專利名稱：可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)q激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器，特別涉及可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
脈沖激光在工業(yè)加工、信息傳輸、遠(yuǎn)程傳感等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。目前，普遍采用調(diào)Q技術(shù)來得到高峰值功率和持續(xù)時間很短的激光脈沖。在很多工業(yè)及軍事應(yīng)用中，還要求激光輸出光束具有線偏振特性和較高的光束質(zhì)量。
目前，常用的調(diào)Q方法有被動調(diào)Q和主動調(diào)Q兩種，其中，主動調(diào)Q包括聲光調(diào)Q、電光調(diào)Q、機(jī)械調(diào)Q和腔倒空等方式。被動調(diào)Q激光器只需在腔內(nèi)插入可飽和吸收體，無需外部驅(qū)動源控制，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸出光束質(zhì)量好的優(yōu)勢。但被動調(diào)Q激光器在較高重頻(一般指大于100kHz)下輸出不穩(wěn)定，重頻和峰值功率均存在較大的抖動。主動調(diào)Q激光器具有調(diào)Q時刻精確控制的特點(diǎn)，一般輸出穩(wěn)定性較高。但要得到較高的光束質(zhì)量輸出，須采用光闌選模、特殊穩(wěn)定腔或非穩(wěn)腔等措施，而這些措施或者降低激光器效率，或者增加諧振腔復(fù)雜性，或者降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，大多數(shù)主動調(diào)Q器件不具有偏振選擇特性。
本發(fā)明將可飽和吸收體應(yīng)用于主動調(diào)Q激光器，利用可飽和吸收體的各向吸收異性和動態(tài)光闌特性來得到調(diào)Q激光器的偏振和高光束質(zhì)量輸出。根據(jù)發(fā)明人的技術(shù)調(diào)研，將可飽和吸收體和主動調(diào)Q元件同時應(yīng)用于激光器的國內(nèi)外專利有四篇，下面按時間為序簡要說明各專利的發(fā)明內(nèi)容。Zheng Jun Xiong提出主被動雙Q開關(guān)應(yīng)用于固體激光器中，可以獲得窄脈寬、高脈沖能量輸出(世界專利，專利號WO 03/007438 A1，2003)。Denis J.Gendron提出采用主被動雙Q開關(guān)可以消除調(diào)Q輸出中的脈沖調(diào)制現(xiàn)象，主要原因是，Cr4+:YAG在“漂白”過程中，折射率改變，產(chǎn)生頻率“啁啾”現(xiàn)象，可消除空間燒孔效應(yīng)，形成寬譜激光，得到平滑脈沖(世界專利，專利號WO 03/019739A2，2003)。Wang Long Zhou提出采用主被動雙Q開關(guān)可實(shí)現(xiàn)重頻主動控制，使脈沖產(chǎn)生時刻更精確，同時避免子脈沖的產(chǎn)生(美國專利，專利號US 2004/0190564 A1，2004)。許祖彥提出采用主被動雙Q開關(guān)可以獲得單縱模輸出，主要原理是，利用第一個縱模作為種子注入，Cr4+:YAG作為縱模選擇器，從而獲得單縱模輸出(中國專利，專利號CN 1645691 A，2005)。以上專利均不涉及利用可飽和吸收體的各向吸收異性和動態(tài)光闌特性來得到調(diào)Q激光器的偏振和高光束質(zhì)量輸出的內(nèi)容。
關(guān)于可飽和吸收體的各向吸收異性和動態(tài)光闌特性已有文獻(xiàn)報導(dǎo)。2006年在ASSP會議上，H.Sakai等人報導(dǎo)了[110]方向切割的Cr4+:YAG的各向吸收異性(Hiroshi Sakai，AkihiroSone，Hirohumi Kan，Takunori Taira，Polarization Stabilizing for Diode-Pumped Passively Q-SwitchedNd:YAG Microchip Lasers，Advanced Solid-State Photonics(ASSP)2006，paper MD2)。