CN117650415A - 一种基于闭环控制驱动的被动调q激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，包括：激光头、激光电源、激光采样电路；其中，激光头包括：泵浦源、激光晶体、调Q元件、光学谐振腔；激光电源用于对激光头中的泵浦源放电；激光头用于接收电能后发射泵浦光能以激发激光晶体，激光晶体的增益与其累积接收的泵浦光能成正比，当增益大于损耗时，形成激光脉冲并通过光学谐振腔进行输出；激光采样电路用于接收光学谐振腔输出激光的散射光信号，形成闭锁电信号，并将闭锁电信号返回激光电源中，使激光电源停止放电。本发明在输出激光后激光电源停止放电泵浦，使得激光头没有多余能量注入，减轻了激光头的热效应。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种基于闭环控制驱动的被动调Q激光器。
背景技术
调Q技术的发展和应用开辟了强光光学学科，推动了激光测距、激光雷达、高速全息照相以及激光加工等应用技术的发展。
现有被动调Q激光器一般包括激光电源和激光头两个部分，其中，激光电源为激光头提供固定的、超出一定激光器阈值的电能注入激光头中的泵浦源。典型的注入电能-激光脉冲时域曲线如图1所示。激光头中泵浦源发出泵浦光激发激光晶体产生增益，当谐振腔中增益超出损耗时便输出激光脉冲。由于注入的电能是超出激光器阈值的，所以输出激光后还有一部分电能注入，产生废热。
之所以注入电能要超出激光器的能量阈值是因为激光头的能量阈值并非固定不变，只有这样才能让激光头可靠出光。使激光头能量阈值发生变化的因素很多，常见的有激光晶体和调Q晶体热焦距(以下简称晶体热焦距)的变化、激光谐振腔失调量的变化、泵浦源输出功率的衰减、谐振腔内光学元件性能的衰减等。
在激光器刚开始工作时，晶体热焦距较长，随着泵浦次数的增加晶体热焦距逐渐减小。如果激光器在固定频率长时间工作，晶体热焦距会最终稳定在一个固定值。如果激光器的工作频率是时变的，则晶体热焦距也会跟着变化，不会固定。晶体热焦距的变化会使谐振腔的g参数发生改变，从而改变谐振腔的衍射损耗，使激光器能量阈值发生改变。常见的一种情况是：激光器刚开始工作时，谐振腔处于非稳区，衍射损耗很大，能量阈值很高。随着工作时间的增加，谐振腔逐渐进入稳定区，衍射损耗变小，能量阈值较低。如果注入激光头的实际泵浦能量超出稳定能量阈值不多，则出现刚开始工作时激光器无激光输出，工作一会儿后才能稳定输出激光的现象。如果激光器工作频率是时变的，情况会更复杂，有可能出现激光器时而出光，时而不出光现象。
激光谐振腔的失调会显著增加谐振腔的衍射损耗，导致激光器的能量阈值增加。有很多因素会导致激光谐振腔的失调，例如激光器机壳随着时间逐渐变形，谐振腔内非轴对称的热效应等。例如：军用固定激光器一般都要求在宽温度范围使用。激光器壳体随着环境温度的大幅度变化，会发生变形，导致安装在其上的激光谐振腔发生失调。如果注入激光头的泵浦能量超出能量阈值不多，会出现激光器在某一温度段会稳定出光，在另一些温度段不能稳定出光或者不出光的现象。
另外，激光器的泵浦源输出功率也是随着激光器工作时间逐步衰减的，谐振腔内光学元件性能随着时间逐步退化。产生的现象是激光器刚出厂时可以稳定出光，随着使用次数的增加逐渐不能稳定出光。
为了解决上面这些问题，目前使用的方法为开环控制驱动方法，具体为：使得激光电源注入激光头的实际泵浦能量超出能量阈值一定值，这样当激光器能量阈值发生变化后，注入激光头的泵浦能量都能超出能量阈值，使激光器稳定出光，现有的方式属于开环控制驱动方法。
