CN102769245A - 种子注入的1064nm单频双脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
一种种子注入的1064nm单频双脉冲激光器，通过合理控制泵浦激光二极管的驱动电脉冲宽度，在一个泵浦周期内，利用改进的谐振探测方法，在电压扫描的上升沿和下降沿阶段，分别给出一个调Q开关的触发信号，两个触发信号具有一定时序关系，用以实现两次开启电光开关功能，获得双调Q单频激光脉冲输出。激光谐振腔采用折叠腔结构，由两个高峰值功率的激光二极管双端面泵浦激光晶体，以获得1064nm单频双脉冲激光输出。本发明具有高效率、高能量、窄线宽、高频率稳定性、结构紧凑和工作稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器泵浦的全固态激光器，特别是一种种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器。
背景技术
双脉冲全固态激光器在大气环境监测、精细加工、动态全息成像等领域都有较大的应用需求。尤其是差分吸收激光雷达，作为大气环境监测的一种非常有效的手段，具有快速准确，探测灵敏度高等特点。而1064 nm的单频双脉冲激光器作为差分吸收大气探测激光雷达的光泵浦源，属于差分吸收激光雷达的重要组成部分，因此发明出性能可靠，结构紧凑的种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器对于地球环境科学的研究具有很重要的意义。
当前阶段，单频脉冲激光器大多是以单脉冲的形式运转，作为差分吸收激光雷达的泵浦源，首先要实现双脉冲运转，并保证输出双脉冲的单频特性，其次还有双脉冲的间隔，输出脉冲的能量，输出脉冲宽度的控制，都是研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种种子注入的1064 nm的单频双脉冲激光器。该激光器应具有高效率、高能量、窄线宽、高频率稳定性、结构紧凑和工作稳定的特点。
本发明的基本思想是：通过合理控制泵浦源的驱动电脉冲宽度，在一个泵浦周期内，利用改进的谐振探测方法，在电压扫描的上升沿和下降沿阶段，分别给出一个调Q开关的触发信号，两个触发信号具有一定时序关系，用以实现两次开启电光开关功能，获得双调Q单频激光脉冲输出。激光谐振腔采用折叠腔结构，由两个高峰值功率的激光二极管双端面泵浦激光晶体，以获得1064 nm单频双脉冲激光输出。
本发明的技术解决方案如下：
一种种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器，其特点在于该激光器包括腔外种子光路部分、折叠从动谐振腔及电学控制处理三部分：
所述的腔外种子光路部分包括种子激光器，沿该种子激光器的输出光方向依次是第一隔离器、第二隔离器、半波片、第一四分之一波片、耦合透镜组和与光路成45°的反射镜组组成，所述的反射镜组使种子光进入所述的折叠从动谐振腔内，并且种子光与所述的折叠从动谐振腔的振荡光路一致；
所述的折叠从动谐振腔依次由后腔镜、调Q晶体、第二四分之一波片、布儒斯特角起偏片、第三四分之一波片、第一分光镜、增益介质、第二分光镜、第四四分之一波片和输出镜组成；该折叠从动谐振腔采用双端泵浦，一端由第一泵浦源和第一泵浦耦合***构成，另一端由第二泵浦源和第二泵浦耦合***构成；所述的第一泵浦源和第二泵浦源是中心波长808 nm的高功率半导体激光器，所述的第一分光镜和第二分光镜都是对808nm的泵浦光45°高透，并且对1064nm的振荡激光高反，与入射光路成45°设置；
所述的电学控制处理部分由光电二极管、第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、压电陶瓷驱动电源、谐振探测单元、泵源驱动电源、第一直流供电电源、第二直流供电电源和双调Q高压板组成，所述的光电二极管设置在所述的布儒斯特角起偏片的反射光方向，所述的第一压电陶瓷紧固于所述的后腔镜，所述的第二压电陶瓷紧固于所述的输出镜，所述的压电陶瓷驱动电源的输出端分别与第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的输入端连接；所述的谐振探测单元的输入端与所述的光电二极管的输出端相连，所述的谐振探测单元的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动电源的输入端、为调Q晶体BBO提供双调Q高压的高压板的输入端连接；所述的谐振探测单元和压电陶瓷驱动电源均由第一直流源供电，所述的高压板由第二直流源供电。
