專利名稱：壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的f-p腔q開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光Q開關(guān)，特別是一種用于激光器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)。
背景技術(shù)：
激光器調(diào)Q主要有機(jī)械調(diào)Q，電光調(diào)Q，聲光調(diào)Q以及可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q等，目 前商業(yè)上成熟的調(diào)Q激光器大多使用聲光Q開關(guān)進(jìn)行調(diào)Q。這些調(diào)Q手段各有優(yōu)缺點(diǎn)。機(jī) 械調(diào)Q噪聲大，壽命較短，需要經(jīng)常維修；電光調(diào)Q需要較高的電壓，通常需要幾千伏至幾 十千伏，并且調(diào)節(jié)也比較麻煩；聲光調(diào)Q器件價(jià)格比較高；可飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q的外部控 制性能精確度不高，輸出能量較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于激光器的壓電陶瓷驅(qū) 動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，該Q開關(guān)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格相對(duì)較低的特點(diǎn)。本發(fā)明的原理和技術(shù)解決方案如下利用激光器諧振腔的輸出鏡和平面反射鏡構(gòu)成F-P腔，所述的平面反射鏡與具有 中間通光孔的壓電陶瓷片粘結(jié)在一起，該壓電陶瓷片在驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)下沿所述的光軸作 周期性振動(dòng)，帶動(dòng)所述的平面反射鏡作周期性的振動(dòng)，周期性地改變所述的F-P腔的腔長， 使該F-P腔的透射率產(chǎn)生周期性的變化，構(gòu)成激光器的Q開關(guān)。對(duì)于不同的激光器，相應(yīng)的F-P腔Q開關(guān)的構(gòu)成是有所不同的—種用于窄線寬氣體激光器或固體激光器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，特征 在于其構(gòu)成包括激光器諧振腔的輸出鏡和平面反射鏡，該激光器諧振腔的輸出鏡鍍有高反 射膜的一面和平面反射鏡鍍有高反膜的一面相對(duì)且相互平行構(gòu)成F-P腔，所述的平面反射 鏡與具有中間光通孔的壓電陶瓷片粘結(jié)在一起，所述的激光器諧振腔的輸出鏡、平面反射 鏡和壓電陶瓷片共光軸，該壓電陶瓷片和驅(qū)動(dòng)電源相連并在該驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)下沿所述的 光軸作周期性振動(dòng)。所述的壓電陶瓷片的振動(dòng)位移的極值大于入/4，其中\(zhòng)為激光器的波長。所述的激光器諧振腔的輸出鏡和平面反射鏡之間的距離d應(yīng)足夠小，使使
△λ = λo2/2d(0=90°)滿足A A >激光光譜線寬。
所述的激光器諧振腔的輸出鏡和平面反射鏡相對(duì)面所鍍的高反膜的反射率應(yīng)足 夠高，使得反射率極值十分接近1。一種用于寬光譜線寬的光纖激光器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，特點(diǎn)在于其 構(gòu)成包括粘貼于摻銩光纖輸出端的第一自聚焦透鏡和平面反射鏡，該第一自聚焦透鏡和 平面反射鏡鍍有高反膜的一面相對(duì)且平行構(gòu)成F-P腔，所述的平面反射鏡與具有中間光通 孔的壓電陶瓷片粘結(jié)在一起，在該壓電陶瓷片的另一面、分立、且與所述的第一自聚焦透 鏡、平面反射鏡和壓電陶瓷片同光軸的是第二自聚焦透鏡，該第二自聚焦透鏡粘貼于普通光纖上，所述的壓電陶瓷片和驅(qū)動(dòng)電源相連并在該驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)下沿所述的光軸作周期性 振動(dòng)。所述的壓電陶瓷片的振動(dòng)位移的極值大于入/4，其中\(zhòng)為激光器的波長。所述的第一自聚焦透鏡和平面反射鏡之間的距離d-airl應(yīng)足夠小，使
滿足A A >激光光譜線寬。 2d - air\所述的第一自聚焦透鏡和平面反射鏡相對(duì)面所鍍的高反膜的反射率接近1。本發(fā)明的核心器件是表面鍍有高反射率薄膜的鏡片及一塊具有中心開孔的壓電 陶瓷片和控制該壓電陶瓷片伸縮的驅(qū)動(dòng)電源。我們知道，一塊兩面都鍍有反射率為r薄膜的鏡片的透射率和反射率為 其中5為直接透過鏡片的光和在鏡片內(nèi)經(jīng)兩次反射后透過鏡片的光的相位差， 2n
