專利名稱：種子注入的1064nm單頻雙脈沖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體激光器泵浦的全固態(tài)激光器，特別是一種種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器。
背景技術(shù)：
雙脈沖全固態(tài)激光器在大氣環(huán)境監(jiān)測、精細加工、動態(tài)全息成像等領(lǐng)域都有較大的應(yīng)用需求。尤其是差分吸收激光雷達，作為大氣環(huán)境監(jiān)測的一種非常有效的手段，具有快速準確，探測靈敏度高等特點。而1064 nm的單頻雙脈沖激光器作為差分 吸收大氣探測激光雷達的光泵浦源，屬于差分吸收激光雷達的重要組成部分，因此發(fā)明出性能可靠，結(jié)構(gòu)緊湊的種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器對于地球環(huán)境科學的研究具有很重要的意義。當前階段，單頻脈沖激光器大多是以單脈沖的形式運轉(zhuǎn)，作為差分吸收激光雷達的泵浦源，首先要實現(xiàn)雙脈沖運轉(zhuǎn)，并保證輸出雙脈沖的單頻特性，其次還有雙脈沖的間隔，輸出脈沖的能量，輸出脈沖寬度的控制，都是研究的重點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種種子注入的1064 nm的單頻雙脈沖激光器。該激光器應(yīng)具有高效率、高能量、窄線寬、高頻率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和工作穩(wěn)定的特點。本發(fā)明的基本思想是通過合理控制泵浦源的驅(qū)動電脈沖寬度，在一個泵浦周期內(nèi)，利用改進的諧振探測方法，在電壓掃描的上升沿和下降沿階段，分別給出一個調(diào)Q開關(guān)的觸發(fā)信號，兩個觸發(fā)信號具有一定時序關(guān)系，用以實現(xiàn)兩次開啟電光開關(guān)功能，獲得雙調(diào)Q單頻激光脈沖輸出。激光諧振腔采用折疊腔結(jié)構(gòu)，由兩個高峰值功率的激光二極管雙端面泵浦激光晶體，以獲得1064 nm單頻雙脈沖激光輸出。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器，其特點在于該激光器包括腔外種子光路部分、折疊從動諧振腔及電學控制處理三部分
所述的腔外種子光路部分包括種子激光器，沿該種子激光器的輸出光方向依次是第一隔離器、第二隔離器、半波片、第一四分之一波片、耦合透鏡組和與光路成45°的反射鏡組組成，所述的反射鏡組使種子光進入所述的折疊從動諧振腔內(nèi)，并且種子光與所述的折疊從動諧振腔的振蕩光路一致；
所述的折疊從動諧振腔依次由后腔鏡、調(diào)Q晶體、第二四分之一波片、布儒斯特角起偏片、第三四分之一波片、第一分光鏡、增益介質(zhì)、第二分光鏡、第四四分之一波片和輸出鏡組成；該折疊從動諧振腔采用雙端泵浦，一端由第一泵浦源和第一泵浦耦合系統(tǒng)構(gòu)成，另一端由第二泵浦源和第二泵浦耦合系統(tǒng)構(gòu)成；所述的第一泵浦源和第二泵浦源是中心波長808nm的高功率半導體激光器，所述的第一分光鏡和第二分光鏡都是對808nm的泵浦光45°高透，并且對1064nm的振蕩激光高反，與入射光路成45°設(shè)置；
所述的電學控制處理部分由光電二極管、第一壓電陶瓷、第二壓電陶瓷、壓電陶瓷驅(qū)動電源、諧振探測單元、泵源驅(qū)動電源、第一直流供電電源、第二直流供電電源和雙調(diào)Q高壓板組成，所述的光電二極管設(shè)置在所述的布儒斯特角起偏片的反射光方向，所述的第一壓電陶瓷緊固于所述的后腔鏡，所述的第二壓電陶瓷緊固于所述的輸出鏡，所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出端分別與第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷的輸入端連接；所述的諧振探測單元的輸入端與所述的光電二極管的輸出端相連，所述的諧振探測單元的輸出端分別與所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸入端、為調(diào)Q晶體BBO提供雙調(diào)Q高壓的高壓板的輸入端連接；所述的諧振探測單元和壓電陶瓷驅(qū)動電源均由第一直流源供電，所述的高壓板由第二直流源供電。所述的種子激光器是一個連續(xù)輸出的單縱模激光器，線寬在kHz量級，有著很高的頻率穩(wěn)定性。
