CN220964048U - 基于lgs电光晶体的主动调q中红外光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，包括泵浦光单元、激光产生单元、主动调Q单元、脉冲激光输出单元，其中：泵浦光单元输出准平行的泵浦光；激光产生单元利用增益介质吸收泵浦光实现粒子数反转，产生激光；主动调Q单元通过电光晶体材料与偏振片、波片的结合，调节激光谐振腔内Q值，实现中红外脉冲激光的产生；脉冲激光输出单元利用二向色镜，透射泵浦光，反射中红外光，实现中红外脉冲激光的输出。本实用新型基于简单的激光谐振腔结构，利用新型电光晶体材料，实现中红外主动调Q脉冲激光的产生，为重复频率可调的高稳定性高效率中红外脉冲激光输出提供新选择。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤激光器领域，特别涉及到一种基于LGS(La3Ga5SiO14)晶体的电光调Q中红外光纤激光器系统。
背景技术
波长在2-4.5微米波段的中红外(MIR)激光由于具有非常高的水分子吸收峰，以及很多重要分子的特征指纹光谱，因此在现代生物医疗、精密加工、军事对抗、激光遥感和科学研究等领域都具有重要的应用价值，而受到广泛关注。同时，在中红外领域，高质量光纤的快速发展极大地推动了中红外光纤激光器的研究。与其它激光器(如固体激光器、量子级联激光器、光参量振荡器等)相比，光纤激光器具有其独特的固有优势，例如光束质量优异、输出效率高、结构紧凑和散热性能出色等。其中，稀土离子掺杂的氟化物光纤激光器，尤其是使用ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF(ZBLAN)组分的光纤激光器，利用稀土离子的跃迁可以实现中红外3微米波段高质量的激光输出。同时，稀土离子掺杂的氟化物光纤具有基质材料质量高、声子能量相对较低、稀土离子掺杂能力优异、机械强度较高、化学稳定性可靠以及激光泵浦源获取容易等诸多优势，成为中红外3微米波段最为常用的工作物质。
相比于连续激光，脉冲激光具有峰值功率高、灵敏度高和响应速率快等诸多优势，因此在实际应用中，脉冲激光的使用频率明显高于连续激光、使用效果明显优于连续激光。目前，激光脉冲的产生方法主要为调Q、锁模和增益调制技术。其中，调Q技术通常应用于产生纳秒至微秒量级的激光脉冲。中红外区域的调Q主要采取主动调Q或被动调Q的方式。被动调Q主要通过在谐振腔中引入具有非线性吸收效应的可饱和吸收体或半导体饱和吸收镜作为损耗调制元件，从而得到调Q脉冲，具有成本低廉、结构紧凑、易于集成等优势，成为近年来的研究热点。但现有中红外可饱和吸收体普遍存在调制深度较小，稳定性不足、损伤阈值较低等局限性，难以得到实际广泛应用。
主动调Q方式通过在谐振腔中引入声光调制、机械快门或电光调制等主动调制元件从而得到调Q脉冲，相比于被动调Q，主动调Q方式具有脉冲重复频率可调、时间抖动小、损伤阈值较高等优势。同时，主动调Q更容易实现更短脉冲宽度、更大脉冲能量和更高峰值功率的激光输出。目前，主动调Q主要采用声光调制和电光调制这两类调制方式，其中，声光调Q可获得可控性较强的脉冲激光输出，但其调制效果受限于衍射效率，难以实现高开关比运转，限制了激光输出能量。在这些调制手段中，电光调制具有调制时间短、调制效率高和调制时间可灵活控制等优点，因此成为激光调Q的主要实现手段，并在可见光和近红外波段得到广泛应用。然而在中红外区域，电光晶体材料受到诸多局限性，以及中红外光学元件发展的不成熟，使得中红外电光调Q的应用并不多见。如目前使用较为广泛的电光晶体主要有：磷酸二氘钾晶体(KD2PO4,KD*P)，其易潮解，且在重复频率超过10kHz时会出现压电振铃效应；铌酸锂晶体(LiNbO3,LN)的激光损伤阈值较低；磷酸钛氧铷晶体(RbTiOPO4,RTP)具有自然双折射特性，需成对用，因此对温度、振动等外界环境较为敏感；偏硼酸钡晶体(β-BaB204,BBO)的z方向生长难度较大。因此，利用合适的电光晶体材料，可以开发出具有高重复频率和高峰值功率的中红外光纤激光器，而这种激光器也具有广泛的应用前景。
