一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器

摘要

本发明公开了一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器，所述被动调Q激光器包括：泵浦源、聚焦耦合镜组、全反镜、偏振激光介质、半波片、偏振片、被动调Q晶体和输出镜，其中：所述泵浦源、聚焦耦合镜组、全反镜、偏振激光介质、半波片、偏振片、被动调Q晶体和输出镜依次光学同轴排列，所述全反镜和输出镜组成谐振腔；所述偏振激光介质和半波片组成了偏振合成增益控制功能模块，通过旋转半波片来控制被动调Q激光器的增益，实现有效控制被动调Q激光器的脉冲频率。本发明方案能够在不改变泵浦功率、不影响晶体热效应及保持谐振腔稳定状态的条件下，被动调Q激光器本身实现增益控制，达到有效调节被动调Q激光器频率的技术效果。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器。

背景技术

被动调Q激光器具有体积小、成本低、结构紧凑的优点，在激光雕刻、显示和舞台布景等具有广泛的市场应用前景。

被动调Q经常用于连续泵浦的激光器中获得高重频的脉冲激光输出。由被动调Q技术特点可以看出，形成激光脉冲的一个关键点是激光器增益要达到激光器的阈值，在连续泵浦的被动调Q激光器中，经常出现产生激光脉冲的时刻和频率都不同的混乱现象，这是因为多模状态下，每个模式的激光器阈值有所不同，为了获得此条件下的稳定脉冲调Q激光输出，需要激光器保持单横模运转。

为使激光器实现单模运转，需要激光器的泵浦功率处于稳定状态，即激光器增益介质所产生的热透镜焦距不变，激光器谐振腔损耗不变，这样调Q激光器可以获得脉冲稳定的固定频率激光输出。当泵浦功率变化时，破坏了激光器单模运转条件，被动调Q脉冲和频率稳定性将受到破坏。

影响被动调Q的脉冲频率的因素主要有泵浦功率、输出镜反射率和谐振腔，其中输出镜和谐振腔参数一旦确定下来，调Q激光参数也将确定下来，只能通过改变泵浦功率，局部进行频率调整。泵浦功率改变，将影响晶体的热效应，造成谐振腔稳定状态发生改变，需要对谐振腔进行调整适应，获得稳定频率的调Q激光。因此被动调Q激光器输出频率运转过程中采用常规方法，无法对调Q脉冲频率进行有效调节，从而限制了被动调Q激光器的广泛应用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器。

本发明提出一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器，所述被动调Q激光器包括：泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、偏振片6、被动调Q晶体7和输出镜8，其中：

所述泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、偏振片6、被动调Q晶体7和输出镜8依次光学同轴排列；

所述全反镜3和输出镜8组成谐振腔；

所述泵浦源1产生的泵浦光首先经过所述聚焦耦合镜组2的汇聚，再经过所述全反镜3，最后被所述偏振激光介质4所吸收，使偏振激光介质粒子向激光上能级跃迁，形成粒子数反转，被动调Q激光器增益提高；

当被动调Q激光器增益提高到第一预设阈值以上时，谐振腔内激光开始振荡，激光光束最后经所述输出镜8输出。

可选地，所述偏振片6表面镀有P光高透膜和S光高反膜，在所述谐振腔中插入所述偏振片6以后，腔内只允许P偏振方向光在谐振腔内往返振荡。

可选地，所述被动调Q晶体7是基于晶体可饱和吸收特性用于调Q获得脉冲激光的晶体。

可选地，所述泵浦源1为直接输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰；

所述聚焦耦合镜组2由两个正交放置的柱面镜和一个凸透镜组成，所述柱面镜一面为平面，另一面为凸面，且所述柱面镜的平面与泵浦源1相对。

可选地，所述泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰；

所述聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜组成，并且凸面相对。

可选地，所述全反镜3为平面镜、凹面镜和凸面镜中的一种，朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有激光高反膜。

