專利名稱：一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，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，被動調(diào)Q技術(shù)和增益開關(guān)技術(shù)是比較常用的激光脈沖產(chǎn)生技術(shù)。
一般情況下，被動調(diào)Q激光器在閾值附近具有較高的輸出穩(wěn)定性(包括脈沖峰值功率、重復(fù)頻率和脈沖寬度的穩(wěn)定性)，隨著泵浦功率的提高，脈沖重復(fù)頻率基本呈線性增長，但同時輸出穩(wěn)定性降低。
導(dǎo)致被動調(diào)Q激光器輸出不穩(wěn)定的原因之一是泵浦功率不穩(wěn)定，可以通過預(yù)泵浦技術(shù)在很大程度上減小該原因引起的不穩(wěn)定，詳見以下文獻(xiàn)資料①W.J.Mandeville，K.M.Dinndorf，and N.E.Champigny，Characterization of passively Q-switched microchip lasers forlaser radar，Proceedings of SPIE，Vol.2748，pp358-366；②Weiyu Wang，Mali Gong，and GuofanJin，Pulse control of passively Q-switched microchip laser with CW pumping modulation，Proceedings of SPIE，Vol.3899，pp455-460；③世界專利，專利號WO97/31411；④中國專利，專利號CN00103362.X。
導(dǎo)致被動調(diào)Q激光器輸出不穩(wěn)定的另一個原因是自發(fā)輻射噪聲，可采用脈沖半導(dǎo)體激光器對可飽和吸收體進(jìn)行與激光信號同步的照射的方法，減小該原因引起的不穩(wěn)定(詳見Sheng-Lung Huang，Tsung-Yuan Tsui，Chien-Hung Wang and Fu-Jen Kao，Timing jitter reductionof a passively Q-switched laser，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.38，pp239-241)。
試驗表明，以上兩種方法對穩(wěn)定被動調(diào)Q激光器的輸出具有一定的效果，但也存在一些局限性。預(yù)泵浦技術(shù)可以實現(xiàn)較高的重頻穩(wěn)定性，但在高重頻下被動調(diào)Q激光器表現(xiàn)出來的多脈沖輸出現(xiàn)象，預(yù)泵浦技術(shù)無法消除。對可飽和吸收體進(jìn)行同步照射的方法，對激光器輸出穩(wěn)定性有一定的改善，但不能達(dá)到理想的效果。此外，該方法還會在一定程度上展寬激光器輸出脈寬，降低峰值功率。
試驗表明，增益開關(guān)激光器輸出重頻和峰值功率的穩(wěn)定性隨重頻的增加而降低。
詳細(xì)的試驗分析表明，溫度對被動調(diào)Q和增益開關(guān)激光器的穩(wěn)定性具有重要影響，可嘗試采用溫度控制的方法實現(xiàn)被動調(diào)Q和增益開關(guān)激光器的穩(wěn)定輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對脈沖激光器輸出不穩(wěn)定的缺點，提出一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器。
本發(fā)明的特征在于至少含有泵浦源、激光增益介質(zhì)、腔鏡和溫度控制裝置；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)生激光輸出的固體激光工作物質(zhì)；泵浦源發(fā)出的泵浦光直接，或通過耦合裝置后入射激光增益介質(zhì)；輸出鏡對激光波長的透過率是設(shè)定的；后腔鏡和輸出鏡之間至少設(shè)置一個激光增益介質(zhì)；用于提高脈沖激光器輸出穩(wěn)定性的溫度控制裝置包括熱沉和溫度控制器，熱沉托住激光增益介質(zhì)，并與其熱接觸，溫度控制器與熱沉熱接觸，以控制熱沉的溫度；通過調(diào)節(jié)溫度控制裝置的溫度設(shè)置，提高激光的橫?；蚩v模結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以提高輸出脈沖穩(wěn)定性。
所述激光增益介質(zhì)與可飽和吸收體可結(jié)合成為復(fù)合介質(zhì)。
在所述激光增益介質(zhì)中可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)。
在所述激光輸出端可設(shè)置一個同時觀察激光腔內(nèi)起振的縱模結(jié)構(gòu)和輸出脈沖波形的觀測裝置，該裝置包括分光鏡、法一珀干涉儀、普通光電探測器、高速光電探測器和示波器；分光鏡把輸入到該分光鏡的激光分成兩束；法一珀干涉儀對該分光鏡輸出的第一束激光進(jìn)行干涉后送往普通光電探測器；分光后的第二束激光輸入高速光電探測器；示波器把所述普通光電探測器和高速光電探測器的輸出電信號進(jìn)行顯示。