本实用新型中利用的La3Ga5SiO14(LGS)晶体具有宽光谱透过范围，并在中红外波段具有高透过率，使其可以很好地与中红外光纤激光器中的激光发射波段相匹配；且利用其高损伤阈值、高消光比等优势，可实现对中红外2-4.5波段激光的电光调制；通过改变施加在晶体两端的电压大小、重复频率和占空比等参数，可动态调节LGS电光晶体的相位延迟，实现高重复频率、高脉冲能量的中红外电光调Q激光脉冲输出。因此，基于LGS电光晶体材料的主动调Q中红外光纤激光器，具有转换效率高、脉冲重复频率可调、长时间稳定性高、调制深度高、结构简单、方案成熟等优势。
实用新型内容
为解决现有中红外主动调Q光纤激光器的不足，本实用新型提出了一种基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，旨在通过将LGS晶体引入到中红外光纤激光器的电光调制单元，实现中红外波段激光脉冲的稳定输出，提高中红外波段高功率光纤激光器的稳定性、输出效率、脉冲能量和峰值功率。
本实用新型解决技术问题，采用如下技术方案：
本实用新型公开了基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，其特点在于：包括泵浦光单元、脉冲激光输出单元、激光产生单元和主动调Q单元。其中：泵浦光单元输出准平行的泵浦光；激光产生单元利用增益介质吸收泵浦光实现粒子数反转，产生激光；主动调Q单元通过电光晶体材料与偏振片、波片的结合，调节激光谐振腔内Q值，实现中红外脉冲激光的产生；脉冲激光输出单元利用二向色镜，透射泵浦光，反射中红外光，实现中红外脉冲激光的输出。
具体的：
所述泵浦光单元包括泵浦光源和第一准直透镜；所述脉冲激光输出单元包括二向色镜；所述激光产生单元包括耦合透镜、增益光纤和第二准直透镜；所述主动调Q单元包括第一中红外偏振片、LGS(La3Ga5SiO14)电光晶体、高频高压电源、中红外λ/4波片或第二中红外偏振片、光反射装置。
具体的：
在所述泵浦光单元：所述泵浦光源输出泵浦光，所述泵浦光波长小于信号光波长；所述第一准直透镜将所述泵浦光准直为准平行光。
在所述脉冲激光输出单元：所述二向色镜倾斜设置，与光路呈现一定的夹角，对于从所述泵浦光单元产生的泵浦光具有高透射率从而将泵浦光耦合进激光产生单元，对于从所述激光产生单元产生的激光具有高反射率，从而将激光脉冲通过一定的角度反射输出。
在所述的激光产生单元：所述耦合透镜将输入的泵浦光耦合进入增益光纤；所述增益光纤中的激活离子在泵浦光的持续作用下，由基态能级跃迁到激光上能级，实现粒子数反转，并结合所述主动调Q单元，实现脉冲激光产生；所述第二准直透镜将增益光纤中输出的激光准直进入主动调Q单元。
在所述主动调Q单元：第一中红外偏振片将所述激光产生单元产生的激光转变成偏振方向固定的线偏振光；所述LGS电光晶体为具有电光效应的晶体材料，在不加电压的条件下对入射光没有相位延迟效应，在施加特定偏压后，可实现对经过所述第一中红外偏振片的线偏振光施加额外的相位延迟；所述高频高压电源为所述LGS电光晶体中与通光方向相垂直的两个端面施加一定时间和频率的高电压；所述LGS电光晶体在没有外加电压时可使线偏振光正常通过，而在施加外加电压后对线偏振光具有一定的相位延迟，其大小与所加电压相关；所述中红外λ/4波片或第二中红外偏振片对从所述LGS电光晶体中传输的激光具有相位延迟或偏振选择作用；所述光反射装置对激光波长具有高反射率，可以反射入射的激光，而不改变其相位和偏振方向等其他特性。
