一电光Q开关3和四分之一波片6的光轴分别调整到与所述偏振片4偏振化方向夹角为和45°，此时，偏振片的耦合输出率/>；对第二电光Q开关5不施加电压，此时第一高反镜1和第二高反镜7之间的L型谐振腔内损耗较高，激光无法起振，谐振腔内处于低Q状态，能量存储在所述激光增益模块2的上能级，激光器处于工作物质储能阶段；接着，对所述第二电光Q开关5施加四分之一电压，使得所述谐振腔内损耗迅速降低，存储在所述激光增益模块2的上能级的粒子数迅速反转使得激光在谐振腔中起振，谐振腔内处于高Q状态，激光器处于输出光脉冲阶段；在此过程中，由于脉冲输出宽度随偏振片的耦合输出率变化，因此通过改变夹角/>，即可实现脉冲输出宽度连续可调（详见公式（1）至公式（4））。
进一步地，在本发明的实施例中，在腔倒空调Q模式下，对第一电光Q开关3不施加电压，将第一电光Q开关3的光轴与所述偏振片4偏振化方向的夹角调整为0°，将四分之一波片6的光轴调整到与所述偏振片4偏振化方向夹角为45°，此时，根据公式（4）可知，偏振片的耦合输出率等于0；不对所述第二电光Q开关5施加电压，使其处于不工作状态，此时谐振腔内损耗较高，激光无法起振，谐振腔内处于低Q状态，激光器处于工作物质储能阶段；接着，对所述第二电光Q开关5施加四分之一电压，谐振腔内损耗较低，谐振腔内激光无法输出，只能在第一高反镜1和第二高反镜7之间反复渡越，并提取放大形成巨脉冲，谐振腔内处于高Q状态，直至一个腔倒空周期结束；撤掉所述第二电光Q开关5上的电压后，谐振腔内经过放大的巨脉冲激光经过偏振片4迅速输出到谐振腔外，此时谐振腔内的损耗较高，处于低Q状态，激光器处于输出光脉冲阶段。在此过程中，腔倒空脉冲输出宽度与激光在谐振腔内的渡越时间和电光调制器的高压脉冲下降沿时间有关（详见公式（1）至公式（5））。
进一步地，在本发明的实施例中，所述激光增益模块2包括增益介质和泵浦源，其中增益介质可以是但不限于Nd:YAG、Yb:YAG和Ho:YAG，泵浦源可以是但不限于半导体激光器、光纤激光器、碟片激光器以及板条激光器，泵浦源对激光晶体的泵浦方式包括侧面泵浦和端面泵浦；不同的泵浦方式下，所述第一高反镜1和所述第二高反镜7对镀膜的要求不同，在侧面泵浦下所述第一高反镜1和所述第二高反镜7对起振激光高反（>99.9%）并且对泵浦光高透（>99.9%），在端面泵浦下，所述第一高反镜1和所述第二高反镜7对起振激光高反（>99.9%）；所述偏振片4可以是但不限于偏振分光镜、线偏振片格兰棱镜；所述偏振片4可以是45度偏振片也可以是布儒斯特角偏振片。
如图2所示，本发明的另一个方面提供一种脉宽可调纳秒激光器的调控方法，应用前述脉宽可调纳秒激光器实现，包括如下步骤：
S1:搭建谐振腔；在第一高反镜1和第二高反镜7之间依次布设激光增益模块2、第一电光Q开关3、偏振片4、第二电光Q开关5以及四分之一波片6，使得所述第一高反镜1、所述激光增益模块2、所述第一电光Q开关3、所述偏振片4的中心点均位于第一直线光路上，所述第二高反镜7、所述四分之一波片6、所述第二电光Q开关5、所述偏振片4的中心点均位于与所述第一直线光路垂直的第二直线光路上；
S2:在调Q模式下，对所述第一电光Q开关3施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片4的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；
在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关3施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关5的工作周期实现腔倒空脉宽输出。
进一步地，在本发明的实施例中，步骤S2中：在调Q模式下，对所述第一电光Q开关3施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与偏振片4偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片4的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调包括如下步骤：