關(guān)于可飽和吸收體的動態(tài)光闌特性在很多光學(xué)專業(yè)的著作中都有論述(如藍(lán)信鉅，激光技術(shù)，科學(xué)出版社，第二版，2005)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器裝置，該激光器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的特征在于包括浦源、激光增益介質(zhì)、主動調(diào)Q元件、具有各向吸收異性和動態(tài)光闌特性的可飽和吸收體、腔鏡，所述腔鏡至少包括一個后腔鏡和一個輸出鏡；后腔鏡對激光高反射；泵浦源的發(fā)射譜與激光增益介質(zhì)的吸收譜匹配；激光增益介質(zhì)是產(chǎn)生激光輸出，且所述可飽和吸收體對該激光增益介質(zhì)的發(fā)射波長具有可飽和吸收特性的固體激光工作物質(zhì)；泵浦源發(fā)出的泵浦光可直接，或通過耦合裝置后入射激光增益介質(zhì)；輸出鏡的鍍膜對激光波長的透過率是設(shè)定的。
所述后腔鏡可對泵浦光增透；泵浦光可通過光纖耦合及耦合透鏡聚焦后從端面入射激光增益介質(zhì)；可在該激光增益介質(zhì)朝向泵浦端的通光面上，鍍對泵浦波長及激光波長增透的光學(xué)薄膜，而在激光增益介質(zhì)朝向輸出端的通光面上，鍍對激光波長增透的光學(xué)薄膜；主動調(diào)Q元件的兩個通光面上可鍍對激光波長的增透膜。
所述可飽和吸收體可以是具有各向吸收異性的110方向切割的Cr4+:YAG。
所述后腔鏡可以光學(xué)薄膜的形式鍍在激光增益介質(zhì)朝向泵浦源的端面上。
所述激光增益介質(zhì)可以和可飽和吸收體鍵合成為復(fù)合介質(zhì)。
可以在所述激光增益介質(zhì)中同時摻入激光增益元素和可飽和吸收元素，構(gòu)成自飽和吸收的激光介質(zhì)。
所述的輸出鏡可以以光學(xué)薄膜的形式鍍在主動調(diào)Q元件朝向輸出的通光面上。
所述激光器采用包括直腔、折腔、環(huán)形腔在內(nèi)的各種腔型結(jié)構(gòu)。
所述泵浦源是包括半導(dǎo)體激光器、閃光燈在內(nèi)的各種泵浦源，泵浦方式是包括端面泵浦、側(cè)面泵浦在內(nèi)的各種泵浦方式。
所述主動調(diào)Q元件是機(jī)械Q開關(guān)、或聲光Q開關(guān)、或電光Q開關(guān)、或腔倒空器件，用以對諧振腔損耗進(jìn)行調(diào)制，但基于偏振控制的Q開關(guān)和腔倒空器件除外。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明提出的通過在主動調(diào)Q激光器中插入具有各向吸收異性的可飽和吸收體，從而提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，具有簡單有效、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)技術(shù)帶來系統(tǒng)復(fù)雜性增加和穩(wěn)定性降低的問題。


圖1為本發(fā)明提供的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器第一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明提供的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器第二個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明提供的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器第三個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明提供的[110]方向切割的Cr4+:YAG(小信號透過率為25％)對不同偏振方向的激光的透過率。
圖1～圖4中，1-半導(dǎo)體激光器，2-耦合光纖，3-耦合透鏡，4-后腔鏡，5-激光增益介質(zhì)，6-主動調(diào)Q元件，7-可飽和吸收體，8-輸出鏡，9-代替后腔鏡的光學(xué)薄膜，10-代替輸出鏡的光學(xué)薄膜，11-自飽和吸收的激光介質(zhì)具體實(shí)施方式