具体的：
在所述主动调Q单元中，利用高频高压电源为LGS电光晶体施加λ/4电压，并选择中红外λ/4波片：主动调Q可以通过所述第一中红外偏振片、LGS电光晶体和中红外λ/4波片的结合，组成λ/4加压式电光调Q，使激光谐振腔在LGS晶体两端外加电压时具有大的Q值，激光可以低损耗通过；而在LGS晶体两端不外加电压时谐振腔内具有低Q值，激光具有高损耗。也可仅利用第一中红外偏振片和LGS电光晶体的结合，组成λ/4退压式电光调Q，使激光谐振腔在LGS晶体两端不外加电压时具有大的Q值，激光可以低损耗通过；而在LGS晶体两端施加电压时谐振腔内具有低Q值，激光具有高损耗。
在所述主动调Q单元中，也可以利用高频高压电源为LGS电光晶体施加λ/2电压，并选择第二中红外偏振片：主动调Q可以通过所述第一中红外偏振片、LGS电光晶体和第二中红外偏振片的结合，通过第一中红外偏振片和第二中红外偏振片的偏振方向相互垂直的结构，组成λ/2加压式电光调Q，使激光谐振腔在LGS晶体两端外加电压时具有大的Q值，激光可以低损耗通过；而在LGS晶体两端不外加电压时谐振腔内具有低Q值，激光具有高损耗。也可以通过第一中红外偏振片和第二中红外偏振片的偏振方向平行的结构，组成λ/2退压式电光调Q，使激光谐振腔在LGS晶体两端不外加电压时具有大的Q值，激光可以低损耗通过；而在LGS晶体两端施加电压时谐振腔内具有低Q值，激光具有高损耗。
在所述脉冲激光输出单元，激光输出可利用二向色镜对激光波长的高反射率实现对激光脉冲的反射输出，也可将光反射装置选取为对激光波长具有一定透射率的部分反射镜，实现激光脉冲的输出。
在所述主动调Q单元，所述光反射装置可以为全反射镜，可以为具有部分透射率的部分反射镜，也可以为具有波长选择效应的反射式闪耀光栅。
在所述激光产生单元：所述增益光纤作为增益放大介质，为提高激光输出效率，根据输出波长的不同，增益光纤中的激活离子包括但不限于稀土离子(Er3+、Ho3+、Tm3+、Dy3+、Yb3+等)、锕系离子、过渡金属等中的一种或多种的组合；增益光纤中的基质材料包括但不限于氧化物(如蓝宝石、石榴石、氧化铝、硫氧化物)、氟化物(如ZBLAN、ZrF4、InF3、LiYF4、KY3F10)、钒酸盐、碲酸盐或硫化物等。
在所述主动调Q单元：利用高频高压电源输出激光脉冲的重复频率的范围为1Hz～1MHz，Q开关打开时间的范围为10ns～10ms，根据LGS晶体尺寸不同和相位延迟的不同，所加电压范围为2kV～10kV。
与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：
1.本实用新型基于LGS电光晶体在中红外具有高透过率这一特性，搭建紧凑的中红外主动调Q光纤激光系统，基于中红外偏振片、LGS电光晶体和中红外波片组成中红外主动调Q单元，实验方案成熟，装置各元件排列紧密，可实现高稳定性高功率脉冲激光的高效输出。
2.本实用新型中调Q脉冲的重复频率可以在较大范围内调谐，并且通过改变驱动电源重复频率，可轻松实现对脉冲重复频率的调节，能够在高重复频率输出和高单脉冲能量输出之间连续调节，增加了输出脉冲激光的多样性。
3.本实用新型采用的实验仪器、元件均已实现商业化，器件制备较为成熟，实验光路简便，兼容性强，减少了光路的复杂性，可有效提高中红外光纤激光器的集成度和耦合效率。
附图说明