所述的种子激光器是一个连续输出的单纵模激光器，线宽在kHz量级，有着很高的频率稳定性。
所述的耦合透镜组将种子光光束进行光斑大小变换，使其在从动谐振腔内的光斑大小与振荡光斑大小一致。
所述的增益介质为键合Nd:YAG晶体。
所述的泵浦源驱动电源在每个工作周期的起始点给第一泵浦源和第二泵浦源同步触发信号，使第一泵浦源和第二泵浦源输出808nm泵浦光到所述的激光晶体上，压电陶瓷驱动电源在每个泵浦周期内，在第二压电陶瓷上施加一斜坡电压以改变从动腔腔长，所述的谐振探测单元对光电二极管上的干涉信号在设定峰值检测间隔进行峰值检测，当检测到两个位置的峰值时，该谐振探测单元在设定的间隔的时刻向所述的高压板输出两个高压触发信号，使调Q晶体打开两次，所述的输出镜相应的输出单纵模的双脉冲激光，在每次出光之后所述的压电陶瓷驱动电源给所述的第一压电陶瓷加载一直流电压，使从动腔恢复到第二压电陶瓷上未施加一斜坡电压前的腔长状态。
种子激光器输出单频连续激光，线宽在kHz量级，输出功率可调，典型值为370 mW。两个串联的隔离器提供大于60 dB的隔离度，防止谐振腔产生的激光从后腔镜出来进入种子激光器，干扰其正常工作。两个耦合透镜对种子激光束进行变换耦合，使得种子激光在谐振腔内与其自身的振荡光束有着同样的光斑大小。紧接着的是半波片和四分之一波片，二者的组合可以产生椭圆偏振光。种子光经后腔镜进入到谐振腔内，经过布儒斯特角起偏片时s光被反出腔外，透过的p光再经过一个来回后在起偏片之前变成了s光，也被反出腔外。两次反出的s光相干涉，其干涉信号包含了腔长信息。晶体两端的四分之一波片是为了消除驻波腔的空间烧孔效应，使各个纵模之间形成抑制性竞争。根据增益介质的上能级寿命，泵浦脉冲宽度的选择约为两倍于其上能级寿命，在一个泵浦周期两次打开调Q开关，实现双脉冲输出，并保持高的能量转换效率和合适的脉冲间隔，通过对泵浦脉冲宽度和调Q触发时序的控制实现对双脉冲能量的控制，最后通过合理的控制腔长，实现对输出脉冲宽度的控制。
本发明具有以下优点：
1、本发明采用激光二极管（LD）双端泵浦激光晶体，利用改进的谐振探测方法，在长脉冲泵浦的情况下，一个泵浦周期两次打开调Q开关实现1064 nm单频双脉冲激光输出。在每个泵浦期内给压电陶瓷上加载斜坡电压，随着压电陶瓷上所加电压的变化，两次从布儒斯特角起偏片反射出来的种子光发生干涉，时序电路处理光电二极管接收到的信号，一个泵浦周期内，在干涉极大值的位置两次打开调Q开关，输出1064 nm单频双脉冲激光。
2、另一压电陶瓷根据出光时间对腔长做出负反馈，保持腔长稳定。激光谐振腔采用折叠腔，采用两个高峰值功率的LD从端面泵浦激光晶体。
3、采用键合晶体，减小晶体的热效应。
4、采用折叠腔，结构紧凑，体积小。此外，利用双端泵浦有助于提高泵浦功率且减小纵向温度梯度，从而提高平均功率和单脉冲能量。
、本发明具有高效率、高能量、窄线宽、高频率稳定性、结构紧凑和工作稳定的特点。
附图说明
图1是本发明种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器的***框图；
图2是本发明种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器的电学控制处理连接图；
图3是本发明激光器双脉冲输出图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参照图1，图1是本发明种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器的***框图。由图可见，本发明种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器，包括腔外种子光路部分、折叠从动谐振腔及电学控制处理三部分：