所述的泵浦源是半導(dǎo)體激光器或閃光燈，泵浦方式是下述端面泵浦、側(cè)面泵浦、棱邊泵浦和角泵浦中的任何一種。
所述的可飽和吸收體是可飽和吸收晶體、半導(dǎo)體可飽和吸收體、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和有機染料中的任何一種。
所述腔鏡中至少一個可以以光學(xué)薄膜的形式鍍在激光增益介質(zhì)或可飽和吸收體的通光面上。
所述后腔鏡可以以光學(xué)薄膜的形式鍍在激光增益介質(zhì)朝向泵浦源的端面上，對泵浦光增透；輸出鏡可以以光學(xué)薄膜的形式鍍在激光增益介質(zhì)或可飽和吸收體朝向輸出的端面上，對泵浦光高反射；泵浦源所發(fā)射的泵浦光可通過光纖耦合，透鏡聚焦后入射激光增益介質(zhì)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明提出的通過溫度控制提高脈沖激光器輸出穩(wěn)定性的方法，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有簡單有效、適用范圍廣、不降低激光器輸出性能等優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明提供的提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器的第一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明提供的示波器采集到的雙脈沖輸出圖形，脈沖信號為負(fù)電平，圖中所示為對脈沖信號重復(fù)采集和波形重疊后的結(jié)果。
圖3為本發(fā)明提供的用于實現(xiàn)被動調(diào)Q激光器高穩(wěn)定輸出的調(diào)試裝置圖。
圖4為本發(fā)明提供的穩(wěn)定的100kHz單縱模激光脈沖輸出圖形，脈沖信號為負(fù)電平，插入圖形為時間分辨率為1ns/div時采集到的脈沖波形，圖中所示為對脈沖信號重復(fù)采集和波形重疊后的結(jié)果圖5(a)為本發(fā)明提供的被動調(diào)Q激光器雙縱模起振情況下，增益譜線、縱模結(jié)構(gòu)譜線及閾值增益線之間的關(guān)系。
圖5(b)為本發(fā)明提供的被動調(diào)Q激光器單縱模起振情況下，增益譜線、縱模結(jié)構(gòu)譜線及閾值增益線之間的關(guān)系。
圖6為本發(fā)明提供的提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器的第二個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1～圖6中，1-半導(dǎo)體激光器，2-耦合光纖，3-泵浦光，4-耦合透鏡，5-激光增益介質(zhì)，6-以光學(xué)薄膜形式鍍在激光增益介質(zhì)端面上的后腔鏡，7-鍵合面，8-可飽和吸收體，9-以光學(xué)薄膜形式鍍在激光增益介質(zhì)端面上的輸出鏡，10-激光輸出，11-激光輸出高脈沖，12-激光輸出低脈沖，13-紫銅熱沉，14-半導(dǎo)體制冷器，15-分光鏡，16-法-珀干涉儀，17-普通光電探測器，18-高速光電探測器，19-示波器，20-增益譜線，21-閾值增益線，22-雙縱模起振情況下的縱模結(jié)構(gòu)譜線，23-單縱模起振情況下的縱模結(jié)構(gòu)譜線。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明提供的提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器的第一個實施例，包括半導(dǎo)體激光器1、耦合光纖2、耦合透鏡4、后腔鏡5、激光增益介質(zhì)5、可飽和吸收體8、輸出鏡9、紫銅熱沉13和半導(dǎo)體制冷器14。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端面泵浦、側(cè)面泵浦、棱邊泵浦和角泵浦等各種泵浦方式。這里選用半導(dǎo)體激光器端面泵浦的被動調(diào)Q微晶片激光器只是作為本發(fā)明的一個方便說明的實施例。