这种方法的缺点在于：当激光器能量阈值大幅度变化时，需要事先给激光电源设定一个很高的输出能量，才能保证激光器稳定出光。但是激光头可接受的泵浦能量不是无限大的，更为严重的是当注入激光头的泵浦能量超出激光器能量阈值二倍以上时激光器会出现“双脉冲”现象，即激光电源泵浦一次激光头输出二个激光脉冲，这种现象在许多应用中是不允许的。即使在目前这种方法可行的范围内，这种方法也有很多弊端，比如：超出能量阈值的泵浦能量增加了激光晶体热效应，增加了系统功耗。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，改变激光器的闭环控制驱动方法。
本发明提供一种基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，包括：激光头、激光电源、激光采样电路；其中，激光头包括：泵浦源、激光晶体、调Q元件、光学谐振腔；
激光电源用于对激光头中的泵浦源放电；
激光头用于接收电能后发射泵浦光能以激发激光晶体，激光晶体的增益与其累积接收的泵浦光能成正比，当增益大于损耗时，形成激光脉冲并通过光学谐振腔进行输出；
激光采样电路用于接收光学谐振腔输出激光的散射光信号，形成闭锁电信号，并将闭锁电信号返回激光电源中，使激光电源停止放电。
进一步的，所述激光头包括激光二极管侧面泵浦被动调Q激光器或者激光二极管端面泵浦被动调Q激光器，其中所述激光二极管侧面泵浦被动调Q激光器的泵浦源设置在激光晶体的侧面位置，所述激光二极管端面泵浦被动调Q激光器的泵浦源设置在激光晶体的端面位置。
进一步的，所述激光电源包括：控制模块、充电模块、储能模块、放电模块；
控制模块用于：接收时统信号并进行分析，控制放电模块放电执行；
充电模块用于根据控制模块的指令获取外部电能向储能模块充电；
储能模块用于为激光电源存储电能；
放电模块用于根据控制模块的指令向激光头进行放电，根据激光采样电路发出的闭锁电信号停止放电。
进一步的，所述激光采样电路包括：光电探测器。
进一步的，激光电源还包括温控模块，温控模块用于针对激光器所处的环境温度进行监测，并将监测的温度值发送到控制模块，接收控制模块的指令对激光器或激光器内部元器件加热或制冷。
进一步的，所述控制模块还用于：在激光电源向泵浦源放电的时间超出预设的最长泵浦时间，且没有收到闭锁电信号的情况下，控制放电模块，停止向激光头放电，并发出提示激光器无法发射激光的故障信号。
本发明的有益效果在于：在输出激光后激光电源停止放电泵浦，使得激光头没有多余能量注入，减轻了激光头的热效应，提高了激光器的效率；在激光头的能量阈值大幅度变化时，激光电源会自动调整注入激光头的泵浦电能，在各种条件下都可以稳定输出激光脉冲；在激光头输出激光后激光电源则停止放电泵浦，可以保证激光器始终单脉冲工作，避免了之前的开环控制驱动方案在提高泵浦能量后激光器输出多脉冲激光的弊端。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中开环控制驱动的激光器注入电能与激光脉冲时域曲线图；
图2是本发明一个实施例的系统的示意性框图；
图3为本发明实施例提供的闭环控制驱动被动调Q激光器注入电能与激光脉冲时域图；
图4为本发明实施例提供的激光二极管侧面泵浦被动调Q激光头光路原理图；
图5为本发明实施例提供的激光二极管端面泵浦被动调Q激光头光路原理图；
图6为本发明实施例提供的激光电源功能模块图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面对本发明中出现的关键术语进行解释。
调Q技术：通过迅速改变激光谐振腔的Q值，把激光能量压缩到一个时间宽度极窄的脉冲中发射，使激光光源的单色亮度提高几个数量级。调Q技术包括机械调Q、电光调Q、声光调Q、被动调Q等。被动调Q技术使用的Q开关是由诸如装满有机染料或掺杂晶体的光学元件构成。这种光学元件随着其吸收能量密度的增大而变得透明起来，在吸收能量密度达到某一高值时，材料就会“饱和”或“漂白”，从而导致产生很高的透射率。把被动Q开关安装在光学谐振腔中，它就会在泵浦开始时阻止激光振荡的发生，随着增益在泵浦脉冲期间的增大并超过往返损耗时，腔内的光通量会急剧增大，导致被动Q开关饱和，从而建立起激光脉冲。被动Q开关不需要高压或射频驱动，因而被动调Q激光器具有体积小、成本低等特点。
