调Q方式快速切变的电光、声光双调Q脉冲激光器

摘要

本发明属于激光器技术领域，涉及一种调Q方式快速切变的电光、声光双调Q脉冲激光器，所述激光器包括用于实现电光调Q的电光调Q结构以及用于实现声光调Q的声光调Q结构，且所述激光器能够实现所述电光调Q结构与声光调Q结构之间工作方式的转换。本发明采用电光、声光双调Q的方式，电光、声光调Q方式可快速切变，实现了在调Q激光器的同一输出脉冲序列中，既包含大单脉冲能量、高峰值功率、低重复频率的激光脉冲，又包含小单脉冲能量、低峰值功率、高重复频率的激光脉冲，简化了设备。

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，特别涉及一种电光、声光双调Q， 且调Q方式能够快速切变的调Q脉冲激光器。

背景技术

调Q脉冲激光器是将激光输出能量压缩到时间宽度极窄的激光 脉冲中发射，其工作原理为：当Q开关关闭时，激光谐振腔处于低Q 值状态，腔内损耗大，激光发光阈值高，泵浦辐射的能量存储在激光 放大介质中。

电光调Q和声光调Q是目前激光技术领域常用的两种调Q方式，电 光调Q是利用某些晶体的电光效应做成相应的电光调Q开关器件实现 调Q功能，电光调Q具有开关时间短(约10^-9s)、效率高、调Q时刻可 以精确控制、输出脉冲宽度窄(10～20ns)、峰值功率高(几十MW以 上)等优点，但调制电压高(几千伏)，不易实现高重复频率的激光 脉冲输出，因此，电光调Q激光器一般工作在低重复频率状态(100Hz 以下)；声光调Q是利用超声波在声光介质内传输时，声光介质中形 成的折射率产生周期性的分布的特点做成调Q开关器件，超声波在声 光介质内部传播，引起的介质折射率周期性变化对于入射光波相当于 “相位光栅”，光通过这种器件时产生布拉格衍射，光束偏离原来的 传播方向，从而起到调Q的作用。声光调Q开关的断开时间主要由声 波通过光束的渡越时间决定，以熔融石英为例，声波通过1mm长度的 材料需要的时间为200ns，这一时间对某些高增益激光器来说太长， 因此，声光调Q开关一般应用于增益较低的连续激光器，另外，由于 声光Q开关需要的驱动电压很低(＜200V)，故容易实现对连续激光器 调Q，以获得高重复频率的激光脉冲输出，一般重复频率可达 1～20kHz。由于声光调Q开关对高能量激光器的开关能力较差，故一 般适用于低增益调Q激光器。

现有的调Q脉冲激光器要么采用电光调Q方式，输出大单脉冲能 量、高峰值功率、低重复频率的激光脉冲，要么采用声光调Q方式， 输出小单脉冲能量、低峰值功率、高重复频率的激光脉冲，如果实际 应用中既需要低重复频率的激光脉冲，又需要高重复频率的激光脉 冲，则要配备两台以不同调Q方式工作的激光器，并且两台激光器要 通过复杂的控制电路使其协同工作。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何克服传统调Q脉冲激光器不 能在同一激光脉冲输出序列中既包含大单脉冲能量、高峰值功率、低 重复频率的激光脉冲，又包含小单脉冲能量、低峰值功率、高重复频 率的激光脉冲的缺点，提出一种调Q方式快速切变的电光、声光双 调Q脉冲激光器。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种调Q方式快速切变的电 光、声光双调Q脉冲激光器，所述激光器包括用于实现电光调Q的 电光调Q结构以及用于实现声光调Q的声光调Q结构，且所述激光 器能够实现所述电光调Q结构与声光调Q结构之间工作方式的转换。

优选地，所述电光调Q结构包括依次放置的反射镜、电光调Q 晶体和波片，所述声光调Q结构包括声光调Q晶体和反射镜，且 所述电光调Q结构与声光调Q结构之间工作方式的转换由偏振片和 电光晶体实现。

优选地，波片的光轴方向和偏振片的透光方向间的夹角为45 °，电光调Q晶体的感应光轴与波片的快轴或慢轴重合，所述电光 晶体的感应光轴与偏振片的通光方向的夹角为45°。