在該實施例中，激光增益介質(zhì)5是產(chǎn)生激光輸出的固體激光工作物質(zhì)，可飽和吸收體8可以是可飽和吸收晶體、半導(dǎo)體可飽和吸收體、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和有機染料中的任何一種。激光增益介質(zhì)5和可飽和吸收體8鍵合成為復(fù)合介質(zhì)，還可采用其它工藝構(gòu)成復(fù)合介質(zhì)，如液相外延、氣相外延、金屬有機氣相淀積等；還可將激光增益介質(zhì)5中可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)。后腔鏡6以光學(xué)薄膜的形式鍍在增益介質(zhì)5朝向半導(dǎo)體激光器1的端面上，對泵浦光3增透，對激光高反。輸出鏡9以光學(xué)薄膜的形式鍍在可飽和吸收體8朝向輸出的端面上，對泵浦光3高反射，對激光的反射率是設(shè)定的。后腔鏡6和輸出鏡9還可以是分立的腔鏡。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4聚焦后入射激光增益介質(zhì)5。
對增益介質(zhì)5注入泵浦功率，隨著泵浦功率的提高，激光輸出重頻提高，輸出在閾值附近穩(wěn)定性較高。隨著重頻的提高，通常會輸出兩組不等脈寬和峰值功率的脈沖，11所示為一組高脈沖，12所示為一組低脈沖，如圖2所示。兩組脈沖輸出使得激光器輸出穩(wěn)定性嚴(yán)重惡化圖3所示為實現(xiàn)被動調(diào)Q激光器高穩(wěn)定輸出的調(diào)試裝置圖。微片激光器(包括5～9)與紫銅熱沉13保持良好的熱接觸，采用半導(dǎo)體制冷器14進(jìn)行溫控。激光輸出10被分光鏡15分成兩束，一束通過法-珀干涉儀16，入射普通光電探測器17，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并接入示波器19；另一束入射高速光電探測器18，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后接入示波器19。因此在示波器19上可同時觀測激光腔內(nèi)起振的縱模結(jié)構(gòu)和輸出脈沖波形。
在雙脈沖輸出的情況下，可觀察到雙縱模起振，縱模結(jié)構(gòu)可由示波器19讀出，各縱模強度不等。此時，改變半導(dǎo)體制冷器14的供電電流，調(diào)節(jié)被動調(diào)Q微片激光器的溫度。使得激光器諧振腔光程長度變化，各縱模22增益發(fā)生變化。在示波器19上可以觀察到，在溫度調(diào)節(jié)的過程中，某一縱模強度逐漸加強，而其它縱模逐漸減弱，消失，直到獲得單縱模23振蕩。同時，可在示波器19上觀察到兩組脈沖輸出轉(zhuǎn)化為單組脈沖輸出，輸出脈沖寬度和峰值功率達(dá)到較高的穩(wěn)定性。圖4所示為通過溫度控制得到的穩(wěn)定的100kHz單縱模激光脈沖輸出圖形。
通過調(diào)節(jié)微片激光器溫度實現(xiàn)縱模控制的原理結(jié)合圖5說明如下由于被動調(diào)Q微片激光器腔長短，縱模間隔大，受增益介質(zhì)5增益線寬的限制，能在腔中起振的縱模數(shù)一般不超過兩個。當(dāng)采用較高的泵浦功率時，可存在兩個縱模22滿足起振條件，一般情況下，兩個縱模22增益不完全相等，如圖5(a)所示。在第一個脈沖周期內(nèi)，縱模i輸出激光脈沖，消耗對應(yīng)該縱模在腔內(nèi)空間分布上波峰位置的翻轉(zhuǎn)粒子數(shù)。由于存在空間燒孔效應(yīng)，縱模ii的波峰位置與縱模i不重合，使得在第二個脈沖周期內(nèi)縱模ii的增益可大于縱模i，縱模ii起振，輸出激光脈沖。同理，在第三個脈沖周期，縱模i起振。如此反復(fù)，兩個縱模22在不同的脈沖周期交替起振，因而激光器輸出兩組脈沖。兩組脈沖的峰值功率和脈寬不等，主要是由于兩個縱模的增益不同。由于晶體折射率和厚度都是溫度的函數(shù)，改變晶體的溫度可改變各縱模的頻率，使縱模增益譜線左移或右移，兩縱模增益發(fā)生變化。當(dāng)某一縱模位于(或臨近于)增益譜線的中心時，其它縱模由于增益太小而被抑制，使得激光器單縱模23振蕩，輸出穩(wěn)定激光脈沖，如圖5(b)所示。
圖6為本發(fā)明提供的提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器的第二個實施例。其結(jié)構(gòu)與第一個實施例類似，不同之處在于后腔鏡6和輸出鏡9之間只包括激光增益介質(zhì)5，輸出鏡9直接鍍在增益介質(zhì)5朝向輸出的端面上。在該實施例中，通過脈沖泵浦得到激光脈沖輸出10。其調(diào)試裝置和提高脈沖輸出穩(wěn)定性的原理與第一個實施例基本一致。
權(quán)利要求
1.一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，至少含有泵浦源(1)、激光增益介質(zhì)(5)、腔鏡(6、9)、溫度控制裝置(13、14)；所述腔鏡(6、9)至少包括一個后腔鏡(6)和一個輸出鏡(9)；后腔鏡(6)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、4)后入射激光增益介質(zhì)(5)；輸出鏡(9)對激光波長的透過率是設(shè)定的；后腔鏡(6)和輸出鏡(9)之間至少設(shè)置一個激光增益介質(zhì)(5)；用于提高脈沖激光器輸出穩(wěn)定性的溫度控制裝置(13、14)包括熱沉(13)和溫度控制器(14)，熱沉(13)托住激光增益介質(zhì)