可选地，当所述偏振激光介质4热效应小于第一预设阈值时，所述全反镜3为平面镜；当所述偏振激光介质4热效应大于第二预设阈值时，所述全反镜3为凹面镜或者凸面镜，且其凹面或凸面朝向所述偏振激光介质4。

可选地，所述偏振激光介质4为具有偏振性质的激光介质，且具有晶体光轴。

可选地，所述半波片5为偏振器件，由单轴晶体制成，通光面平行于所述偏振激光介质4的光轴，通光方向垂直于所述偏振激光介质4的光轴。

可选地，所述输出镜8是平凹镜或平凸镜，其凹面或凸面朝向所述偏振激光介质4，朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有部分透过的激光反射膜。

本发明提出的一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器通过旋转半波片来控制被动调Q激光器的增益，改变被动调Q激光器的脉冲频率大小，从而实现在不改变泵浦功率、不影响晶体的热效应及保持谐振腔稳定状态的条件下，即被动调Q激光器本身实现增益控制并获得稳定频率的调Q激光的技术效果。与现有技术相比，采用本发明的技术方案能够实现被动调Q激光器在运转过程中可以有效调节频率，不破坏脉冲序列稳定性，实现被动调Q激光器的广泛应用。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器的结构示意图；

图2(a)是根据本发明一实施例的一种偏振合成激光增益控制的结构示意图；

图2(b)是根据本发明一实施例的一种偏振激光介质偏振的分解示意图；

图3是根据本发明一实施例的一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器的脉冲频率与θ的数值关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明一实施例的一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器的结构示意图，如图1所示，所述被动调Q激光器包括：泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、偏振片6、被动调Q晶体7和输出镜8，其中：

所述泵浦源1、聚焦耦合镜组2、全反镜3、偏振激光介质4、半波片5、偏振片6、被动调Q晶体7和输出镜8依次光学同轴排列；

所述全反镜3和输出镜8组成谐振腔。

在本发明一实施方式中，所述偏振片6表面镀有P光高透膜和S光高反膜，在所述谐振腔中插入所述偏振片6以后，腔内只允许P偏振方向光在谐振腔内往返振荡。

在本发明一实施方式中，所述被动调Q晶体7是基于晶体可饱和吸收特性用于调Q获得脉冲激光的晶体。

所述泵浦源1产生的泵浦光首先经过所述聚焦耦合镜组2的汇聚，再经过所述全反镜3，最后被所述偏振激光介质4所吸收，使偏振激光介质粒子向激光上能级跃迁，形成粒子数反转，被动调Q激光器增益提高；

当被动调Q激光器增益提高到第一预设阈值以上时，谐振腔内激光开始振荡，由于谐振腔内所述偏振片6具有P偏振高透S偏振高反的作用，P偏振光可以透过所述偏振片6，激光光束在谐振腔中往返振荡，而S偏振光直接被反射出谐振腔外，因此激光通过所述偏振片6后输出的是水平P偏振光，然后经所述输出镜8反射回的水平P偏振光首先依次经过所述被动调Q晶体7、偏振片6、半波片5、偏振激光介质4和反射镜3，然后经所述反射镜3反射回谐振腔内，再次依次经过所述偏振激光介质4、半波片5、偏振片6和被动调Q晶体7后，最后经所述输出镜8输出。

所述第一预设阈值可以为2g₀l＝L-lnR-2σ_gsn₀l_s，其中g₀为被动调Q激光器小信号增益，l为所述偏振激光介质4的增益长度，L为被动调Q激光器固有损耗，R为所述输出镜8的反射率，σ_gs为所述被动调Q晶体7的基态吸收截面，n₀为被所述动调Q晶体7的粒子密度，l_s为所述被动调Q晶体7的厚度。