图1是本实用新型基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器系统的结构示意图，图中标号：I为泵浦光单元；II为脉冲激光输出单元；III为激光产生单元；IV为主动调Q单元；1为泵浦光源；2为第一准直透镜；3为二向色镜；4为耦合透镜；5为增益光纤；6为第二准直透镜；7为第一中红外偏振片；8为LGS电光晶体；9为高频高压电源；10为中红外λ/4波片或第二中红外偏振片；11为光反射装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，基于稀土离子掺杂和LGS电光晶体的主动调Q中红外脉冲光纤激光器，包括泵浦光单元I、脉冲激光输出单元II、激光产生单元III和主动调Q单元IV。具体的：泵浦光单元I包括泵浦光源1和第一准直透镜2；脉冲激光输出单元II包括二向色镜3；激光产生单元III包括耦合透镜4、增益光纤5和第二准直透镜6；主动调Q单元IV包括第一中红外偏振片7、LGS电光晶体8、高频高压电源9、中红外λ/4波片或第二中红外偏振片10、光反射装置11。其中：
泵浦光单元I：泵浦光源1输出泵浦光，泵浦光波长小于信号光波长；第一准直透镜2将泵浦光准直为准平行光。
脉冲激光输出单元II：二向色镜3倾斜设置，与光路呈现一定的夹角，对于从泵浦光单元I产生的泵浦光具有高透射率从而将泵浦光耦合进激光产生单元III，对于从激光产生单元III产生的激光具有高反射率，从而实现对激光脉冲输出。
激光产生单元III：耦合透镜4将输入的泵浦光耦合进入增益光纤5；增益光纤5中的激活离子在泵浦光的持续作用下，由基态能级跃迁到激光上能级，实现粒子数反转，并结合主动调Q单元IV，实现脉冲激光产生；第二准直透镜6将增益光纤5中输出的激光准直进入主动调Q单元IV。
主动调Q单元IV：第一中红外偏振片7将激光产生单元III产生的激光转变成偏振方向固定的线偏振光；LGS电光晶体8为具有电光效应的晶体材料，在不加电压的条件下对入射光没有相位延迟效应，在施加特定偏压后可实现对经过第一中红外偏振片7的线偏振光施加额外的相位延迟；高频高压电源9为LGS电光晶体8中与通光方向相垂直的两个端面施加一定时间和频率的高电压；LGS电光晶体8在没有外加电压时可使线偏振光正常通过，而在施加外加电压后对线偏振光具有一定的相位延迟，其大小与所加电压相关；中红外λ/4波片或第二中红外偏振片10对从LGS电光晶体8中传输的激光具有相位延迟或偏振选择作用；光反射装置11对激光波长具有高反射率，可以反射入射的激光，而不改变其相位和偏振方向等其他特性。
具体的，本实施例中：采用λ/4加压式电光调Q方式，泵浦光源采用976nm的连续激光器，经过焦距为50cm的第一准直透镜准直为平行光，经过对泵浦光波长具有高透过率的二向色镜后，通过焦距为50cm的聚焦透镜耦合进入增益光纤中；增益光纤采用长3.3m、掺杂浓度为7mol.％的双包层ZBLAN光纤，产生的信号光经由焦距为25cm的第二准直透镜准直后，依次经过第一中红外偏振片(线偏振片)，LGS电光晶体和中红外λ/4波片，并最终通过光反射装置反射而返回；电光晶体为通光孔径为4×4mm，长42mm的LGS晶体，光反射装置为镀金反射镜。电压源为重复频率可调谐的高压电源，施加电压为4.3kV，加压时间为5μs。
基于该LGS晶体的主动调Q中红外光纤激光器，可实现中心波长2790nm，半高全宽7.6nm的调Q激光脉冲输出，在重复频率18kHz、泵浦功率4.4W时，输出功率可达451mW，斜率效率高达12.2％，同时，脉冲宽度为64ns，峰值功率为391W；在1kHz重复频率下，以1.6W的泵浦功率可获得单脉冲能量107μJ、峰值功率1165W调Q输出脉冲。
Claims (5)
1.基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，其特征在于：包括泵浦光单元(I)、脉冲激光输出单元(II)、激光产生单元(III)和主动调Q单元(IV)；
所述泵浦光单元(I)包括泵浦光源(1)和第一准直透镜(2)；所述脉冲激光输出单元(II)包括二向色镜(3)；所述激光产生单元(III)包括耦合透镜(4)、增益光纤(5)和第二准直透镜(6)；所述主动调Q单元(IV)包括第一中红外偏振片(7)、LGS电光晶体(8)、高频高压电源(9)、中红外λ/4波片或第二中红外偏振片(10)、光反射装置(11)；