S21：对第一电光Q开关3一直施加四分之一电压，将第一电光Q开关3和四分之一波片6的光轴分别调整到与所述偏振片4偏振化方向夹角为和45°，此时，偏振片的耦合输出率/>；对第二电光Q开关5不施加电压，使得第一高反镜1和第二高反镜7之间的谐振腔内损耗较高，激光无法起振，谐振腔内处于低Q状态，能量存储在所述激光增益模块2的上能级，激光器处于工作物质储能阶段；
S22：对所述第二电光Q开关5施加四分之一电压，使得所述谐振腔内损耗迅速降低，存储在所述激光增益模块2的上能级的粒子数迅速反转使得激光在谐振腔中起振，谐振腔内处于高Q状态，激光器处于输出光脉冲阶段；
在此过程中，由于脉冲输出宽度随偏振片的耦合输出率变化，因此通过改变第一电光Q开关3与偏振片4偏振化方向的夹角，即可实现脉冲输出宽度连续可调（详见公式（1）至公式（4））；
进一步地，在本发明的实施例中，步骤S2中：在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关3施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关5的工作周期实现腔倒空脉宽输出，包括如下步骤：
S201：对第一电光Q开关3不施加电压，将第一电光Q开关3的光轴与所述偏振片4偏振化方向的夹角调整为0°，将四分之一波片6的光轴调整到与所述偏振片4偏振化方向夹角为45°，此时，根据公式（4）可知，偏振片的耦合输出率等于0；不对所述第二电光Q开关5施加电压，使其处于不工作状态，此时谐振腔内损耗较高，激光无法起振，谐振腔内处于低Q状态，激光器处于工作物质储能阶段；
S202：对所述第二电光Q开关5施加四分之一电压，谐振腔内损耗较低，使谐振腔内激光无法输出，只能在第一高反镜1和第二高反镜7之间反复渡越，并提取放大形成巨脉冲，谐振腔内处于高Q状态，直至一个腔倒空周期结束；
S203：撤掉所述第二电光Q开关5上的电压，谐振腔内经过放大的巨脉冲激光经过偏振片4迅速输出到谐振腔外，此时谐振腔内的损耗较高，处于低Q状态，激光器处于输出光脉冲阶段。在此过程中，腔倒空脉冲输出宽度与激光在谐振腔内的渡越时间和电光调制器的高压脉冲下降沿时间有关（详见公式（1）至公式（5））。
以下为本发明的一个具体实施例：
其中，所述激光增益模块2采用连续侧泵Nd:YAG模块；所述第一高反镜1、所述第二高反镜7采用镀有0°高反（>99.9%）1064nm膜的反射镜；所述四分之一波片6采用1064nm四分之一波片；所述偏振片4采用55.6°偏振片；所述第一电光Q开关3和第二电光Q开关5采用BBO晶体的电光Q开关；其中，四分之一电压为6kV，激光器谐振腔物理谐振腔腔长L为600mm；
如图3所示，在调Q模式下，将所述第一电光Q开关3和所述第二电光Q开关5单独控制，对所述第一电光Q开关3一直施加6kV四分之一电压；对所述第二电光Q开关5的驱动电源参数设置如下：重频5kHz，延时199μs ，电压持续时间（电光Q开关打开时间）为1us，上升沿/下降沿时间为:；
在进行调Q试验之前，先将第一电光Q开关3的光轴调整到与所述偏振片4偏振化方向呈60°，将四分之一波片6的光轴调整到与所述偏振片4偏振化方向呈45°，此时，根据公式（4）可知，偏振片的耦合输出率为25%；
在一个调Q周期内（重频5kHz对应200μs），不对第二电光Q开关5施加电压，使其处于不工作状态，持续时间199μs，此时谐振腔内损耗较高激光无法起振，谐振腔内处于低Q状态，激光器处于工作物质储能阶段；
接着，对第二电光Q开关5施加6kV四分之一电压，电压持续时间1μs，谐振腔内损耗将迅速降低，存储在Nd:YAG晶体上能级的粒子数迅速反转，使得激光在谐振腔中起振，谐振腔内处于高Q状态，激光器处于输出光脉冲阶段，产生脉宽为8.6ns脉冲激光，如图4所示。
如图4所示，在腔倒空调Q模式下，使第一电光Q开关3位于“零位”并不对第一电光Q开关3施加电压；将第二电光Q开关5的驱动电源参数设置如下：重频5kHz，延时为150μs，电压持续时间为50μs，上升沿/下降沿时间；
在进行腔倒空试验之前，先将四分之一波片6的光轴调整到与所述偏振片4偏振化方向呈45°，在一个腔倒空周期内（重频5kHz对应200μs），先不对所述电光Q开关2施加电压，使其处于不工作状态，持续时间150μs，此时腔内损耗较高激光无法起振，腔内处于低Q状态，激光器处于工作物质储能阶段；