随着腔内激光光束光强不断提高，由于所述被动调Q晶体7的透过率T是光强I的函数，具体表达式为：T＝exp[-a₀l_s/(1+I/I_s)]，其中，a₀为所述被动调Q晶体7的小信号吸收系数，ls为所述被动调Q晶体7的厚度，I_s为被动调Q晶体7饱和光强，当腔内光束强度达到所述被动调Q晶体7饱和光强以后，所述被动调Q晶体7中的可饱和吸收体透过率提高，谐振腔损耗下降，增益与损耗的差值越大，腔内往返过程中光强逐步提高，因此激光只需在谐振腔内往返振荡有限次，所述偏振激光介质4存储的上能级粒子绝大多数释放出来，之后激光增益迅速下降，直到被动调Q激光器增益低于所述第一预设阈值，激光脉冲终止。从被动调Q激光器输出看，从激光脉冲光强经历增加，变缓，减小直到终止的过程，激光只需在谐振腔内往返振荡有限次，从而形成纳秒量级的激光脉冲。

所述偏振激光介质4和半波片5组成了偏振合成增益控制功能模块，当被动调Q激光器增益达到第一预设阈值以后，谐振腔内形成激光振荡，所述偏振片6与输出镜8之间振荡激光为P偏振光，所述P偏振光首次经过所述半波片5之后，按照所述半波片5的光轴方向进行投影，分解为两个垂直方向上的偏振光，所述偏振激光介质4具有偏振特性，两个偏振方向的受激发射截面是不同的，基于小信号增益等于受激发射截面与所述偏振激光介质4单位体积掺杂粒子的乘积，所述偏振激光介质4对两个方向上的线偏振光的增益不同，通过旋转所述半波片5可以改变两个方向上的线偏振光的比例，从而实现控制合成激光增益的效果，所述被动调Q激光器增益越大意味着达到所述被动调Q激光器增益的第一预设阈值的周期越短，即此时所述被动调Q激光器的频率越大。

在本发明一实施方式中，所述泵浦源1为直接输出的半导体激光器，其输出的泵浦光从光束截面上分解出来两个方向的泵浦光，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰；所述聚焦耦合镜组2由两个正交放置的柱面镜和一个凸透镜组成，为减小柱面镜带来的球差，所述柱面镜一面为平面，另一面为凸面，且所述柱面镜的平面与泵浦源1相对；所述聚焦耦合镜组2中的两个柱面镜将所述泵浦源1分解出来的两个方向的泵浦光都整形为近似平行光束，所述聚焦耦合镜组2中的凸透镜对近似平行光束进行聚焦。

在本发明另一实施方式中，所述泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光器，波长对应于所述偏振激光介质4的吸收峰，由于光纤具有匀化作用，所述泵浦源1输出的泵浦光束截面上任意方向的发散角都相同；所述聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜组成，并且凸面相对，靠近所述泵浦源1的凸面镜将所述泵浦源1输出光束变成平行光，远离所述泵浦源1的凸面镜将平行光进行聚焦。

在本发明一实施方式中，所述全反镜3可以为平面镜也可以为凹面镜或者凸面镜，当所述偏振激光介质4热效应很小时，比如小于第二预设阈值时，经过所述偏振激光介质4的光近似为平行光，所述全反镜3为平面镜，朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有激光高反膜；当所述偏振激光介质4热效应明显时，比如大于第三预设阈值时，为了实现更好的效果，为使所述全反镜3的入射光线和反射光线重合，所述全反镜3为凹面镜或者凸面镜，其凹面或凸面朝向偏振激光介质4，且朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有激光高反膜，其中，所述全反镜3凹面或凸面的选择由所述全反镜3与所述偏振增益介质4之间的距离而定，比如当所述偏振增益介质4产生正热透镜效应时，线偏振光经所述偏振激光介质4产生的放大激光会发生汇聚，此时，当所述全反镜3与所述偏振增益介质4之间的距离小于偏振激光介质4的热焦距时，所述全反镜3为凸面镜；当所述全反镜3与所述偏振增益介质4之间的距离大于偏振激光介质4的热焦距时，所述全反镜3为凹面镜。

其中，所述第二预设阈值和第三预设阈值可以相等也可以不相等，其具体数据可根据实际应用的需要进行确定，本发明对其不作具体限定。

在本发明一实施方式中，所述偏振激光介质4为具有偏振性质的激光介质，如Nd：YVO4、Nd：YAP、Nd：YLF等，这类晶体具有晶体光轴，晶体被泵浦后，经过偏振激光介质4的激光具有偏振特性。

