CN110932075B - 一种双波长脉冲对激光输出方法及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长脉冲对激光输出方法及激光器，该激光器包括：泵浦源、耦合镜组、第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、第二全反射镜、第二激光增益介质、F‑P标准具和激光输出镜。所述泵浦源位于所述耦合镜组远离所述第一全反射镜的一侧，所述耦合镜组用于将所述泵浦源发出的光通过耦合镜组、第一全反射镜和可饱和吸收体后聚焦在第一激光增益介质中，产生的准三能级激光一部分输出，一部分对第二激光增益介质直接泵浦，产生四能级激光并输出。本发明方案在无需外加电控***的前提下，能够输出脉冲时间间隔在百纳秒级的双波长脉冲对激光，填补了已有脉冲对激光脉冲间隔在百纳秒级的空白。

Description

一种双波长脉冲对激光输出方法及激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，特别是一种双波长脉冲对激光输出方法及激光器。

背景技术

双脉冲激光在激光测距、环境监测、激光遥感、激光雷达、激光加工等技术领域具有十分广泛的应用，特别是在激光加工技术领域，采用脉冲对激光进行打孔，不仅能够提高精细加工的效率，而且还能显著地改善激光打孔的质量。但是这种脉冲对激光打孔技术要求调Q的脉冲对激光之间的时间间隔要控制在200ns以内，否则这种技术的优势很难体现，这对传统的脉冲对控制技术提出了很高的技术要求。此外，研究表明，在脉冲对激光打孔过程中，当第一个脉冲激光作用后，由于材料受到力、热的影响而使得材料的性质发生微小的改变，若继续采用同一波长的脉冲激光显然已经不再合适，因此获得超短时间间隔孪生双波长脉冲对激光的输出方法及激光器就显得尤为重要。

目前公开报道的脉冲对激光器主要以波长相同的双脉冲激光输出为主，其中与本发明相关的一种已知技术由李峰等人所公开(李峰，王君涛，殷苏勇，等.电光调Q双脉冲输出Nd：YAG全固态激光器[J].中国激光，2012，39(08)：27-31)，其所采用的结构如图1所示。图中，101为激光谐振腔全反镜，102为Q开关，103为四分之一波片，104为偏振片，105为LD泵浦源，106为聚焦耦合***，107为镀有泵浦光增透、激光高反的镜片，108为Nd：YAG激光晶体，109为激光谐振腔输出镜。但是已知技术存在以下三方面不足：其一，输出的脉冲对激光为波长相同的激光，已知技术方案无法获得双波长脉冲对激光输出；其二，脉冲对激光之间的时间间隔在200μs以上，与激光打孔技术领域中要求的双脉冲之间200ns的时间间隔之间相差3个数量级，也就是说已知技术无法满足脉冲对激光打孔的技术需要；其三，已知技术方案需要外加控制***以实现脉冲对激光输出，增加了***的复杂性。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种双波长脉冲对激光输出方法及激光器。

根据本发明的一方面，提出一种双波长脉冲对激光输出激光器，所述一种双波长脉冲对激光输出激光器，包括泵浦源、耦合镜组、第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜，其中：

所述泵浦源、耦合镜组、第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜依次排列；

所述第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜构成第一谐振腔；

所述第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜构成第二谐振腔；

所述泵浦源位于所述耦合镜组远离所述第一全反射镜的一侧，所述耦合镜组用于将所述泵浦源发出的光通过耦合镜组、第一全反射镜和可饱和吸收体后聚焦在第一激光增益介质中；

所述泵浦源为所述第一激光增益介质提供泵浦光，在所述第一谐振腔中产生准三能级激光，准三能级激光作为所述第二激光增益介质的泵浦光，在所述第二谐振腔中输出四能级激光，当准三能级激光达到一定的强度后，输出脉冲时间间隔在百纳秒级的双波长脉冲对激光。

可选地，所述激光器还包括激光电源，所述激光电源与所述泵浦源相连，用于为所述泵浦源提供电源。

可选地，所述激光器还包括信号发生器，所述信号发生器与所述激光电源相连，用于控制所述激光电源向泵浦源发出脉冲激光。

可选地，所述第一激光增益介质和第二激光增益介质共轴放置，且与激光输出方向一致。

可选地，通过调节所述F-P标准具的旋转角度，调节两种波长激光脉冲能量。

可选地，所述激光器还包括底座，用于承载所述耦合镜组、第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜。

可选地，所述激光器还包括第一热沉和第二热沉；其中，所述第一热沉设置在所述第一激光增益介质和所述底座中间，所述第二热沉设置在所述第二激光增益介质和所述底座中间，用于控制激光器的工作温度。