x2ndxcos^, e為入射角，本發(fā)明一般情況下e為0度，所以cos e = 1, A為激光
A
波長，n為鏡片的折射率，d為鏡片的厚度。由此可見，鏡片的透射率(或者說反射率)與該鏡片表面鍍膜的反射率、激光波
長，鏡片厚度和鏡片的折射率有關(guān)。當(dāng)2ndXC0Se =mX (m= 1，2，3，...)，即nd=2m*i
4
(m為整數(shù)，0 =90° )時(shí)，透射率為極大。當(dāng)2ndxcos0= (2m+l)4,即nd= (2m+l)*4 (m
為整數(shù)，e =90° )時(shí)，反射率為極大?？紤]兩塊相對(duì)面鍍有高反膜的鏡片，空氣介質(zhì)層相當(dāng)于F-P腔，當(dāng)d為X /4的奇 數(shù)倍時(shí)，反射率極大，當(dāng)d為X/4的偶數(shù)倍時(shí)，透射率極大?？傊?，兩面具有反射膜的空氣 介質(zhì)的透過率與空氣間隙有關(guān)，任何一處空氣間隙的改變，都會(huì)影響到透射率的變化。通常 情況下，只要空氣間隙改變微米量級(jí)，入/4，就可以使透射率由最大到極小(如果鏡片表面 鍍高反膜)。一般說來，對(duì)于沒有鍍膜的多塊鏡片組成的器件，每一塊鏡片以及鏡片之間的空 氣間隙對(duì)應(yīng)一個(gè)特征矩陣，使用特征矩陣可以計(jì)算出整個(gè)器件的透射率。如果鏡片表面鍍 有反射膜，則應(yīng)把反射膜的特征矩陣計(jì)算在內(nèi)。鏡片或空氣間隙的特征矩陣為 其中 nj為第j層介質(zhì)的折射率，h,-為第j層介質(zhì)的厚度，M,-為第j層介質(zhì)的特征矩陣,
整個(gè)器件的反射率R和透射率T可以通過下面的方法計(jì)算 r =T同樣可以看出，透過率與空氣間隙有關(guān)，任何一處空氣間隙的改變，都會(huì)影響到透 射率的變化。通常情況下，只要空氣間隙改變微米量級(jí)，入/4，就可以使透射率由最大到極 小(如果鏡片表面鍍高反膜)。表面沒有鍍膜的多塊鏡片，單塊鏡片的諧振決定了整個(gè)器件 的周期，空氣間隙的諧振決定了主峰，增加鏡片的數(shù)量只會(huì)使反射率的極大值增大。對(duì)于表面鍍高反膜的情況，總的透射率由鍍由高反膜的兩個(gè)面之間的多光束干涉 決定，其它各面之間的多光束干涉僅起微擾的作用。前一個(gè)空氣間隙d-airl的改變和后一 空氣間隙d-air2同時(shí)發(fā)生變化，但是因?yàn)楹笠豢諝忾g隙d-air2介質(zhì)層起的作用僅僅是微 擾，所以影響不大。具體參見實(shí)施例2，經(jīng)matlab計(jì)算得到的透射率譜見圖5和圖6所示。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明不需要使用高壓驅(qū)動(dòng)電源，只需較 低的驅(qū)動(dòng)電壓就可以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片工作，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率達(dá)數(shù)千赫茲甚至上兆赫茲的調(diào)q 脈沖激光輸出，并且脈沖的穩(wěn)定性也較好。


圖1是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例1，應(yīng)用于窄線寬的Nd:YAG激 光器的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例1，應(yīng)用于窄線寬的Nd:YAG激 光器h = 501QW時(shí)總反射率圖3是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例1，應(yīng)用于窄線寬的Nd:YAG激 光器h = 500QW時(shí)總反射率圖4是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例2，應(yīng)用于摻Tm光纖激光器時(shí) 的結(jié)構(gòu)示意5是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例2，應(yīng)用于摻Tm光纖激光器時(shí) 的反射率(d-airl = 25QW, d_air2 = 500QW)圖6是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例2，應(yīng)用于摻Tm光纖激光器時(shí) 的反射率(d-airl = 26QW, d-air2 = 499QW)
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1 先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例1應(yīng)用于窄線