所述的腔外种子光路部分包括种子激光器1-1，沿该种子激光器1-1的输出光方向依次是第一隔离器1-2、第二隔离器1-3、半波片1-4、第一四分之一波片1-5、耦合透镜组1-6和1-7，与光路成45°的反射镜组1-8和1-9组成，反射镜组1-8和1-9使种子光进入所述的折叠从动谐振腔内，并且种子光与所述的折叠从动谐振腔的振荡光路一致；
所述的折叠从动谐振腔依次由后腔镜2-1、调Q晶体2-2、第二四分之一波片2-3、布儒斯特角起偏片2-4、第三四分之一波片2-5、第一分光镜2-6、增益介质2-7、第二分光镜2-8、第四四分之一波片2-9和输出镜2-10组成；该折叠从动谐振腔采用双端泵浦，一端由第一泵浦源2-11和第一泵浦耦合***2-12和2-13构成，另一端由第二泵浦源2-14和第二泵浦耦合***2-15和2-16构成；所述的第一泵浦源2-11和第二泵浦源2-14是中心波长808 nm的高功率半导体激光器，所述的第一分光镜2-6和第二分光镜2-8都是对808nm的泵浦光45°高透，并且对1064nm的振荡激光高反，与入射光路成45°设置；
所述的电学控制处理部分由光电二极管3-1、第一压电陶瓷3-2、第二压电陶瓷3-3、压电陶瓷驱动电源3-4、谐振探测单元3-5、泵源驱动电源3-6、第一直流供电电源3-7、第二直流供电电源3-8和双调Q高压板3-9组成，所述的光电二极管3-1设置在所述的布儒斯特角起偏片2-4的反射光方向，所述的第一压电陶瓷3-2紧固于所述的后腔镜2-1，所述的第二压电陶瓷3-3紧固于所述的输出镜2-10，所述的压电陶瓷驱动电源3-4的输出端分别与第一压电陶瓷3-2和第二压电陶瓷3-3的输入端连接；所述的谐振探测单元3-5的输入端与所述的光电二极管3-1的输出端相连，所述的谐振探测单元3-5的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动电源3-4的输入端、为调Q晶体BBO2-2提供双调Q高压的高压板3-9的输入端连接；所述的谐振探测单元3-5和压电陶瓷驱动电源3-4均由第一直流源3-7供电，所述的高压板3-9由第二直流源3-8供电。
种子激光器1-1输出单频连续激光，线宽在kHz量级，输出功率为370 mW。两个串联的隔离器1-2，1-3提供大于60 dB的隔离度，防止谐振腔产生的激光从后腔镜出来进入种子激光器而干扰其正常工作。两个耦合透镜1-6和1-7对种子激光束进行变换耦合，使种子激光在谐振腔内与其自身的振荡光束光斑大小一致。紧接着的是半波片1-4和四分之一波片1-5，二者的组合可以产生满足谐振探测所需要的椭圆偏振光。种子光经后腔镜2-1进入到谐振腔内，经过布儒斯特角起偏片2-4时s光被反出腔外，透过的p光再经过一个来回后在起偏片之前变成了s光，也被反出腔外。两次反出的s光相干涉，其干涉信号包含了腔长信息。晶体两端的四分之一波片2-5和2-9是为了消除驻波腔的空间烧孔效应，使各个纵模之间形成抑制性竞争，从而实现单纵模振荡。通过在一个泵浦周期两次打开调Q开关，实现双脉冲输出。
下面是本发明具体实施的参数：
所述的所述的第一泵浦源2-11和第二泵浦源2-14采用峰值功率为150 W中心波长808 nm的脉冲运转激光二极管，泵浦周期为20 ms，占空比为2.2 %。增益介质2-7采用φ4*30的键合晶体棒YAG/Nd:YAG/YAG，中间的20 mm为掺杂区，掺杂浓度为0.5at.%，两端各5mm不掺杂。谐振腔腔长为1000 mm，后腔镜2-1和输出镜2-10都是平镜，采用偏硼酸钡（BBO）做电光调Q晶体2-2。利用改进的谐振探测方法和一个泵浦周期两次调Q的方法获得了种子注入的1064nm单频双脉冲激光输出，在50 Hz的脉冲重复频率下输出的双脉冲能量相等，每个脉冲能量10 mJ的单频脉冲激光，输出激光脉宽（FWHM）13 ns，并且有着接近极限的频谱宽度和高的频率稳定性。本发明具有高能量、窄线宽、高频率稳定性、结构紧凑和工作稳定的特点。
Claims (5)
1.一种种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器，其特征在于该激光器包括腔外种子光路部分、折叠从动谐振腔及电学控制处理三部分：
