获得稳定被动调Q激光器的增益预泵浦方法技术

本发明专利技术属于激光调制技术领域，本发明专利技术包括以下步骤：在激光输出之前，首先施加一个低于激光泵浦阈值的预泵浦功率，在此泵浦功率之下，使固体激光器各元件的初始条件趋于一致；在预泵浦之后，叠加高于泵浦阈值的泵浦功率脉冲导致迅速输出激光。本发明专利技术不但具有结构紧凑、成本低等优点，而且可提高脉冲能量输出及重复频率稳定性，易于对输出脉冲进行有效的编码，为被动调Ｑ固体激光器更加广泛地应用于通信、医疗和军事等领域创造条件。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光调制
，特别涉及被动调Q技术。“被动调Q技术”是通过改变激光器的品质因数Q来达到输出高峰值功率脉冲的一种技术方法。被动调Q的固体激光器具有体积小、效率高、成本低等优点，与主动调Q的固体激光器相比，减少了复杂的驱动电路，具有较好的发展前景并已经广泛用于军事等重要领域。但是其输出脉冲的能量和重复频率的稳定性(1)却远远低于主动调Q的激光器，因此在数字技术、通信技术和医疗应用等领域的应用受到了较大的限制。目前对于被动调Q的固体激光器的泵浦方法可以分为连续泵浦和脉冲泵浦(2)。而目前要获得高重频、高峰值功率的脉冲输出主要采用连续泵浦。但是，目前被动调Q激光器的脉冲输出稳定性较差，尤其是连续泵浦下的高重复频率被动调Q激光器的脉冲输出稳定性更差。因此采用这些方法很难获得稳定的激光脉冲输出(脉冲输出频率、能量和脉冲波形均不稳定)，而且由于难以精确地控制脉冲输出频率，不可能对激光输出进行数字编码，大大限制了它的应用范围。本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种获得稳定被动调Q激光器的增益预泵浦方法，使其不但可以充分发挥被动调Q固体激光器结构紧凑、成本低等优点，而且可提高脉冲能量输出及重复频率稳定性，易于对输出脉冲进行有效的编码，为被动调Q固体激光器更加广泛地应用于通信、医疗和军事等领域创造条件。本专利技术提出的一种获得稳定被动调Q激光器的增益预泵浦方法，指在激光输出之前，首先施加一个低于激光泵浦阈值的泵浦功率，在此泵浦功率之下，固体激光器各元件的初始条件将会趋于一致。增益介质中的粒子反转密度与激光腔内的光子密度将稳定在某一固定值(该固定值对应于预泵浦功率)，达到动态平衡。在预泵浦之后，初始条件趋于一致，叠加远高于泵浦阈值的泵浦功率脉冲导致迅速输出激光，缩短了Q开关开启时间的不确定度。预泵浦功率越接近泵浦阈值，效果俞佳。上述的增益预泵浦方法可以分为以下三个阶段第一个阶段采用低于阈值的泵浦功率R1，使得增益介质中的粒子反转数尽可能地接近初始粒子反转数的临界区域。在这个阶段中调Q开关不会开启，同时为下一阶段的Q开关开启，积累足够的反转粒子数，强制在每次调Q开关打开之前，使激光器系统迅速恢复至相似的初始条件(粒子反转数接近阈值)，克服了饱和吸收体反应速度慢、剩余粒子反转数不一致的问题。第二个阶段，在第一阶段泵浦的基础上再叠加一个又窄又高的功率脉冲Rp。在该泵浦脉冲的激励下，粒子反转数将迅速通过初始粒子反转数的临界区域，Q开关开启，大大缩短了脉冲发生的不确定度(参考图2，其中双点划线所示为预泵浦方式下粒子反转数随时间的变化曲线)。为了防止泵浦脉冲对调Q带来不利影响(例如形成多脉冲输出)，应该注意控制泵浦脉冲的宽度。第三个阶段，泵浦脉冲恢复为低于阈值的泵浦功率R2。为下一次调Q周期作好准备。上述的第一阶段和第三阶段的泵浦功率一般不等。因为第一阶段的预泵浦功率要求尽可能接近泵浦阈值，而第三阶段的泵浦功率仅要求低于预泵浦即可。