5寬的Nd:YAG激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其構(gòu)成 包括激光器諧振腔的輸出鏡1和平面反射鏡3，該激光器諧振腔的輸出鏡1鍍有高反射膜2 的一面和平面反射鏡3鍍有高反膜2的一面相對(duì)且相互平行，所述的平面反射鏡3與具有 中間通光孔的壓電陶瓷片4粘結(jié)在一起，所述的激光器諧振腔的輸出鏡1、平面反射鏡3和 壓電陶瓷片4共光軸，該壓電陶瓷片4和驅(qū)動(dòng)電源5相連并在該驅(qū)動(dòng)電源5的驅(qū)動(dòng)下沿所 述的光軸作周期性振動(dòng)。這樣平面反射鏡3就可以隨壓電陶瓷片位移，從而改變激光器諧 振腔的輸出鏡1和平面反射鏡3之間的距離以下是針對(duì)波長為1064nm的Nd:YAG激光器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F_P腔Q開關(guān)。鏡 片采用折射率為1. 5的BK7玻璃，兩個(gè)面鍍膜反射率為0. 9以上。當(dāng)兩塊鏡片之間的距離 d為501QW(QW代表1/4波長)，即133. 266um時(shí)，其反射率譜見圖2，此時(shí)對(duì)1064nm的激光 波長全反，激光器處于儲(chǔ)能階段。當(dāng)兩塊鏡片之間的距離d為500QW(QW代表1/4波長)，即 133um時(shí)，其反射率譜見圖3，此時(shí)對(duì)1064nm的激光波長全透，從而實(shí)現(xiàn)1064nm波長的激光 輸出。要實(shí)現(xiàn)F-P腔Q開關(guān)，壓電陶瓷片4的位移量應(yīng)大于1/4波長，即0. 266um。實(shí)施例2 圖4是本發(fā)明壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)實(shí)施例2應(yīng)用于摻Tm光纖激光器時(shí) 的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明用于寬光譜線寬的光纖激光器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q 開關(guān)，構(gòu)成包括粘貼于摻銩光纖12輸出端的第一自聚焦透鏡6和平面反射鏡8，該第一自 聚焦透鏡6和平面反射鏡8鍍有高反膜7的一面相對(duì)且平行構(gòu)成F-P腔，所述的平面反射 鏡8與具有中間通光孔的壓電陶瓷片9粘結(jié)在一起，在該壓電陶瓷片9的另一面、分立、且 與所述的第一自聚焦透鏡6、平面反射鏡8和壓電陶瓷片9同光軸的是第二自聚焦透鏡10， 該第二自聚焦透鏡10粘貼于普通光纖11上，所述的壓電陶瓷片9和驅(qū)動(dòng)電源13相連并在 該驅(qū)動(dòng)電源13驅(qū)動(dòng)下沿所述的光軸作周期性振動(dòng)。摻銩光纖12出射的激光經(jīng)過第一自聚焦透鏡6準(zhǔn)直后再通過平面反射鏡8，經(jīng)第 二自聚焦透鏡10聚焦進(jìn)入未摻雜的普通光纖11中。整個(gè)器件的反射率隨平面反射鏡8與 第一自聚焦透鏡6的距離d-airl的變化而變化。他們之間的距離由壓電陶瓷片9調(diào)制，從 而實(shí)現(xiàn)調(diào)Q輸出。本實(shí)施例的第一自聚焦透鏡6和第二自聚焦透鏡10的厚度為4mm，平面 反射鏡8的厚度為3mm。當(dāng)?shù)谝蛔跃劢雇哥R6和鏡片8之間的距離為25QW，相應(yīng)的鏡片8和第二自聚焦透 鏡10的距離為500QW時(shí)，整個(gè)器件的反射率譜見圖5?？梢钥吹剑?940歷-2060歷的波 長范圍，整個(gè)器件都是幾乎全反的，此時(shí)激光器處于儲(chǔ)能狀態(tài)，沒有激光輸出。當(dāng)?shù)谝蛔跃?焦透鏡6和鏡片8之間的距離為26QW，相應(yīng)的鏡片8和第二自聚焦透鏡10的距離為499QW 時(shí)，整個(gè)器件的反射率譜見圖6?？梢钥吹剑?um波長附件有一個(gè)透射峰，從而實(shí)現(xiàn)激光輸 出。事實(shí)上因?yàn)閾戒A光纖激光器的光譜很寬，只要器件的透射峰移動(dòng)到摻銩激光器的光譜 帶寬之內(nèi)，就可能開始產(chǎn)生激光輸出。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明不需要使用高壓驅(qū)動(dòng)電源，只需較低的驅(qū)動(dòng)電壓就可以驅(qū)動(dòng)壓 電陶瓷片工作，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率達(dá)數(shù)千赫茲甚至上兆赫茲的調(diào)q脈沖激光輸出，并且脈沖的 穩(wěn)定性也較好。
權(quán)利要求