如图2所示，本发明实施例提供一种基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，包括：激光头、激光电源、激光采样电路；其中，激光头包括：泵浦源、激光晶体、调Q元件、光学谐振腔；激光电源用于对激光头中的泵浦源放电；激光头用于接收电能后发射泵浦光能以激发激光晶体，激光晶体的增益与其累积接收的泵浦光能成正比，当增益大于损耗时，形成激光脉冲并通过光学谐振腔进行输出；激光采样电路用于接收光学谐振腔输出激光的散射光信号，形成闭锁电信号，并将闭锁电信号返回激光电源中，使激光电源停止放电。
本发明实施例提供的激光器工作过程如下：激光电源根据时统信号对激光头中的泵浦源放电，泵浦源接受电能后向激光晶体发射泵浦光能，激发激光晶体。随着放电时间的增加，激光晶体接受的泵浦光能越来越多，增益越来越大，当激光头增益大于损耗时，激光头就会形成激光脉冲，通过光学谐振腔向外输出激光。然后激光采样电路在接收到输出激光的散射光信号后，形成闭锁电信号，闭锁电信号返回激光电源中，使激光电源停止放电，本次激光脉冲发射结束。之后激光电源在时统信号控制下周期性进行上述工作过程。
需要说明的是，本发明所述的时统信号来源包括：一、内时统信号，即激光电源内部产生的时统信号；二、外时统信号，即外部电路产生的时统信号输入给激光电源。从时统信号来源方面，本发明实施例提供的激光电源有二种工作模式：内时统模式或外时统模式。
本发明实施例提供的激光器采用上述闭环控制驱动，注入电能-激光脉冲时域曲线如图3所示，在激光器输出激光后，激光电源便停止放电泵浦，因此输出激光后激光头没有多余能量注入，减轻了激光头的热效应，提高了激光器的能量利用效率。
此外，本发明实施例提供的激光器在激光头的能量阈值大幅度变化时，仍可稳定输出激光。因为当激光头的能量阈值升高时，激光电源在没有收到闭锁电信号的条件下会持续对泵浦源放电，直到激光头输出激光脉冲，由激光采样电路形成闭锁电信号反馈回激光电源中。所以，在激光头的泵浦阈值发生大幅度变化时，激光电源会自动调整注入激光头的泵浦电能，直到激光头发射激光。这样激光器在各种条件下都可以稳定输出激光脉冲。
本发明实施例提供的基于闭环控制驱动的调Q激光器可以保证激光器单脉冲输出，在激光头输出激光后激光电源则停止放电泵浦，在本次泵浦周期中，激光头不可能再输出激光脉冲，可以保证激光器始终单脉冲工作，避免了之前的开环控制驱动方案在提高泵浦能量后激光器输出多脉冲激光的弊端。
在本实施例中，激光头中的调Q元件可以作为独立元件固定于激光器内，也可以通过键合技术键合到激光晶体上。光学谐振腔可以作为独立元件固定于激光器内，也可以直接采用镀膜技术加工到激光晶体上。
可选地，作为本发明一个实施例，所述激光头包括激光二极管侧面泵浦被动调Q激光器或者激光二极管端面泵浦被动调Q激光器，其中所述激光二极管侧面泵浦被动调Q激光器的泵浦源设置在激光晶体的侧面，所述激光二极管端面泵浦被动调Q激光器的泵浦源设置在激光晶体的端面位置。
图4为激光二极管侧面泵浦被动调Q激光器，图5为激光二极管端面泵浦被动调Q激光器，两者的泵浦源设置位置不同，因此腔内光路不同，但是均可以用本发明实施例提供的闭环控制方法进行实现。
可选地，作为本发明一个实施例，如图6所示，所述激光电源包括：控制模块、充电模块、储能模块、放电模块；控制模块用于：接收时统信号并进行分析，控制放电模块放电执行；充电模块用于根据控制模块的指令获取外部电能向储能模块充电；储能模块用于为激光电源存储电能；放电模块用于根据控制模块的指令向激光头进行放电，根据激光采样电路发出的闭锁电信号停止放电。