接着，对第二电光Q开关5施加6kV四分之一电压，电压持续时间为50μs，根据公式（4）可知，偏振片4的耦合输出率为0，此时谐振腔内损耗较低，谐振腔内激光只能在在第一高反镜1和第二高反镜7之间反复渡越、提取放大形成巨脉冲，谐振腔内处于高Q状态，直至一个腔倒空周期结束；
待撤掉所述第二电光Q开关5上的电压后，谐振腔内经过放大的巨脉冲激光经过偏振片迅速输出到腔外，产生脉宽5ns脉冲激光，如图5所示。
本发明提供的一种脉宽可调纳秒激光器及其调控方法，包括第一高反镜、第二高反镜，依次间隔设于第一高反镜和第二高反镜之间的激光增益模块、第一电光Q开关、偏振片、第二电光Q开关以及四分之一波片；本发明采用“电光Q开关+偏振片”组合，在调Q模式下，对电光Q开关施加四分之一电压，通过旋转电光Q开关调谐耦合输出率，实现激光器耦合输出率连续可调，进而实现脉宽连续可调；在腔倒空模式下，不对电光Q开关施加电压，使其可以腔倒空输出。本发明结构简单、功能多样，具备调Q和腔倒空两种模式切换功能，在实现脉宽可连续调节的同时，能够解决传统调节脉宽需要通过改变腔长、新搭建光路，比较繁琐，而且不能实现连续调节的问题。
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)
1.一种脉宽可调纳秒激光器，其特征在于：包括第一高反镜（1）、第二高反镜（7），依次间隔设于第一高反镜（1）和第二高反镜（7）之间的激光增益模块（2）、第一电光Q开关（3）、偏振片（4）、第二电光Q开关（5）以及四分之一波片（6）；其中，所述第一高反镜（1）、所述激光增益模块（2）、所述第一电光Q开关（3）、所述偏振片（4）的中心点均位于第一直线光路上，所述第二高反镜（7）、所述四分之一波片（6）、所述第二电光Q开关（5）、所述偏振片（4）的中心点均位于第二直线光路上；第一直线光路和第二直线光路互相垂直；所述第一高反镜（1）、所述激光增益模块（2）、所述第一电光Q开关（3）、所述偏振片（4）、所述第二电光Q开关（5）、所述四分之一波片（6）以及所述第二高反镜（7）共同构成L形谐振腔；
在调Q模式下，对所述第一电光Q开关（3）施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与所述偏振片（4）偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片（4）的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关（3）施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关（5）的工作周期实现腔倒空脉宽输出。
2.根据权利要求1所述的一种脉宽可调纳秒激光器，其特征在于：所述激光的偏振方向与所述偏振片（4）偏振化方向之间的夹角和所述脉冲输出宽度之间的关系通过式（4）表示：
（4）
其中，为脉冲输出宽度；/>为激光在谐振腔内的渡越时间；/>为无量纲参数；/>为激光在谐振腔内的往返损耗；/>为增益系数；/>为激光的偏振方向与偏振片（4）偏振化方向之间的夹角。
3.根据权利要求2所述的一种脉宽可调纳秒激光器，其特征在于，在腔倒空模式下，脉冲输出宽度、激光在谐振腔内的渡越时间以及电光调制器高压脉冲下降沿的关系如式（5）表示：
（5）
其中，为电光调制器高压脉冲下降沿，且/>。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种脉宽可调纳秒激光器，其特征在于：所述激光增益模块（2）包括增益介质和泵浦源，其中，所述增益介质为Nd:YAG、Yb:YAG或Ho:YAG。
5.根据权利要求4所述的一种脉宽可调纳秒激光器，其特征在于：所述泵浦源为半导体激光器、光纤激光器、碟片激光器或板条激光器。
6.根据权利要求5所述的一种脉宽可调纳秒激光器，其特征在于：所述泵浦源对激光晶体的泵浦方式为侧面泵浦或端面泵浦；
所述泵浦源对激光晶体的泵浦方式为侧面泵浦时，所述第一高反镜（1）和所述第二高反镜（7）对起振激光反射率>99.9%，并且对泵浦光透射率>99.9%；