在所述泵浦光单元(I)：所述泵浦光源(1)用于输出泵浦光，所述泵浦光波长小于信号光波长；所述第一准直透镜(2)用于将所述泵浦光准直为准平行光；
在所述脉冲激光输出单元(II)：所述二向色镜(3)倾斜设置，与光路呈现一定的夹角，用于将所述泵浦光单元(I)产生的泵浦光耦合进激光产生单元(III)，并将从所述激光产生单元(III)产生的激光以一定的角度反射，从而实现对激光脉冲输出；
在所述的激光产生单元(III)：所述耦合透镜(4)用于将输入的泵浦光耦合进入增益光纤(5)；所述增益光纤(5)中的激活离子在泵浦光的持续作用下，由基态能级跃迁到激光上能级，实现粒子数反转，并结合所述主动调Q单元(IV)，用于实现脉冲激光产生；所述第二准直透镜(6)用于将增益光纤(5)中输出的激光准直进入主动调Q单元(IV)；
在所述主动调Q单元(IV)：第一中红外偏振片(7)用于将所述激光产生单元(III)产生的激光转变成偏振方向固定的线偏振光；所述LGS电光晶体(8)在不加电压的条件下对入射光没有相位延迟效应，在施加特定偏压后可实现对经过所述第一中红外偏振片(7)的线偏振光施加额外的相位延迟；所述高频高压电源(9)用于为所述LGS电光晶体(8)中与通光方向相垂直的两个端面施加一定时间和频率的高电压；所述LGS电光晶体(8)在没有外加电压时可使线偏振光正常通过，而在施加外加电压后对线偏振光具有一定的相位延迟，其大小与所加电压相关；所述中红外λ/4波片或第二中红外偏振片(10)对从所述LGS电光晶体(8)中传输的激光具有相位延迟或偏振选择作用；所述光反射装置(11)对激光波长具有高反射率，用于反射入射的激光，而不改变其相位和偏振方向特性。
2.根据权利要求1所述的基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，其特征在于，在所述主动调Q单元(IV)，利用高频高压电源(9)为LGS电光晶体(8)施加λ/4电压，并选择中红外λ/4波片：主动调Q通过所述第一中红外偏振片(7)、LGS电光晶体(8)和中红外λ/4波片的结合，组成λ/4加压式电光调Q；或者，主动调Q仅通过第一中红外偏振片(7)和LGS电光晶体(8)的结合，组成λ/4退压式电光调Q。
3.根据权利要求1所述的基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，其特征在于，在所述主动调Q单元(IV)，利用高频高压电源(9)为LGS电光晶体(8)施加λ/2电压，并选择第二中红外偏振片：主动调Q通过所述第一中红外偏振片(7)、LGS电光晶体(8)和第二中红外偏振片的结合，通过第一中红外偏振片(7)和第二中红外偏振片的偏振方向相互垂直的结构，组成λ/2加压式电光调Q；或者，主动调Q通过第一中红外偏振片(7)和第二中红外偏振片的偏振方向平行的结构，组成λ/2退压式电光调Q。
4.根据权利要求1所述的基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，其特征在于，在所述脉冲激光输出单元(II)：激光输出利用二向色镜(3)对激光波长的高反射率实现对脉冲激光的反射输出，或者将光反射装置(11)选取为对激光波长具有一定透射率的部分反射镜，实现激光脉冲的输出。
5.根据权利要求1或4所述的基于LGS电光晶体的主动调Q中红外光纤激光器，其特征在于，在所述主动调Q单元(IV)：所述光反射装置(11)为全反射镜、具有部分透射率的部分反射镜或者具有波长选择效应的反射式闪耀光栅。
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