本发明专利技术公开了一种具有腔内非线性耦合器的主动Ｑ开关激光器，在所述非线性耦合器中产生稳定的光频率转换输出。对几个例子的增益波动不灵敏条件进行定义和描述。即使当使用Ｑ开关削减该脉冲时，具有满足这种条件的耦合值的非线性耦合器允许稳定的激光器操作，所述稳定的激光器操作具有脉冲间最小的相互作用。因此，公开的激光器的输出脉冲持续时间和重复频率可以在基本上与激光器增益值和动态特性无关的大范围上被改变。尽管公开的激光器还可被应用于其它光频率转换机制，本发明专利技术只演示了二次和三次谐波光频率转换。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及主动Q开关脉冲激光器。具体地，公开了具有产生频率转换光输出的腔内非线性输出耦合器的主动Q开关脉冲激光器。更具体地，依据本专利技术，可以在实质上与激光器增益无关的大范围上改变脉冲持续时间和重复频率。
技术介绍
在科学的、安全的、检测的和材料加工应用中广泛使用具有近衍射极限TEM00束(near-diffraction-limited TEM00beams)和高的总效率的高重复率的、二极管泵浦的固体(DPSS)Q开关激光器。在所有情况中，理想的是使激光器输出的波长、脉冲能量、脉冲宽度和重复频率适应于该应用。在材料加工中，例如切削率、切口质量及间接的损害的这些重要方面可极大地取决于这些所有的变量。但是，由于众所周知的基础物理学，严格地限制了这些参数中可能调整的程度。输出脉冲能量和重复频率受限于激光器系统中可利用的泵浦水平和总提取功率，尽管诸如非线性频率转换的技术可相对有效的将这种功率传送给其它波长。激光器脉冲宽度取决于激光器的物理参数(增益介质、腔往返时间等等)和初始反转值，这些因素决定建立时间和能量抽取动态特性，因此激光器脉冲宽度与脉冲能量极大地相关。在移向更高脉冲重复频率时，这种限制变得更成问题，因每个脉冲可利用的能量被减少，导致更长的建立时间、更长的脉冲、更低强度，并且最终导致更低的频率转换效率。然而。对于很多应用来说，理想的是打破这种脉冲能量-脉冲宽度限制，以使脉冲宽度的选择与脉冲能量无关。如果总效率还被保持，则这种激光器将是非常适用的器具，成为在宽的重复频率范围和脉冲宽度上可能的高效率的频率转换激光器。本专利技术公开一种在宽的重复频率范围上获得具有可变脉冲宽度和高效率的稳定输出的激光器及其操作方法。腔内频率转换激光器相比于类似的外频率转换激光器具有的明显优点，该优点在于对于其它波长的高效转换、在非线性晶体上降低的峰值及平均强度以及减少的脉冲间噪声值，但是一般展示出比具有外频率转换的激光器更长的脉冲。这种脉冲变长归因于两种效果使用非线性耦合的低线性损耗和强度削减。内部(腔内)频率转换激光器典型地具有低线性损耗，以使频率转换效率最大化。当循环强度衰减时，非线性损耗降低，以使脉冲衰减拉长。在该衰减期间，仍然从增益介质中抽取能量，但是瞬时非线性效率逐渐降低，这降低了总转换效率。通过增加非线性输出耦合可以提高总效率，但通常仅在以进一步增加脉冲宽度为代价时才获得，因为增加的非线性耦合更有效率地削减循环强度和能量抽取率。可控脉冲宽度的激光器已经通过各种技术被构造出来。其中最早使用增强非线性光(NLO)耦合，以将脉冲宽度加长，正如由Murray和Harris(J.E.Murray和S.E.Harris，“PulseLengthening via Overcoupled Internal Second-Harmonic Generation”，J.Appl.Phys.41，pp609-613，1970以及J.F.Young，J.E.Murray，R.B.Miles和S.E.Harris，“Q-switched Laserwith Controllable Pulse Length”，Appl.Phys.Lett.18，pp.129-130，1971)所分析和论证的。他们确定二次谐波耦合的最佳值，在该值处获得谐波频率的最大强度。对于低谐波耦合值，脉冲宽度近似为常数。对于大于最优值的谐波耦合值，较大的NLO耦合有效地削减循环强度且加长了脉冲，而没有效率的损失。然而，因为必须在毫秒时间标度上调整非线性材料温度或角度，所以这种技术只可产生脉冲加长，以及只提供相对较慢的脉冲调整机制。最近的研究利用自倍频激光器(self-doubling laser)增益介质以得到类似效果(P.Dekker，J.M.Dawes和J.A.Piper，“2.27-W Q-switched self-doubling YbYAB laser with controllablepulse length”，J.Opt.Soc.Am.B 22，pp.278-384，2005)。在此公开的本专利技术引入一种对关于脉冲下降沿的Q开关削波的在先专利(Adams，USPatent 6,654,391)的改进。