所述泵浦源对激光晶体的泵浦方式为端面泵浦时，所述第一高反镜（1）和所述第二高反镜（7）对起振激光反射率>99.9%。
7.根据权利要求6所述的一种脉宽可调纳秒激光器，其特征在于：所述偏振片（4）为偏振分光镜、线偏振片或格兰棱镜。
8.一种脉宽可调纳秒激光器的脉宽调节方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的脉宽可调纳秒激光器实现，包括如下步骤：
S1、搭建谐振腔：在第一高反镜（1）和第二高反镜（7）之间依次布设激光增益模块（2）、第一电光Q开关（3）、偏振片（4）、第二电光Q开关（5）以及四分之一波片（6），使得所述第一高反镜（1）、所述激光增益模块（2）、所述第一电光Q开关（3）、所述偏振片（4）的中心点均位于第一直线光路上，所述第二高反镜（7）、所述四分之一波片（6）、所述第二电光Q开关（5）、所述偏振片（4）的中心点均位于与所述第一直线光路垂直的第二直线光路上；
S2、在调Q模式下，对所述第一电光Q开关（3）施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与所述偏振片（4）偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片（4）的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调；在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关（3）施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关（5）的工作周期实现腔倒空脉宽输出。
9.根据权利要求8所述的一种脉宽可调纳秒激光器的脉宽调节方法，其特征在于，步骤S2中所述在调Q模式下，对所述第一电光Q开关（3）施加四分之一电压，并对其进行旋转，改变激光的偏振方向与所述偏振片（4）偏振化方向之间的夹角来调节所述偏振片（4）的耦合输出率，进而实现调Q脉冲输出宽度连续可调包括：
S21:对第一电光Q开关（3）一直施加四分之一电压，将第一电光Q开关（3）和四分之一波片（6）的光轴分别调整到与所述偏振片（4）偏振化方向夹角为和45°；
对第二电光Q开关（5）不施加电压，使第一高反镜（1）和第二高反镜（7）之间的谐振腔内损耗较高，激光无法起振，能量存储在所述激光增益模块（2）的上能级，激光器处于工作物质储能阶段；
S22:对所述第二电光Q开关（5）施加四分之一电压，使得所述谐振腔内损耗迅速降低，存储在所述激光增益模块（2）的上能级的粒子数迅速反转使得激光在谐振腔中起振，激光器处于输出光脉冲阶段；通过改变第一电光Q开关（3）与水平面的夹角，即可实现脉冲输出宽度连续可调。
10.根据权利要求9所述的一种脉宽可调纳秒激光器的脉宽调节方法，其特征在于，步骤S2中所述在腔倒空调Q模式下，不对所述第一电光Q开关（3）施加电压，使其在 “零位”，通过调整所述第二电光Q开关（5）的工作周期实现腔倒空脉宽输出包括如下步骤：
S201:在腔倒空调Q模式下，对第一电光Q开关（3）不施加电压，将第一电光Q开关（3）的光轴与所述偏振片（4）偏振化方向的夹角调整为0°，将四分之一波片（6）的光轴调整到与所述偏振片（4）偏振化方向夹角为45°；
不对所述第二电光Q开关（5）施加电压，使其处于不工作状态，激光无法起振，谐振腔内处于低Q状态，激光器处于工作物质储能阶段；
S202:对所述第二电光Q开关（5）施加四分之一电压，使谐振腔内激光无法输出，只能在第一高反镜（1）和第二高反镜（7）之间反复渡越，并提取放大形成巨脉冲，直至一个腔倒空周期结束；
S203：撤掉所述第二电光Q开关（5）上的电压，谐振腔内经过放大的巨脉冲激光经过所述偏振片（4）迅速输出到谐振腔外，激光器处于输出光脉冲阶段。
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2023
- 2023-11-28 CN CN202311602059.3A patent/CN117317789A/zh active Pending
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