优选地，电光调Q晶体和波片的通光面均镀有增透膜，所述电 光调Q结构中的反射镜的反射面镀有高反射率膜。

优选地，将所述电光调Q结构中的反射镜替换为通光面镀有增 透膜、全反射面镀有能够防止全反射时p光和s光产生位相差的位相 膜的角锥棱镜。

优选地，所述声光调Q晶体的通光面镀有增透膜，所述反射镜 的反射面镀有高反射率膜。

优选地，将所述声光调Q结构中的反射镜替换为通光面镀有增 透膜、全反射面镀有能够防止全反射时p光和s光产生位相差的位相 膜的角锥棱镜。

优选地，所述偏振片和电光晶体的通光面均镀有增透膜。

优选地，将所述偏振片替换为通光端面镀有增透膜的偏光棱镜。

优选地，所述激光器还包括泵浦增益结构，所述泵浦增益结构包 括两个二向色镜和激光介质，两个二向色镜分别设置于激光介质的两 端。

(三)有益效果

本发明采用电光、声光双调Q的方式，电光、声光调Q方式可快 速切变，实现了在调Q激光器的同一输出脉冲序列中，既包含大单脉 冲能量、高峰值功率、窄脉冲宽度、低重复频率的激光脉冲，又包含 小单脉冲能量、低峰值功率、宽脉冲宽度、高重复频率的激光脉冲， 简化了设备。

附图说明

图1是本发明一种实施例的激光器结构示意图；

图2是图1的激光器的一种实施方式示意图，采用端面泵浦方式工 作；

图3是图1的激光器的另一种实施方式示意图，采用侧面泵浦方式 工作；

图4是本发明的另一实施例的激光器结构示意图，该结构使用的 激光介质为各向异性增益介质；

图5是本发明的又一种实施例的激光器结构示意图，其中用偏光 棱镜代替了偏振片；

图6是本发明的再一种实施例的激光器结构示意图，该结构采用 折叠腔结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出了一种调Q方式快速切变的电光、声光双调Q脉冲 激光器，该激光器结构中既包含电光调Q结构也包含声光调Q结构， 通过电光晶体与偏振片实现电光调Q方式和声光调Q方式之间的快 速转换，使得同一激光器的同一输出脉冲序列中，既包含由电光调Q 产生的重复频率低、单脉冲能量大、脉冲宽度窄、脉冲峰值功率高的 激光脉冲，又包含由声光调Q产生的重复频率高、单脉冲能量低、 脉冲宽度宽且脉冲峰值功率较小的激光脉冲。

图1给出了本发明的激光器结构示意图，整个的调Q部分既 包括电光调Q结构也包括声光调Q结构，光从右向左，经偏振片8 (假设光的偏振方向在纸面内，电光晶体5不加电压)通过电光晶体 5后，仍然是偏振方向平行于纸面的线偏振光，偏振片4的透光方向 平行于纸面，因此光可顺利透过偏振片4，波片3的光轴与纸面的 夹角为45°，光通过波片3后，变为圆偏振光，当电光调Q晶体2 不加电压时，其对光的偏振态不产生影响，圆偏振光经反射镜1反射 后，圆偏振光的旋转方向与入射光相反，再经过波片3后，变为线 偏振光，但偏振方向和纸面垂直，这样不能通过偏振片4而是由其向 上反射出谐振腔，这样就不能形成激光振荡。若电光调Q晶体2加 上电压，则相当于一个波片，电光调Q晶体2加电压后感应生成 的波片的快轴和波片3的快轴重合，则二者共同的作用相当于一 个波片，且光轴与纸面的夹角为45°，当从偏振片4出射的偏振方 向平行于纸面的线偏振光通过波片3和加电压的电光调Q晶体2 后，偏振面旋转90°，光矢量的振动方向和纸面垂直，经平面反射 镜1反射后，偏振方向不变，仍然垂直于纸面，通过加电压的电光 调Q晶体2及波片3后，光矢量的振动方向再次旋转90°，光的 偏振方向与纸面平行，可以顺利通过偏振片4，这样就形成激光振荡； 若电光调Q晶体2加电压后，感应生成的波片的快轴与波片3 的慢轴重合，则二者对偏振光的影响相互抵消，加电压后的电光调Q 晶体2和波片3组合起来对偏振光不产生影响，所以由偏振片4出 射的偏振方向平行于纸面的线偏振光经过波片3和电光调Q晶体2 后，仍然为偏振方向平行于纸面的线偏振光，经平面反射镜1反射， 再次通过电光调Q晶体2和波片3后，偏振方向依然保持不变，光 矢量的振动方向还是处于纸面内，与偏振片4的透光方向一致，因此， 反射光能顺利通过棱镜，这样也形成激光振荡。

可见，在电光调Q的工作状态下，当电光调Q晶体2不加电压 时，谐振腔不能形成激光振荡，处于低Q值状态，腔内损耗很大； 当电光调Q晶体2加上电压时，无论电光晶体感应生成的快轴与波片3的快轴平行还是垂直，光在谐振腔内都能形成振荡，谐振腔处 于高Q值状态，腔内损耗很小。