所述的耦合透鏡組將種子光光束進行光斑大小變換，使其在從動諧振腔內(nèi)的光斑大小與振蕩光斑大小一致。所述的增益介質(zhì)為鍵合Nd = YAG晶體。所述的泵浦源驅(qū)動電源在每個工作周期的起始點給第一泵浦源和第二泵浦源同步觸發(fā)信號，使第一泵浦源和第二泵浦源輸出808nm泵浦光到所述的激光晶體上，壓電陶瓷驅(qū)動電源在每個泵浦周期內(nèi)，在第二壓電陶瓷上施加一斜坡電壓以改變從動腔腔長，所述的諧振探測單元對光電二極管上的干涉信號在設(shè)定峰值檢測間隔進行峰值檢測，當檢測到兩個位置的峰值時，該諧振探測單元在設(shè)定的間隔的時刻向所述的高壓板輸出兩個高壓觸發(fā)信號，使調(diào)Q晶體打開兩次，所述的輸出鏡相應(yīng)的輸出單縱模的雙脈沖激光，在每次出光之后所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源給所述的第一壓電陶瓷加載一直流電壓，使從動腔恢復到第二壓電陶瓷上未施加一斜坡電壓前的腔長狀態(tài)。種子激光器輸出單頻連續(xù)激光，線寬在kHz量級，輸出功率可調(diào)，典型值為370mW。兩個串聯(lián)的隔離器提供大于60 dB的隔離度，防止諧振腔產(chǎn)生的激光從后腔鏡出來進入種子激光器，干擾其正常工作。兩個耦合透鏡對種子激光束進行變換耦合，使得種子激光在諧振腔內(nèi)與其自身的振蕩光束有著同樣的光斑大小。緊接著的是半波片和四分之一波片，二者的組合可以產(chǎn)生橢圓偏振光。種子光經(jīng)后腔鏡進入到諧振腔內(nèi)，經(jīng)過布儒斯特角起偏片時s光被反出腔外，透過的p光再經(jīng)過一個來回后在起偏片之前變成了 s光，也被反出腔夕卜。兩次反出的s光相干涉，其干涉信號包含了腔長信息。晶體兩端的四分之一波片是為了消除駐波腔的空間燒孔效應(yīng)，使各個縱模之間形成抑制性競爭。根據(jù)增益介質(zhì)的上能級壽命，泵浦脈沖寬度的選擇約為兩倍于其上能級壽命，在一個泵浦周期兩次打開調(diào)Q開關(guān)，實現(xiàn)雙脈沖輸出，并保持高的能量轉(zhuǎn)換效率和合適的脈沖間隔，通過對泵浦脈沖寬度和調(diào)Q觸發(fā)時序的控制實現(xiàn)對雙脈沖能量的控制，最后通過合理的控制腔長，實現(xiàn)對輸出脈沖寬度的控制。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
I、本發(fā)明采用激光二極管(LD)雙端泵浦激光晶體，利用改進的諧振探測方法，在長脈沖泵浦的情況下，一個泵浦周期兩次打開調(diào)Q開關(guān)實現(xiàn)1064 nm單頻雙脈沖激光輸出。在每個泵浦期內(nèi)給壓電陶瓷上加載斜坡電壓，隨著壓電陶瓷上所加電壓的變化，兩次從布儒斯特角起偏片反射出來的種子光發(fā)生干涉，時序電路處理光電二極管接收到的信號，一個泵浦周期內(nèi)，在干涉極大值的位置兩次打開調(diào)Q開關(guān)，輸出1064 nm單頻雙脈沖激光。
2、另一壓電陶瓷根據(jù)出光時間對腔長做出負反饋，保持腔長穩(wěn)定。激光諧振腔采用折疊腔，采用兩個高峰值功率的LD從端面泵浦激光晶體。3、采用鍵合晶體，減小晶體的熱效應(yīng)。4、采用折疊腔，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。此外，利用雙端泵浦有助于提高泵浦功率且減小縱向溫度梯度，從而提高平均功率和單脈沖能量。、本發(fā)明具有高效率、高能量、窄線寬、高頻率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊 湊和工作穩(wěn)定的特點。