在本发明一实施方式中，所述半波片5是一种偏振器件，通常由单轴晶体制成，其通光面平行于所述偏振激光介质4的光轴，通光方向垂直于所述偏振激光介质4的光轴，当偏振激光入射到所述半波片5表面时，可投影获得平行于光轴和垂直于光轴两个偏振方向上的激光，这两束光对应的折射率不同，在通光方向上传输时，两光束产生相位差。当晶体的厚度达到一定厚度时，两束光产生的相位差为π，这种波片为半波片，此时偏振激光从所述半波片5透射后，偏振状态不发生改变，仍为线偏振光，但偏振方向发生改变，透射后的偏振方向与入射偏振方向以光轴对称。

其中，所述偏振片6以与光轴呈布儒斯特角或者45度角放置，可以用PBS分光镜、格兰棱镜替代。

在本发明一实施方式中，所述输出镜8可以是平凹镜或者平凸镜，通常凹面或凸面朝向所述偏振激光介质4，朝向所述偏振激光介质4的一侧镀有部分透过的激光反射膜。

图2(a)是根据本发明一实施例的一种偏振合成激光增益控制的结构示意图，如图2(a)所示，所述偏振片6输出的P偏振光，经过可旋转的所述半波片5后，光束偏振方向随之改变，偏振光与偏振激光介质4的x轴夹角发生变化。图2(b)是根据本发明一实施例的一种偏振激光介质偏振的分解示意图，如图2(b)所示，假设此时偏振光偏振方向与所述偏振激光介质4的x轴之间夹角为θ，将振荡光强I₀分别投影到所述偏振激光介质4的x和y方向，则x方向的光强为I_x＝I₀sin²θ，y方向的光强为I_y＝I₀cos²θ，由于所述偏振激光介质4对x和y两个方向光的增益不同，假设x和y方向的增益分别为G_x和G_y，则所述激光放大器第二次经过偏振激光介质4的放大光强为I_x＝I₀G_x²sin²θ，I_y＝I₀G_y²cos²θ，经半波片5作用之后被动调Q激光器的增益为G²＝[(G_x²-G_y²)sin²θ+G_y²]，由此可见，当改变θ数值时，即能够控制被动调Q激光器偏振合成的增益。

当需要改变所述被动调Q激光器的频率时，通过改变所述半波片5光轴与P偏振光的夹角，经半波片5后P偏振光偏振方向与偏振激光介质4的x轴之间的夹角θ随之改变，此时，所述被动调Q激光器的频率也随之改变。假设所述偏振激光介质4对x轴方向上的增益大于其对y轴方向上的增益，当半波片旋转到某一角度，θ角为90度时，所述被动调Q激光器的增益为G²＝G_x²，对应所述调Q激光器的最大增益，所述被动调Q激光器增益越大意味着达到所述被动调Q激光器增益的第一预设阈值的周期越短，即此时对应所述调Q激光器的最大频率，当对应的θ角为0度时，所述被动调Q激光器的增益为G²＝G_y²，同理此时对应所述被动调Q激光器的最小增益和频率。

根据泵浦功率与激光增益的关系和前面提到的偏振合成增益表达式，可以获得偏振增益与泵浦功率和重频间隔t的关系，最后利用调Q脉冲产生时增益和损耗相等的条件，可以得出重频间隔t与θ的关系，进而可以控制调Q激光频率。

具体计算过程如下：

g₀l＝KP_int(1)

其中，g₀为被动调Q激光器小信号增益，t为重频间隔，P_in为所述泵浦源1的泵浦功率，K代表所述泵浦源1的泵浦能量与小信号增益的系数，l为所述偏振激光介质4的增益长度。

被动调Q激光器的增益可表示为：

G＝exp(g₀l)＝exp(KP_int)(2)