(5)，并與其熱接觸，溫度控制器(14)與熱沉(13)熱接觸，以控制熱沉(13)的溫度；通過調(diào)節(jié)溫度控制裝置(14)的溫度設(shè)置，提高激光的橫模或縱模結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以提高輸出脈沖穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，所述激光增益介質(zhì)(5)與可飽和吸收體(8)結(jié)合成為復(fù)合介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，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)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3中任何一項所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，在所述激光輸出端設(shè)置一個同時觀察激光腔內(nèi)起振的縱模結(jié)構(gòu)和輸出脈沖波形的觀測裝置，該裝置包括分光鏡(15)、法-珀干涉儀(16)、普通光電探測器(17)、高速光電探測器(18)和示波器(19)；分光鏡(15)把輸入到該分光鏡(15)的激光分成兩束；法-珀干涉儀(16)對該分光鏡(15)輸出的第一束激光進(jìn)行干涉后送往普通光電探測器(17)；分光后的第二束激光輸入高速光電探測器(18)；示波器(19)把所述普通光電探測器(17)和高速光電探測器(18)的輸出電信號進(jìn)行顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3中任何一項所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)是半導(dǎo)體激光器，泵浦方式是下述端面泵浦、側(cè)面泵浦、棱邊泵浦和角泵浦中的任何一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3中任何一項所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)是閃光燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3中任何一項所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，所述的可飽和吸收體(8)是可飽和吸收晶體、半導(dǎo)體可飽和吸收體、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和有機染料中的任何一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3中任何一項所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，所述腔鏡(6、9)中至少一個以光學(xué)薄膜的形式鍍在激光增益介質(zhì)(5)或可飽和吸收體(8)的通光面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、或2、或3中任何一項所述的一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，其特征在于，所述后腔鏡(6)以光學(xué)薄膜的形式鍍在激光增益介質(zhì)(5)朝向泵浦源(1)的端面上，對泵浦光(3)增透；輸出鏡(9)以光學(xué)薄膜的形式鍍在激光增益介質(zhì)(5)或可飽和吸收體(8)朝向輸出的端面上，對泵浦光(3)高反射；泵浦源(1)所發(fā)射的泵浦光通過光纖(2)耦合，透鏡(4)聚焦后入射激光增益介質(zhì)(5)。
全文摘要
一種提高輸出穩(wěn)定性的脈沖激光器，屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，至少含有泵浦源、激光增益介質(zhì)、腔鏡和溫度控制裝置。通過調(diào)節(jié)溫度控制裝置的溫度設(shè)置，提高激光的橫模或縱模結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以提高輸出脈沖穩(wěn)定性，包括脈沖峰值功率、重復(fù)頻率和脈沖寬度的穩(wěn)定性。本發(fā)明與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有簡單有效、適用范圍廣、不降低激光器輸出性能等優(yōu)勢。
文檔編號H01S3/10GK101030690SQ200710087159
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月23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, 閆平 申請人:清華大學(xué)