圖I是本發(fā)明種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器的系統(tǒng)框 圖2是本發(fā)明種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器的電學控制處理連接 圖3是本發(fā)明激光器雙脈沖輸出圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參照圖1，圖I是本發(fā)明種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器的系統(tǒng)框圖。由圖可見，本發(fā)明種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器，包括腔外種子光路部分、折疊從動諧振腔及電學控制處理三部分
所述的腔外種子光路部分包括種子激光器1-1，沿該種子激光器1-1的輸出光方向依次是第一隔離器1-2、第二隔離器1-3、半波片1-4、第一四分之一波片1-5、耦合透鏡組1-6和1-7，與光路成45°的反射鏡組1-8和1-9組成，反射鏡組1-8和1-9使種子光進入所述的折疊從動諧振腔內(nèi)，并且種子光與所述的折疊從動諧振腔的振蕩光路一致；
所述的折疊從動諧振腔依次由后腔鏡2-1、調(diào)Q晶體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、第一分光鏡2-6、增益介質(zhì)2-7、第二分光鏡2_8、第四四分之一波片2-9和輸出鏡2-10組成；該折疊從動諧振腔采用雙端泵浦，一端由第一泵浦源2-11和第一泵浦耦合系統(tǒng)2-12和2-13構(gòu)成，另一端由第二泵浦源2-14和第二泵浦耦合系統(tǒng)2-15和2-16構(gòu)成；所述的第一泵浦源2-11和第二泵浦源2-14是中心波長808nm的高功率半導體激光器，所述的第一分光鏡2-6和第二分光鏡2_8都是對808nm的泵浦光45°高透，并且對1064nm的振蕩激光高反，與入射光路成45°設(shè)置；
所述的電學控制處理部分由光電二極管3-1、第一壓電陶瓷3-2、第二壓電陶瓷3-3、壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4、諧振探測單元3-5、泵源驅(qū)動電源3-6、第一直流供電電源3-7、第二直流供電電源3-8和雙調(diào)Q高壓板3-9組成，所述的光電二極管3-1設(shè)置在所述的布儒斯特角起偏片2-4的反射光方向，所述的第一壓電陶瓷3-2緊固于所述的后腔鏡2-1，所述的第二壓電陶瓷3-3緊固于所述的輸出鏡2-10，所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4的輸出端分別與第一壓電陶瓷3-2和第二壓電陶瓷3-3的輸入端連接；所述的諧振探測單元3-5的輸入端與所述的光電二極管3-1的輸出端相連，所述的諧振探測單元3-5的輸出端分別與所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4的輸入端、為調(diào)Q晶體BB02-2提供雙調(diào)Q高壓的高壓板3_9的輸入端連接；所述的諧振探測單元3-5和壓電陶瓷驅(qū)動電源3-4均由第一直流源3-7供電，所述的高壓板3-9由第二直流源3-8供電。種子激光器1-1輸出單頻連續(xù)激光，線寬在kHz量級，輸出功率為370 mW。兩個串聯(lián)的隔離器1-2，1-3提供大于60 dB的隔離度，防止諧振腔產(chǎn)生的激光從后腔鏡出來進入種子激光器而干擾其正常工作。兩個耦合透鏡1-6和1-7對種子激光束進行變換耦合，使種子激光在諧振腔內(nèi)與其自身的振蕩光束光斑大小一致。緊接著的是半波片1-4和四分之一波片1-5，二者的組合可以產(chǎn)生滿足諧振探測所需要的橢圓偏振光。