在本实施例中，激光电源正常的工作过程为：激光电源的控制模块接收时统信号，根据时统信号控制放电模块从储能模块中吸取能量，对激光头中的泵浦源放电。此外放电模块的放电使能端还获取激光采样电路生成的闭锁电信号，停止放电。
可选地，作为本发明一个实施例，所述激光采样电路包括：光电探测器。在本实施例中，采用的光电探测器型号可以是：GT102、GD3561T。
可选地，作为本发明一个实施例，激光电源还包括温控模块，温控模块用于针对激光器所处的环境温度进行监测，并将监测的温度值发送到控制模块，接收控制模块的指令对激光器或激光器内部元器件加热或制冷。
可选地，作为本发明一个实施例，所述控制模块还用于：在激光电源向泵浦源放电的时间超出预设的最长泵浦时间，且没有收到闭锁电信号的情况下，控制放电模块，停止向激光头放电，并发出提示激光器无法发射激光的故障信号。
在本实施例中设置最长泵浦时间，避免激光器在损坏的情况下即使收到足够多电能也无法累积增益到发射激光的程度，如果长时间保持这种损坏情况，则对激光器进行主动保护，同时也避免浪费电能。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，其特征在于，包括：激光头、激光电源、激光采样电路；其中，激光头包括：泵浦源、激光晶体、调Q元件、光学谐振腔；
激光电源用于对激光头中的泵浦源放电；
激光头用于接收电能后发射泵浦光能以激发激光晶体，激光晶体的增益与其累积接收的泵浦光能成正比，当增益大于损耗时，形成激光脉冲并通过光学谐振腔进行输出；
激光采样电路用于接收光学谐振腔输出激光的散射光信号，形成闭锁电信号，并将闭锁电信号返回激光电源中，使激光电源停止放电。
2.根据权利要求1所述的基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，其特征在于，所述激光头包括激光二极管侧面泵浦被动调Q激光器或者激光二极管端面泵浦被动调Q激光器，其中所述激光二极管侧面泵浦被动调Q激光器的泵浦源设置在激光晶体的侧面位置，所述激光二极管端面泵浦被动调Q激光器的泵浦源设置在激光晶体的端面位置。
3.根据权利要求1所述的基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，其特征在于，所述激光电源包括：控制模块、充电模块、储能模块、放电模块；
控制模块用于：接收时统信号并进行分析，控制放电模块放电执行；
充电模块用于根据控制模块的指令获取外部电能向储能模块充电；
储能模块用于为激光电源存储电能；
放电模块用于根据控制模块的指令向激光头进行放电，根据激光采样电路发出的闭锁电信号停止放电。
4.根据权利要求1所述的基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，其特征在于，所述激光采样电路包括：光电探测器。
5.根据权利要求1所述的基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，其特征在于，激光电源还包括温控模块，温控模块用于针对激光器所处的环境温度进行监测，并将监测的温度值发送到控制模块，接收控制模块的指令对激光器或激光器内部元器件加热或制冷。
6.根据权利要求1所述的基于闭环控制驱动的被动调Q激光器，其特征在于，所述控制模块还用于：在激光电源向泵浦源放电的时间超出预设的最长泵浦时间，且没有收到闭锁电信号的情况下，控制放电模块，停止向激光头放电，并发出提示激光器无法发射激光的故障信号。
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