根据本发明另一方面，提出一种双波长脉冲对激光的输出方法，应用于如上所述的激光器中，所述方法包括：

泵浦源对第一激光增益介质进行泵浦，第一谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质处于粒子数反转状态，第一谐振腔内的光强度达到可饱和吸收体的饱和光强时，第一谐振腔腔内损耗迅速降低，输出准三能级激光；

准三能级激光对第二谐振腔的第二激光增益介质进行直接泵浦，第二激光增益介质迅速处于粒子数反转状态，输出四能级激光；

当准三能级激光达到一定的强度后，输出脉冲时间间隔在百纳秒级的双波长脉冲对激光。

本发明提出了一种双波长脉冲对激光输出方法及激光器，本发明方案在无需外加电控***的前提下，实现了输出不同波长的双波长脉冲对激光，而且输出双波长脉冲时间间隔在百纳秒级；除此之外，本发明所采用的泵浦方式为腔内直接泵浦，不仅能够有效的提高斯托克斯效率、缓解激光晶体的热透镜效应，而且还能够从根本上避免传统采用单一激光晶体的双波长激光器中的增益竞争问题。

附图说明

图1是本发明相关的一种已知技术的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的双波长脉冲对激光输出激光器的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的激光电源供电电压与时间的关系图；

图4是根据本发明一实施例的两种能级的激光能量与输出时间的关系图；

图5是根据本发明一实施例的双波长脉冲对激光输出方法的流程图。

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2是根据本发明一实施例的双波长脉冲对激光输出激光器的结构示意图，如图2所示，所述双波长脉冲对激光输出激光器包括：泵浦源3、耦合镜组4、第一全反射镜5、可饱和吸收体6、第一激光增益介质7、第二全反射镜8、第二激光增益介质9、F-P标准具10和激光输出镜11，其中：

所述泵浦源3、耦合镜组4、第一全反射镜5、可饱和吸收体6、第一激光增益介质7、第二全反射镜8、第二激光增益介质9、F-P标准具10和激光输出镜11依次排列；

所述第一全反射镜5、可饱和吸收体6、第一激光增益介质7、F-P标准具10和激光输出镜11构成第一谐振腔；

所述第二全反射镜8、第二激光增益介质9、F-P标准具10和激光输出镜11构成第二谐振腔；

所述泵浦源3位于所述耦合镜组4远离所述第一全反射镜5的一侧，所述耦合镜组4用于将所述泵浦源3发出的光通过耦合镜组4、第一全反射镜5和可饱和吸收体6后聚焦在第一激光增益介质7中。

在该实施方式中，所述泵浦源3产生的泵浦光通过所述耦合镜组4耦合在所述第一激光增益介质7上，在所述第一谐振腔中产生准三能级激光，准三能级激光作为所述第二激光增益介质9的泵浦光，在所述第二谐振腔中输出四能级激光，当准三能级激光达到一定的强度后，输出脉冲时间间隔在百纳秒级的双波长脉冲对激光。

在本发明的一实施方式中，所述激光器还包括激光电源2，所述激光电源2与所述泵浦源3相连，用于为所述泵浦源3提供电源。

在本发明的一实施方式中，所述激光器还包括信号发生器1，所述信号发生器1与所述激光电源2相连，用于控制所述激光电源2向泵浦源3发出脉冲激光。图3为激光电源2供电电压与时间的关系图。如图3所示，信号发生器1控制激光电源2以相同的时间间隔及恒定电压为泵浦源3供电。

在本发明的一实施方式中，所述第一谐振腔用来形成946nm准三能级激光振荡(通过能级跃迁⁴F_3/2-⁴I_9/2产生)，所述第二谐振腔用来形成1064nm四能级激光振荡(通过能级跃迁⁴F_3/2-⁴I_11/2产生)。在本实施例中，第二激光增益介质9位于第一谐振腔即准三能级激光谐振腔中，其所吸收的腔内准三能级激光起到了双重作用，一是为第二激光增益介质9提供泵浦功率、二是作为准三能级激光的一种腔内损耗。采用第一谐振腔产生的946nm激光作为第二激光增益介质9的泵浦源，为第二激光增益介质9直接泵浦的过程不仅能有效缓解第二激光增益介质9中的废热问题，还能够提高激射光的光束质量及转换效率。虽然第二激光增益介质9对946nm波长吸收效率较小(一般可控制在10％左右)，但由于腔内准三能级激光功率较大(当用十瓦激光二极管泵浦时腔内功率可以达到百瓦级)，所以第二个增益介质9对946nm激光可以获得较高功率的吸收。