其中，K_x和K_y为所述偏振激光介质4的x和y方向上的泵浦能量与小信号增益的系数。

利用增益与损耗相等关系，得到

[exp(2*K_xP_int)-exp(2*K_yP_int)]sin²θ+exp(2*K_yP_int)＝exp(L-ln>

其中，L为被动调Q激光器固有损耗，R为所述输出镜8的反射率。利用周期与重频f的关系，可得到：

[exp(2*K_xP_in/f)-exp(2*K_yP_in/f)]sin²θ+exp(2*K_yP_in/f)＝exp(L-ln>

公式(4)为一个超越方程，当泵浦功率一定时，脉冲频率f是θ的函数。

通过数值解，可以得出所述被动调Q激光器的脉冲频率随θ的对应关系，图3是根据本发明一实施例的一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器的脉冲频率随夹角θ的数值关系示意图，如图3所示，随着θ的增大，激光频率增加，当θ为90度时，所述被动调Q激光器的脉冲频率最大，当θ为0度时，所述被动调Q激光器的脉冲频率最小。

在本发明一实施方式中，所述泵浦源1采用光纤耦合输出的半导体激光器，输出的泵浦光波长808nm、功率30W；所述聚焦耦合镜组2由两个平凸透镜构成，凸面相对；所述平凸透镜焦距分别为50mm和100mm，每个平凸透镜的两个镜面都镀有透过率大于99.5％的808nm增透膜；所述全反腔镜3为平凹透镜，凹面朝向所述偏振激光介质4，所述全反腔镜3曲率半径为100mm，平凹透镜的凹镜面镀有反射率大于99.9％的1064nm高反膜；所述偏振激光介质4为3×3×10mm的Nd：YVO₄，晶体的两个端面都镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜；所述半波片5的通光口径为10mm，双侧都镀有1064nm增透膜，透过率大于99％；所述被动调Q晶体7为Cr：YAG晶体，两侧镀有1064nm增透膜，通光口径10mm，初始透过率为90％；所述输出镜8为1064nm平平输出镜，镀有1064nm激光反射膜，反射率达到85％。

在本发明一实施方式中，在光纤耦合输出的半导体激光器产生的泵浦光首先经过两个平凸透镜的汇聚后，再经过所述全反镜3，最后被Nd：YVO₄所吸收，所述被动调Q激光器增益提高。当所述被动调Q激光器增益提高到第一预设阈值以上时，谐振腔内激光开始振荡，由于谐振腔内所述偏振片6的作用，通过所述偏振片6后输出的是水平P偏振光，然后经所述输出镜8反射回的水平P偏振光首先依次经过所述被动调Q晶体7、偏振片6、半波片5、Nd：YVO₄后，经反射镜8反射回谐振腔内，再依次经过Nd：YVO₄、半波片5、偏振片6、被动调Q晶体7，最后经输出镜8输出脉冲调Q激光。

当需要改变所述被动调Q激光器的频率时，改变半波片5光轴与P偏振的夹角，经半波片5后线偏振光偏振方向与线激光介质x轴之间的夹角θ随之改变，此时，所述被动调Q激光器的频率也随之改变。当半波片旋转到某一角度，对应的θ角为0度时，所述被动调Q激光器的增益为G²＝G_y²，此时对应所述被动调Q激光器的最低频率，当θ角为90度时，所述被动调Q激光器的增益为G²＝G_x²，此时对应所述被动调Q激光器的最高频率。

由上可知，本发明提出的一种基于偏振合成激光增益的被动调Q激光器通过旋转半波片来控制被动调Q激光器的增益，改变被动调Q激光器的脉冲频率大小，从而实现在不改变泵浦功率、不影响晶体的热效应及保持谐振腔稳定状态的条件下，即被动调Q激光器本身实现增益控制并获得稳定频率的调Q激光的技术效果。与现有技术相比，采用本发明的技术方案能够实现被动调Q激光器在运转过程中可以有效调节频率，不破坏脉冲序列稳定性，实现被动调Q激光器的广泛应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。