Adams专利的主要目的是在大多数频率转换脉冲结束之后闭合Q开关，使能量的某些部分在增益介质中得到保持，否则这些能量会通过基波波长脉冲的后沿被抽取。因此，更多的存储的能量和增益可用于后面的脉冲，在转换波长处产生更高强度的基波脉冲、更高的转换效率以及更多功率。还可以获得少量脉冲缩短，但是与Adams专利描述的一样，当Q开关窗口变短且开始明显地削减该脉冲的后沿时，脉冲宽度变得不稳定。这种不稳定典型地采取该脉冲序列的周期倍增的形式，以代替一系列相等能量/强度的脉冲，该脉冲在大和小能量之间交替变换，它们之间的差异取决于由Q开关对后沿削波的程度。因此，不能通过Adams专利的方法来获得实质上的脉冲缩短。另一种用于控制Q开关激光器的脉冲宽度的理论上可行的技术为在自然脉冲结束之前，使用积极的Q开关窗口终结，所述自然脉冲由激光腔的增益和能量抽取动态设置。打开Q开关以建立初始化脉冲，然后，Q开关将在某些点上被设定回高损耗状态，快速降低循环强度，进而有效地削减脉冲的下降沿。这可以使用许多不同类型的Q开关来实现，包括电光和声光类的。对于低重复率激光器，该脉冲削波技术可有效地缩短脉冲，在所述低重复率激光器中脉冲重复频率(PRF)比高能态寿命(upper state lifetime)的倒数小得多。由于存储能量被遗留在增益介质中，且长的重新泵浦的时间确保较少的或几乎没有遗留可用于后面的脉冲的能量，所以该方法相比于没有脉冲削波的自激激光器更有效率。在PRF比1/高能态寿命大得多的情况下，脉冲削波可能有非常大的优势，但是还很复杂。由于在增益下降至损耗值之下之前通过Q开关消除该脉冲，且由于脉冲间的时间远短于增益介质的寿命，在缩短脉冲之后，削除脉冲的下降沿允许剩下的剩余纯增益。由于该脉冲的低非线性光学(NLO)转换效率尾部将被削减去，以及将节省的能量高强度及高效地存储在随后的脉冲中，对于腔内频率转换激光器，这在原理上可为一个重大的优点。然而，实际上，腔内频率转换激光器的这种另外的有吸引力的方案典型地仅仅允许在进入固有稳定限制前最小脉冲缩短以及改进减缓效率。当建立的Q开关窗口(建立开始和脉冲削波之间的时间)逐渐减少以及在脉冲被削减之后剩下更多增益时，开发了一种用于脉冲间沟通的机制，该机制快速扰动该脉冲序列。因此，这种对增益间接不稳定问题的解决方案对于Q开关脉冲削波成为有用的技术是必需的。该激光器动力学的简单模型说明了由于消除脉冲尾部而改变脉冲长度时出现的稳定性问题。这种简化的模型用于纯粹的线性激光器，也就是，没有非线性输出耦合，但用于说明出现在线性和非线性输出耦合激光器中的稳定性问题。对于高PRF极限中线性激光器的循环功率P和增益g可考虑用两个方程式(1)和(2)表示。为了简化，我们假定该脉冲为足够短的，以致于在脉冲期间的增益介质的重复泵浦对于确定脉冲动态特性可以被忽略。Eq.(1)TRTdPdt=(g-l)P]]>Eq.(2)dgdt=-gP/Esat]]>包本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Ｑ开关激光器，其包括： ａ）谐振腔，所述谐振腔包含在其内的增益介质； ｂ）用于泵浦所述增益介质的装置，以在所述增益介质内增加光增益，从而在所述谐振腔内在腔往返时间内产生光循环功率，所述光循环功率具有基础光频率； ｃ）信号发生器，其产生具有门宽度的门信号，并且以脉冲重复频率调制所述门信号； ｄ）在所述谐振腔内的光开关，其响应从所述信号发生器接收到的门信号以将所述光开关在所述门宽度的持续时间内从高损耗状态切换至低损耗状态，从而产生具有光脉冲宽度的光脉冲； 其中，在所述高损耗状态中，能量积累在所述增益介质中以产生初始光增益，同时所述光循环功率趋向于初始光循环功率；和 其中，在所述低损耗状态中，所述光循环功率增加至峰值光循环功率，此后当积累在所述增益介质内的能量减少和所述光增益被耗散时，所述光循环功率衰减； ｅ）在所述谐振腔内的非线性耦合器，其用于以基础光频率将所述光循环功率的一部分转换为转换光功率，以及所述非线性耦合器具有非线性耦合值以提供增益波动不灵敏条件； 其中所述转换光功率具有转换光频率，所述转换光频率具有转换光脉冲宽度；以及 ｆ）用于将所述转换光功率耦合出所述谐振腔的装置。...
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：洛伦艾尔斯，杰弗里格雷戈，沃纳H威茨曼，詹姆士J摩尔何德，
申请(专利权)人：JDS尤尼弗思公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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