所述的腔外种子光路部分包括种子激光器（1-1），沿该种子激光器（1-1）的输出光方向依次是第一隔离器（1-2）、第二隔离器（1-3）、半波片（1-4）、第一四分之一波片（1-5）、耦合透镜组（1-6和1-7），与光路成45°的反射镜组（1-8和1-9）组成，反射镜组（1-8和1-9）使种子光进入所述的折叠从动谐振腔内，并且种子光与所述的折叠从动谐振腔的振荡光路一致；
所述的折叠从动谐振腔依次由后腔镜（2-1）、调Q晶体（2-2）、第二四分之一波片（2-3）、布儒斯特角起偏片（2-4）、第三四分之一波片（2-5）、第一分光镜（2-6）、增益介质（2-7）、第二分光镜（2-8）、第四四分之一波片（2-9）和输出镜（2-10）组成；该折叠从动谐振腔采用双端泵浦，一端由第一泵浦源（2-11）和第一泵浦耦合***（2-12和2-13）构成，另一端由第二泵浦源（2-14）和第二泵浦耦合***（2-15和2-16）构成；所述的第一泵浦源（2-11）和第二泵浦源（2-14）是中心波长808 nm的高功率半导体激光器，所述的第一分光镜（2-6）和第二分光镜（2-8）都是对808nm的泵浦光45°高透，并且对1064nm的振荡激光高反，与入射光路成45°设置，在所述的布儒斯特角起偏片（2-4）的反射光方向设有光电二极管（3-1）；
所述的电学控制处理部分由光电二极管（3-1）、第一压电陶瓷（3-2）、第二压电陶瓷（3-3）、压电陶瓷驱动电源（3-4）、谐振探测单元（3-5）、泵源驱动电源（3-6）、第一直流供电电源（3-7）、第二直流供电电源（3-8）和双调Q高压板（3-9）组成，所述的光电二极管（3-1）设置在所述的布儒斯特角起偏片（2-4）的反射光方向，所述的第一压电陶瓷（3-2）紧固于所述的后腔镜（2-1），所述的第二压电陶瓷（3-3）紧固于所述的输出镜（2-10），所述的压电陶瓷驱动电源（3-4）的输出端分别与第一压电陶瓷（3-2）和第二压电陶瓷（3-3）的输入端连接；所述的谐振探测单元（3-5）的输入端与所述的光电二极管（3-1）的输出端相连，所述的谐振探测单元（3-5）的输出端分别与所述的压电陶瓷驱动电源（3-4）的输入端、为调Q晶体BBO（2-2）提供双调Q高压的高压板（3-9）的输入端连接；所述的谐振探测单元（3-5）和压电陶瓷驱动电源（3-4）均由第一直流源（3-7）供电，所述的高压板（3-9）由第二直流源（3-8）供电。
2.根据权利要求1所述的种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器，其特征在于所述的种子激光器（1-1）是一个连续输出的单纵模激光器，线宽在kHz量级，有着很高的频率稳定性。
3.根据权利要求1所述的种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器，其特征在于所述的耦合透镜组（1-6和1-7）将种子光光束进行光斑大小变换，使其在从动谐振腔内的光斑大小与振荡光斑大小一致。
4.根据权利要求1所述的种子注入1064 nm单频双脉冲激光器，其特征在于所述的增益介质（2-7）为键合Nd:YAG晶体。
5.根据权利要求1至4任一项所述的种子注入的1064 nm单频双脉冲激光器，其特征在于所述的泵浦源驱动电源（3-6）在每个工作周期的起始点给第一泵浦源（2-1）和第二泵浦源（2-14）同步触发信号，使第一泵浦源（2-1）和第二泵浦源（2-14）输出808nm泵浦光到所述的激光晶体上，压电陶瓷驱动电源（3-4）在每个泵浦周期内，在第二压电陶瓷（3-3）上施加一斜坡电压以改变从动腔腔长，所述的谐振探测单元（3-5）对光电二极管（3-1）上的干涉信号进行峰值检测，当检测到两个位置的峰值时，该谐振探测单元（3-5）在设定的间隔的时刻向所述的高压板（3-9）输出两个高压触发信号，使调Q晶体（2-2）打开两次，所述的输出镜(2-10)相应的输出单纵模的双脉冲激光，在每次出光之后所述的压电陶瓷驱动电源（3-4）给所述的第一压电陶瓷（3-2）加载一直流电压，使从动腔恢复到第二压电陶瓷（3-3）上未施加一斜坡电压前的腔长状态。
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