在本发明的一实施方式中，所述第一激光增益介质7和第二激光增益介质9共轴放置，且与激光输出方向一致。

在本发明的一实施方式中，第一谐振腔和第二谐振腔共用一个激光输出镜11，其目的是实现激光共轴输出。

在本发明的一实施方式中，第一谐振腔和第二谐振腔共用一个F-P标准具10，通过调节F-P标准具10的旋转角度，调节两种波长激光的脉冲能量。

在本发明的一实施方式中，所述激光器还包括底座14，用于承载所述耦合镜组4、第一全反射镜5、可饱和吸收体6、第一激光增益介质7、第二全反射镜8、第二激光增益介质9、F-P标准具10和激光输出镜11。

在本发明的一实施方式中，所述激光器还包括第一热沉12和第二热沉13，其中，所述第一热沉12设置在所述第一激光增益介质7和所述底座14中间，所述第二热沉13设置在所述第二激光增益介质9和所述底座14中间，用于控制激光器的工作温度。

具体的，所述双波长脉冲激光器的具体工作原理为：信号发生器1控制激光电源2以相同的时间间隔，恒定电压为泵浦源3供电，泵浦源3发出的泵浦光通过耦合镜组4、第一全反射镜5和可饱和吸收体6后聚焦在第一激光增益介质7内部，第一激光增益介质7吸收泵浦光后形成粒子数反转(储能)状态。在初始阶段，第一谐振腔内自发辐射的光子数很少，发出的光强很小，可饱和吸收体6的吸收系数很大，处于不饱和状态，光线被不饱和吸收体6吸收，第一谐振腔腔内损耗很高。第一激光增益介质7在持续被泵浦的过程中，腔内自发辐射的光子数不断积累，光子数增多，腔内光强变大，此时可饱和吸收体6的吸收系数逐渐变小。当第一谐振腔内的光强度达到可饱和吸收体6的饱和光强时，可饱和吸收体6的光吸收系数迅速降低，透过率突然增高，大量反转粒子从高能级跃迁至低能级，第一谐振腔腔内损耗迅速降低，并形成准三能级激光。

该准三能级激光透过第二全反射镜8输出后，一部分透过F-P标准具10和激光输出镜11输出，另一部分照射在第二谐振腔的第二激光增益介质9内部，对第二激光增益介质9进行泵浦。第二激光增益介质9受到准三能级激光直接泵浦，从而能够有效地提高斯托克斯效率、降低第二激光增益介质9的热透镜效应，并且由于四能级激光的阈值较低，即在第二激光增益介质9内部迅速形成粒子数反转并形成窄脉冲(10ns级)的四能级激光输出。图4为两种能级的激光能量与输出时间的关系图，如图4所示，由于第二激光增益介质9从吸收泵浦光到形成四能级激光射出需要短暂的时间(100ns级)，因此第一谐振腔产生的准三能级激光与第二谐振腔产生四能级激光具有一个短暂的延时，并且该延时可以通过激光输出镜11的透过率和第二激光增益介质9的掺杂浓度和长度来调节。由于准三能级激光为四能级激光的泵浦源，所以当准三能级激光达到一定的强度后，这两种波长脉冲激光将先后的成对产生，就像孪生一样，并且两者时间间隔在百纳秒级。

在本发明一实施例中，所述第一激光增益介质7为Nd：YAG晶体，两个端面镀有透过率大于99.9％的946nm增透膜系。所述第二激光增益介质9为掺杂浓度为1.1％的Nd：YAG晶体，两个端面镀有透过率大于99.9％的1064nm增透膜系。所述第一全反射镜5为凹透镜，靠近所述可饱和吸收体6的一面镀有反射率为99.9％的946nm全反膜系。所述激光输出镜11镀有1064nm和946nm部分透过膜系。所述可饱和吸收体6为Cr⁴⁺：YAG晶体。

根据本发明的另一方面，还提出一种双波长脉冲对激光的输出方法，如图5所示，所述方法包括S501-S503：

在步骤S501中，泵浦源3对第一激光增益介质7进行泵浦，第一谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质7处于粒子数反转状态，第一谐振腔内的光强度达到可饱和吸收体6的饱和光强时，第一谐振腔腔内损耗迅速降低，输出准三能级激光；

在步骤S502中，准三能级激光对第二谐振腔的第二激光增益介质9进行直接泵浦，第二激光增益介质9迅速处于粒子数反转状态，输出四能级激光；

在步骤S503中，当准三能级激光达到一定的强度后，输出脉冲时间间隔在百纳秒级的双波长脉冲对激光。

在该实施方式中，对于步骤S501，泵浦源3发出的泵浦光通过耦合镜组4、第一全反射镜5和可饱和吸收体6后聚焦在第一激光增益介质7内部，第一激光增益介质7吸收泵浦光后形成粒子数反转(储能)状态。在初始阶段，第一谐振腔内自发辐射的光子数很少，发出的光强很小，可饱和吸收体6的吸收系数很大，处于不饱和状态，光线被不饱和吸收体6吸收，第一谐振腔腔内损耗很高。第一激光增益介质7在持续泵浦的过程中，腔内自发辐射的光子数不断积累，光子数增多，腔内光强变大，此时可饱和吸收体6的吸收系数逐渐变小。当第一谐振腔内的光强度达到可饱和吸收体6的饱和光强时，可饱和吸收体6的光吸收系数迅速降低，透过率突然增高，大量反转粒子从高能级跃迁至低能级，第一谐振腔腔内损耗迅速降低，并形成准三能级激光。