圖1為本發(fā)明提供的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器的第一個實(shí)施例。本發(fā)明的思想可以應(yīng)用于各種腔型的激光器，如直腔、折腔、環(huán)形腔等，可采用半導(dǎo)體激光器、閃光燈等各種泵浦源和各種泵浦方式。這里選用直腔和半導(dǎo)體激光器端面泵浦方式只是作為本發(fā)明的一個方便說明的實(shí)施例。
該實(shí)施例中的可飽和吸收體7可采用[110]方向切割的Cr4+:YAG，利用Cr4+:YAG在該方向上的各向吸收異性和動態(tài)光闌特性得到線偏振和高光束質(zhì)量輸出。其通光面鍍對激光波長的增透膜，且通光面垂直于諧振腔主軸。
半導(dǎo)體激光器1所發(fā)射的泵浦光通過光纖2耦合及透鏡3聚焦后入射激光增益介質(zhì)5。半導(dǎo)體激光器1的發(fā)射譜與增益介質(zhì)5的吸收譜匹配。
后腔鏡4對泵浦光增透，對激光高反。激光增益介質(zhì)5為可以產(chǎn)生激光輸出的、且Cr4+:YAG對其發(fā)射波長具有可飽和吸收特性的固態(tài)激光工作物質(zhì)，如Nd:YAG、Yb:YAG、Nd:YVO4、Nd:glass等。激光增益介質(zhì)5朝向泵浦端的通光面上的鍍膜對泵浦波長及激光波長增透，而其朝向輸出端的通光面上的鍍膜對激光波長增透。主動調(diào)Q元件6選用聲光Q開關(guān)，其兩個通光面上鍍對激光波長的增透膜，該實(shí)施例中的聲光Q開關(guān)還可以用電光Q開關(guān)、機(jī)械Q開關(guān)和腔倒空器件代替，但基于偏振控制的Q開關(guān)和腔倒空器件除外。輸出鏡8的鍍膜對激光波長具有一定的透過率。
在該實(shí)施例中，聲光Q開關(guān)在關(guān)斷情況下，腔內(nèi)衍射損耗很高，同時Cr4+:YAG較強(qiáng)的吸收使得激光不能起振，在增益介質(zhì)5內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷積累。在打開Q開關(guān)的瞬間，腔內(nèi)衍射損耗降到最低，此時激光腔內(nèi)的損耗主要是由于Cr4+:YAG的吸收引起的。而此時在增益介質(zhì)5內(nèi)積累的大量反轉(zhuǎn)粒子數(shù)使得腔內(nèi)增益大于損耗，激光開始起振，同時Cr4+:YAG對激光的吸收隨激光的增強(qiáng)而減弱，這樣一種正反饋的機(jī)制使得強(qiáng)激光脈沖迅速建立，產(chǎn)生一個持續(xù)時間很短的高峰值功率激光脈沖。由于[110]方向切割的Cr4+:YAG具有各向吸收異性，即Cr4+:YAG對沿某一方向偏振的激光吸收最弱，透過率最高，如圖4所示，使得該方向偏振的激光在起振過程中占有競爭優(yōu)勢，其它偏振方向的激光被抑制，因此，激光器輸出激光脈沖具有線偏振特性。同時，Cr4+:YAG具有動態(tài)光闌特性，具體的說，由于振蕩光束在中心軸線附近具有最高強(qiáng)度，從而最先漂白Cr4+:YAG在軸線中心及附近的位置，而對離軸線較遠(yuǎn)的位置來說則因其入射光功率密度低，不易漂白，從而損耗較大。因而，插入Cr4+:YAG導(dǎo)致高階橫模不易形成振蕩，從而改善了輸出光束質(zhì)量。所以，插入[110]方向切割的Cr4+:YAG產(chǎn)生的總的結(jié)果是獲得偏振和高光束質(zhì)量的激光脈沖輸出。
圖2為本發(fā)明提供的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器的第二個實(shí)施例，其中，激光增益介質(zhì)5和Cr4+:YAG通過鍵合成為復(fù)合介質(zhì)，并在激光增益介質(zhì)5朝向泵浦源的端面上鍍對激光高反，對泵浦光增透的光學(xué)薄膜9代替后腔鏡4，在主動調(diào)Q元件6朝向輸出的端面上鍍對激光部分反射的光學(xué)薄膜10代替輸出鏡8。
圖3為本發(fā)明提供的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器的第三個實(shí)施例，其中，同時在介質(zhì)YAG中摻入激光增益元素Nd和可飽和吸收元素Cr，構(gòu)成自飽和吸收的激光介質(zhì)11，Nd:Cr4+:YAG。
權(quán)利要求