種子光經(jīng)后腔鏡2-1進入到諧振腔內(nèi)，經(jīng)過布儒斯特角起偏片2-4時s光被反出腔外，透過的p光再經(jīng)過一個來回后在起偏片之前變成了 s光，也被反出腔外。兩次反出的s光相干涉，其干涉信號包含了腔長信息。晶體兩端的四分之一波片2-5和2-9是為了消除駐波腔的 空間燒孔效應(yīng)，使各個縱模之間形成抑制性競爭，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。通過在一個泵浦周期兩次打開調(diào)Q開關(guān)，實現(xiàn)雙脈沖輸出。下面是本發(fā)明具體實施的參數(shù)
所述的所述的第一泵浦源2-11和第二泵浦源2-14采用峰值功率為150 W中心波長808nm的脈沖運轉(zhuǎn)激光二極管，泵浦周期為20 ms，占空比為2. 2 %。增益介質(zhì)2_7采用$4*30的鍵合晶體棒YAG/Nd:YAG/YAG，中間的20 mm為摻雜區(qū)，摻雜濃度為0. 5at. %，兩端各5mm不摻雜。諧振腔腔長為1000 mm，后腔鏡2-1和輸出鏡2-10都是平鏡，采用偏硼酸鋇(BBO)做電光調(diào)Q晶體2-2。利用改進的諧振探測方法和一個泵浦周期兩次調(diào)Q的方法獲得了種子注入的1064nm單頻雙脈沖激光輸出，在50 Hz的脈沖重復頻率下輸出的雙脈沖能量相等，每個脈沖能量10 mj的單頻脈沖激光，輸出激光脈寬(FWHM) 13 ns，并且有著接近極限的頻譜寬度和高的頻率穩(wěn)定性。本發(fā)明具有高能量、窄線寬、高頻率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和工作穩(wěn)定的特點。
權(quán)利要求
1.一種種子注入的1064 nm單頻雙脈沖激光器，其特征在于該激光器包括腔外種子光路部分、折疊從動諧振腔及電學控制處理三部分 所述的腔外種子光路部分包括種子激光器(1-1)，沿該種子激光器(1-1)的輸出光方向依次是第一隔離器(1-2)、第二隔離器(1-3)、半波片(1-4)、第一四分之一波片(1-5)、耦合透鏡組(1-6和1-7)，與光路成45°的反射鏡組(1-8和1-9)組成，反射鏡組(1-8和1_9)使種子光進入所述的折疊從動諧振腔內(nèi)，并且種子光與所述的折疊從動諧振腔的振蕩光路一致； 所述的折疊從動諧振腔依次由后腔鏡(2-1)、調(diào)Q晶體(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)、第一分光鏡(2-6)、增益介質(zhì)(2-7)、第二分光鏡(2-8)、第四四分之一波片(2-9)和輸出鏡(2-10)組成；該折疊從動諧振腔采用雙端泵浦，一端由第一泵浦源(2-11)和第一泵浦耦合系統(tǒng)(2-12和2-13)構(gòu)成，另一端由第二泵浦源(2-14)和第二泵浦耦合系統(tǒng)(2-15和2-16)構(gòu)成；所述的第一泵浦源(2-11)和第二泵浦源(2-14)是中心波長808 nm的高功率半導體激光器，所述的第一分光鏡(2-6)和第二分光鏡(2-8)都是對808nm的泵浦光45°高透，并且對1064nm的振蕩激光高反，與入射光路成45°設(shè)置，在所述的布儒斯特角起偏片(2-4)的反射光方向設(shè)有光電二極管(3-1); 所述的電學控制處理部分由光電二極管(3-1)、第一壓電陶瓷(3-2)、第二壓電陶瓷(3-3)、壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)、諧振探測單元(3-5)、泵源驅(qū)動電源(3-6)、第一直流供電電源(3-7 )、第二直流供電電源(3-8 )和雙調(diào)Q高壓板(3-9 )組成，所述的光電二極管(3_1)設(shè)置在所述的布儒斯特角起偏片(2-4)的反射光方向，所述的第一壓電陶瓷(3-2)緊固于所述的后腔鏡(2-1)，所述的第二壓電陶瓷(3-3)緊固于所述的輸出鏡(2-10)，所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)的輸出端分別與第一壓電陶瓷(3-2)和第二壓電陶瓷(3-3)的輸入端連接；所述的諧振探測單元(3-5)的輸入端與所述的光電二極管(3-1)的輸出端相連，所述的諧振探測單元(3-5)的輸出端分別與所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)的輸入端、為調(diào)Q晶體BBO (2-2)提供雙調(diào)Q高壓的高壓板(3-9)的輸入端連接；所述的諧振探測單元(3_5)和壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)均由第一直流源(3-7)供電，所述的高壓板(3-9)由第二直流源(3-8)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子注入的1064nm單頻雙脈沖激光器，其特征在于所述的種子激光器(1-1)是一個連續(xù)輸出的單縱模激光器，線寬在kHz量級，有著很高的頻率穩(wěn)定性。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子注入的1064nm單頻雙脈沖激光器，其特征在于所述的率禹合透鏡組(1-6和1-7)將種子光光束進行光斑大小變換,使其在從動諧振腔內(nèi)的光斑大小與振蕩光斑大小一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的種子注入1064nm單頻雙脈沖激光器，其特征在于所述的增益介質(zhì)(2-7)為鍵合Nd = YAG晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項所述的種子注入的1064nm單頻雙脈沖激光器，其特征在于所述的泵浦源驅(qū)動電源(3-6)在每個工作周期的起始點給第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-14)同步觸發(fā)信號，使第一泵浦源(2-1)和第二泵浦源(2-14)輸出808nm泵浦光到所述的激光晶體上，壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)在每個泵浦周期內(nèi)，在第二壓電陶瓷(3-3)上施加一斜坡電壓以改變從動腔腔長，所述的諧振探測單元(3-5)對光電二極管(3-1)上的干涉信號進行峰值檢測，當檢測到兩個位置的峰值時，該諧振探測單元(3-5)在設(shè)定的間隔的時刻向所述的高壓板(3-9)輸出兩個高壓觸發(fā)信號，使調(diào)Q晶體(2-2)打開兩次，所述 的輸出鏡(2-10)相應(yīng)的輸出單縱模的雙脈沖激光，在每次出光之后所述的壓電陶瓷驅(qū)動電源(3-4)給所述的第一壓電陶瓷(3-2)加載一直流電壓，使從動腔恢復到第二壓電陶瓷(3-3)上未施加一斜坡電壓前的腔長狀態(tài)。
全文摘要
一種種子注入的1064nm單頻雙脈沖激光器，通過合理控制泵浦激光二極管的驅(qū)動電脈沖寬度，在一個泵浦周期內(nèi)，利用改進的諧振探測方法，在電壓掃描的上升沿和下降沿階段，分別給出一個調(diào)Q開關(guān)的觸發(fā)信號，兩個觸發(fā)信號具有一定時序關(guān)系，用以實現(xiàn)兩次開啟電光開關(guān)功能，獲得雙調(diào)Q單頻激光脈沖輸出。激光諧振腔采用折疊腔結(jié)構(gòu)，由兩個高峰值功率的激光二極管雙端面泵浦激光晶體，以獲得1064nm單頻雙脈沖激光輸出。本發(fā)明具有高效率、高能量、窄線寬、高頻率穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)緊湊和工作穩(wěn)定的特點。
文檔編號H01S3/0941GK102769245SQ20121024467
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者朱小磊, 李峰, 殷蘇勇, 王君濤, 臧華國, 黃敏杰 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所