当电光晶体5加电压时，感应光轴与纸面的夹角为45°，向左 传输的、偏振面平行于纸面的线偏振光经过加电压的电光晶体5后， 偏振方向旋转90°，光矢量的振动方向垂直于纸面，经偏振片4后 反射通过声光调Q晶体6，再经平面反射镜7反射，通过声光调Q 晶体6，并且经过偏振片4反射后，再通过加电压的电光晶体5， 光的偏振面向回旋转90°，光矢量的振动方向与纸面平行，与原来 向左入射电光晶体5的光的偏振方向一致。当声光调Q晶体6上没 有超声波作用时，光束不发生偏折，因此谐振腔内能够形成激光振荡， 谐振腔处于低损耗、高Q值状态；当声光调Q晶体6内有超声波作 用时，光束发射布拉格衍射，衍射光偏离原来的光束传播方向，泄露 出腔外，故谐振腔处于高损耗，低Q值状态。

由以上论述可知，在调Q模块中虽然同时存在电光调Q结构和 声光调Q结构，但二者不同时工作，相互之间没有影响，电光调Q 和声光调Q工作方式之间的转换由偏振片4和电光晶体5完成，由 于电光开关的开关速度快(可达ns量级)，因此电光调Q和声光调Q 工作方式之间可以快速转换，从而实现在激光器同一输出激光脉冲序 列中，既包含由电光调Q产生的大单脉冲能量、窄脉冲宽度、高峰 值功率的低重频电光调Q激光脉冲，又包含由声光调Q产生的小单 脉冲能量、宽脉冲宽度、低峰值功率的高重频声光调Q激光脉冲。 其中，电光调Q结构和声光调Q结构的位置可以互换。

泵浦增益结构包括二向色镜9、激光增益介质10，11为端面泵 浦辐射，12为侧面泵浦辐射，泵浦源的工作方式可以有以下5种： ①电光调Q状态下采用侧面泵浦方式，声光调Q工作状态下采用端面 泵浦方式，这样，从激光器中得到的低重频激光脉冲的单脉冲能量较 大，但光束质量相对较差，高重频激光脉冲的单脉冲能量较低，但光 束质量较好。②电光调Q工作状态下采用端面泵浦方式，声光调Q工 作状态下采用侧面泵浦方式，这样从激光器中得到的低重频激光脉冲 的单脉冲能量较低，但光束质量较好，而高重频激光脉冲的单脉冲能 量较高，但光束质量较差，在这种工作状态下还应注意，对应声光调 Q时的侧面泵浦辐射不能太强，否则会引起声光Q开关关不住的现象， 这将直接导致高重频激光脉冲不能形成。③无论在电光调Q工作方式 下还是在声光调Q工作方式下，均同时采用侧面泵浦方式和端面泵浦 方式，采用这种方法有利于提高输出激光的单脉冲能量，当然，电光 调Q状态下和声光调Q工作状态下，各自对应的端面泵浦和侧面泵浦 的比例分配可以根据实际情况确定。④电光调Q工作方式和声光调Q 工作方式均采用端面泵浦的泵浦方式，如图2所示，在这种工作方式 下，与泵浦工作方式Φ比较，虽然低重频激光脉冲的单脉冲能量较低， 但低重频激光脉冲和高重频激光脉冲的光束质量都比较好。⑤电光调 Q工作方式和声光调Q工作方式均采用侧面泵浦的方法，如图3所示， 在这种工作方式下，与泵浦工作方式Φ相比较，虽然高重频激光脉冲 的光束质量有所降低，但是单脉冲能量会有所提高。在这种工作方式 下，不需要二向色镜。

13为激光器的输出镜，14为输出的激光，8为另一偏振片，偏 振片8可以更换为两端镀有增透膜的偏光棱镜16。如果激光介质为 偏振光输出的各向异性增益介质，如Nd:YVO₄、Nd:YLF等，并且只 有一个线偏振态的激光模式输出，则偏振片8可以去掉，如图4所示。 偏振片4可更换为偏光棱镜15，如图5所示。谐振腔还可以使用折 叠腔的结构，如图6所示。

由以上实施例可以看出，本发明采用电光、声光双调Q的方式， 电光、声光调Q方式可快速切变，实现了在调Q激光器的同一输出 脉冲序列中，既包含大单脉冲能量、高峰值功率、窄脉冲宽度、低重 复频率的激光脉冲，又包含小单脉冲能量、低峰值功率、宽脉冲宽度、 高重复频率的激光脉冲，简化了设备。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出 若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。