1.可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，至少含有泵浦源(1)、激光增益介質(zhì)(5)、主動調(diào)Q元件(6)、具有各向吸收異性和動態(tài)光闌特性的可飽和吸收體(7)、腔鏡(4、8)，所述腔鏡至少包括一個后腔鏡(4)和一個輸出鏡(8)；后腔鏡(4)對激光高反射；泵浦源(1)的發(fā)射譜與激光增益介質(zhì)(5)的吸收譜匹配；激光增益介質(zhì)(5)是產(chǎn)生激光輸出，且所述可飽和吸收體(7)對該激光增益介質(zhì)(5)的發(fā)射波長具有可飽和吸收特性的固體激光工作物質(zhì)；泵浦源(1)發(fā)出的泵浦光直接，或通過耦合裝置(2、3)后入射激光增益介質(zhì)(5)；輸出鏡(8)的鍍膜對激光波長的透過率是設(shè)定的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述后腔鏡(4)對泵浦光增透，泵浦光通過光纖(2)耦合及耦合透鏡(3)聚焦后從端面入射激光增益介質(zhì)(5)，該激光增益介質(zhì)(5)朝向泵浦端的通光面上的鍍膜對泵浦波長及激光波長增透，而朝向輸出端的通光面上的鍍膜對激光波長增透，主動調(diào)Q元件(6)的兩個通光面上鍍對激光波長的增透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述可飽和吸收體(7)是具有各向吸收異性的[110]方向切割的Cr4+:YAG。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述后腔鏡(4)以光學(xué)薄膜(9)的形式鍍在激光增益介質(zhì)(5)朝向泵浦源(1)的端面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述激光增益介質(zhì)(5)和可飽和吸收體(7)鍵合成為復(fù)合介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，在所述激光增益介質(zhì)(5)中同時摻入激光增益元素和可飽和吸收元素，構(gòu)成自飽和吸收的激光介質(zhì)(11)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述的輸出鏡(8)以光學(xué)薄膜(10)的形式鍍在主動調(diào)Q元件(6)朝向輸出的通光面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述的輸出鏡(8)以光學(xué)薄膜(10)的形式鍍在主動調(diào)Q元件(6)朝向輸出的通光面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述激光器采用包括直腔、折腔、環(huán)形腔在內(nèi)的各種腔型結(jié)構(gòu)。
10.一種如權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)是包括半導(dǎo)體激光器、閃光燈在內(nèi)的各種泵浦源，泵浦方式是包括端面泵浦、側(cè)面泵浦在內(nèi)的各種泵浦方式。
11.一種如權(quán)利要求1所述的可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，其特征在于，所述主動調(diào)Q元件(6)是機(jī)械Q開關(guān)、或聲光Q開關(guān)、或電光Q開關(guān)、或腔倒空器件，用以對諧振腔損耗進(jìn)行調(diào)制，但基于偏振控制的Q開關(guān)和腔倒空器件除外。
全文摘要
一種可提高輸出光束質(zhì)量的偏振式的調(diào)Q激光器，屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，該激光器包括泵浦源、激光增益介質(zhì)、主動調(diào)Q元件、具有各向吸收異性和動態(tài)光闌特性的可飽和吸收體、腔鏡，利用可飽和吸收體的各向吸收異性和動態(tài)光闌特性實(shí)現(xiàn)調(diào)Q激光器的偏振輸出，并提高輸出高光束質(zhì)量。本發(fā)明具有簡單有效、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)帶來系統(tǒng)復(fù)雜性增加和穩(wěn)定性降低的問題。
文檔編號H01S3/11GK101034786SQ20071008038
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月2日
發(fā)明者鞏馬理, 黃磊, 王云祥, 張海濤, 柳強(qiáng), 閆平 申請人:清華大學(xué)