对于步骤S502，该准三能级激光透过第二全反射镜8输出后，一部分透过F-P标准具10和激光输出镜11输出，另一部分照射在第二谐振腔的第二激光增益介质9内部，对第二激光增益介质9进行泵浦。第二激光增益介质9受到准三能级激光直接泵浦，从而能够有效地提高斯托克斯效率、降低第二激光增益介质9的热透镜效应，并且由于四能级激光的阈值较低，即在第二激光增益介质9内部迅速形成粒子数反转并形成窄脉冲(10ns级)的四能级激光输出。由于准三能级激光为四能级激光的泵浦源，所以当准三能级激光达到一定的强度后，这两种波长脉冲激光将先后的成对产生，就像孪生一样，并且两者时间间隔在百纳秒级。

综上，本发明使用的利用准三能级激光直接泵浦产生四能级激光，在无需外加电控***的前提下，实现了输出不同波长的双波长脉冲对激光，而且输出双波长脉冲时间间隔在百纳秒级；除此之外，本发明所采用的泵浦方式为腔内直接泵浦，不仅能够有效的提高斯托克斯效率、缓解激光晶体的热透镜效应，而且还能够从根本上避免传统采用单一激光晶体的双波长激光器中的增益竞争问题。

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。

Claims (8)

1.一种双波长脉冲对激光输出激光器，包括泵浦源、耦合镜组、第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜，其中：

所述泵浦源、耦合镜组、第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜依次排列；

所述第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜构成第一谐振腔；

所述第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜构成第二谐振腔；

所述泵浦源位于所述耦合镜组远离所述第一全反射镜的一侧，所述耦合镜组用于将所述泵浦源发出的光通过耦合镜组、第一全反射镜和可饱和吸收体后聚焦在第一激光增益介质中；

所述泵浦源为所述第一激光增益介质提供泵浦光，在所述第一谐振腔中产生准三能级激光，准三能级激光作为所述第二激光增益介质的泵浦光，在所述第二谐振腔中输出四能级激光，当准三能级激光达到一定的强度后，输出脉冲时间间隔在百纳秒级的双波长脉冲对激光。

2.根据权利要求1所述的双波长脉冲对激光输出激光器，其特征在于，所述激光器还包括激光电源，所述激光电源与所述泵浦源相连，用于为所述泵浦源提供电源。

3.根据权利要求2所述的双波长脉冲对激光输出激光器，其特征在于，所述激光器还包括信号发生器，所述信号发生器与所述激光电源相连，用于控制所述激光电源向泵浦源发出脉冲激光。

4.根据权利要求1所述的双波长脉冲对激光输出激光器，其特征在于，所述第一激光增益介质和第二激光增益介质共轴放置，且与激光输出方向一致。

5.根据权利要求1所述的双波长脉冲对激光输出激光器，其特征在于，通过调节所述F-P标准具的旋转角度，调节两种波长激光的脉冲能量。

6.根据权利要求1所述的双波长脉冲对激光输出激光器，其特征在于，所述激光器还包括底座，用于承载所述耦合镜组、第一全反射镜、可饱和吸收体、第一激光增益介质、第二全反射镜、第二激光增益介质、F-P标准具和激光输出镜。

7.根据权利要求6所述的双波长脉冲对激光输出激光器，其特征在于，所述激光器还包括第一热沉和第二热沉；其中，所述第一热沉设置在所述第一激光增益介质和所述底座中间，所述第二热沉设置在所述第二激光增益介质和所述底座中间，用于控制激光器的工作温度。

8.一种双波长脉冲对激光的输出方法，应用于如权利要求1-7任一项所述的激光器中，其特征在于，所述方法包括：

泵浦源对第一激光增益介质进行泵浦，第一谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质处于粒子数反转状态，第一谐振腔内的光强度达到可饱和吸收体的饱和光强时，第一谐振腔腔内损耗迅速降低，输出准三能级激光；

准三能级激光对第二谐振腔的第二激光增益介质进行直接泵浦，第二激光增益介质迅速处于粒子数反转状态，输出四能级激光；

当准三能级激光达到一定的强度后，输出脉冲时间间隔在百纳秒级的双波长脉冲对激光。

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