一種用于激光器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于激光器諧振腔的輸出鏡和一塊平面反射鏡構(gòu)成F-P腔，所述的平面反射鏡與具有中間通光孔的壓電陶瓷片粘結(jié)在一起，該壓電陶瓷片在驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)下沿所述的光軸作周期性振動(dòng)，帶動(dòng)所述的平面反射鏡作周期性的振動(dòng)，周期性地改變所述的F-P腔的腔長，使該F-P腔的透射率產(chǎn)生周期性的變化，構(gòu)成激光器的Q開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，特征在于其構(gòu)成包括激光器 諧振腔的輸出鏡(1)和平面反射鏡(3)，該激光器諧振腔的輸出鏡(1)鍍有高反射膜(2)的 一面和平面反射鏡(3)鍍有高反膜(2)的一面相對(duì)且相互平行構(gòu)成F-P腔，所述的平面反 射鏡(3)與具有中間光通孔的壓電陶瓷片(4)粘結(jié)在一起，所述的激光器諧振腔的輸出鏡 (1)、平面反射鏡(3)和壓電陶瓷片(4)共光軸，該壓電陶瓷片(4)和驅(qū)動(dòng)電源(5)相連并 在該驅(qū)動(dòng)電源(5)的驅(qū)動(dòng)下沿所述的光軸作周期性振動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于所述的壓電陶瓷 片(4)的振動(dòng)位移的極值大于λ/4，其中λ為激光器的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于激光器諧振腔的輸出鏡⑴和平面反射鏡⑶之間的距離d應(yīng)足夠小，使Δ義二和90°)滿足Δ λ >激光2d光譜線寬。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于所述的激光器諧 振腔的輸出鏡(1)和平面反射鏡(3)相對(duì)面所鍍的高反膜反射率應(yīng)足夠高，使得反射率極 值十分接近1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于該F-P腔Q開關(guān) 用于寬光譜線寬的光纖激光器，構(gòu)成包括粘貼于摻銩光纖(12)輸出端的第一自聚焦透鏡 (6)和平面反射鏡(8)，該第一自聚焦透鏡(6)和平面反射鏡(8)鍍有高反膜(7)的一面 相對(duì)且平行構(gòu)成F-P腔，所述的平面反射鏡(8)與具有中間光通孔的壓電陶瓷片(9)粘結(jié) 在一起，在該壓電陶瓷片(9)的另一面、分立、且與所述的第一自聚焦透鏡(6)、平面反射鏡 (8)和壓電陶瓷片(9)同光軸的是第二自聚焦透鏡(10)，該第二自聚焦透鏡(10)粘貼于普 通光纖(11)上，所述的壓電陶瓷片(9)和驅(qū)動(dòng)電源(13)相連并在該驅(qū)動(dòng)電源(13)驅(qū)動(dòng)下 沿所述的光軸作周期性振動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于所述的壓電陶瓷 片(9)的振動(dòng)位移的極值大于λ/4，其中λ為激光器的波長。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于所述的第一自聚焦透鏡(6)和平面反射鏡⑶之間的距離d-airl應(yīng)足夠小，使ΔΑ =~(0=90°)滿足2d - air\Δ λ >激光光譜線寬。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其特征在于所述的第一自聚 焦透鏡(6)和平面反射鏡(8)相對(duì)面所鍍的高反膜的反射率接近1。
全文摘要
一種用于激光器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的F-P腔Q開關(guān)，其構(gòu)成激光器諧振腔的輸出鏡和一塊平面反射鏡構(gòu)成F-P腔，所述的平面反射鏡與具有中間通光孔的壓電陶瓷片粘結(jié)在一起，該壓電陶瓷片在驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)下沿所述的光軸作周期性振動(dòng)，帶動(dòng)所述的平面反射鏡作周期性的振動(dòng)，周期性地改變所述的F-P腔的腔長，使該F-P腔的透射率產(chǎn)生周期性的變化，構(gòu)成激光器的F-P腔Q開關(guān)。本發(fā)明F-P腔Q開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格相對(duì)較低的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明不需要使用高壓驅(qū)動(dòng)電源，只需較低的驅(qū)動(dòng)電壓就可以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片工作，實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率達(dá)數(shù)千赫茲甚至上兆赫茲的調(diào)q脈沖激光輸出，并且脈沖的穩(wěn)定性也較好。
文檔編號(hào)H01S3/127GK101888055SQ20101020754
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者俆劍秋, 唐玉龍, 楊翼 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所