为了简化对泵浦电源的调制要求，也可以令二者相等。本专利技术所述方法的机理说明如下经过理论分析和实践证明造成被动调Q不稳定的原因主要有(1)模式间的竞争导致各横模在强度上此起彼伏。实验证明在多横模振荡下饱和吸收体Cr4+YAG调Q脉冲间隔(重复频率)和幅度(能量)变化显得十分凌乱，而且单个脉冲波形也很不规则，且随机变化。(2)固体激光器的Cr4+YAG晶体中存在一种光致附生损耗机制。附生损耗Z随腔内循环功率的增加而增加。其机理是在高功率密度条件下，Cr4+YAG晶体中的部分三价Cr3+离子转化为四价Cr4+离子，使得光吸收损耗加大，称为光诱导的附生损耗。(3)调Q脉冲中存在模式调制现象，一般认为这是腔内相位相关的同一激光振荡频率不同横模之间拍频的结果。(4)泵浦功率的起伏会造成被动调Q固体激光器的输出不稳定虽然早已被广泛认识，但未见进行定量分析的报道。本专利技术对上述被动调Q不稳定原因的机理进行了分析，得到a.上述第1个和第3个原因都涉及到固体激光器的模式。因此可以通过控制激光模式解决它们造成的影响。单纵模和单横模的激光设计是最优的选择。b.造成上述被动调Q不稳定的第2个和第4个原因。可归结于固体激光器初始条件(脉冲周期内粒子反转数与光子数)的不一致。附图说明图1所示为被动调Q激光器在一个脉冲周期内粒子反转数(图中实曲线所示)与光子数(图中虚曲线所示)随时间的变化曲线。由于泵浦源功率的起伏、剩余粒子反转数不一致和各种外界环境条件的影响，Q开关的开启时间不能保持恒定。从调Q脉冲的建立过程考虑，各种导致Q开关的开启时间不确定的因素，都致使激光器的Q开关的阈值发生变化，既当增益介质中的粒子反转密度在(n-th～n+th)之间，都有可能打开Q开关。我们把(n-th～n+th)称为粒子反转密度的临界区域。增益介质中粒子反转密度通过临界区域所经历的时间段(t1～t2)称为发射调Q脉冲的不确定度。显然发射调Q脉冲的不确定度是标志调Q脉冲输出频率稳定性的重要参数。要提高被动调Q的稳定性就需要减小发射调Q脉冲的不确定度。由于饱和吸收体本身存在着较长的恢复时间，所以在高重频情况下，当下一个脉冲即将发生时饱和吸收体还没有得到恢复，造成了连续两次增益预泵浦脉冲的初始条件不一致，因此调Q脉冲输出能量也将变化。这种变化必将导致调Q脉冲输出后增益介质中剩余粒子反转数不同的后果，于是又加剧了下一次调Q脉冲初始条件的变化，反复作用，形成恶性循环(事实上，在理论分析中这些也可以转换至泵浦阈值的临界区域中进行综合考虑，即扩大了泵浦阈值的临界区域)。例如对于脉冲泵浦，由于上述分析之原因，每次调Q之前的初始条件不一致(剩余粒子反转数、饱和吸收体恢复程度不同)，导致泵浦泵浦阈值不同，就有可能造成在相同的泵浦脉冲条件下，有时输出单脉冲，有时输出多脉冲，有时甚至无脉冲输出。因此，从机理而言，造成被动调Q不稳定的原因基本可以归结为两点激光模式和初始条件。单横模和单纵模的模式控制方法很多，不属本专利技术的内容。本专利技术采用增益预泵浦，可提高被动调Q激光器脉冲输出能量和工作效率。特别是有益于高重频、高峰值功率被动调Q固体激光器的稳定性。本方法不仅大大提高脉冲频率和波形的稳定性，而且还能够对输出脉冲进行有效的编码为被动调Q激光器更好地服务于数字技术及通信领域创造了条件。此外，该技术方法还能够提高系统的效率和脉冲能量。附图简要说明图1为普通连续泵浦条件下粒子反转密度与光子密度随时间的变化曲线；其中(a)为普通连续泵浦条件下的泵浦功率随时间的变化(一个周期内)；(b)为普通连续泵浦条件下的粒子反转数随时间的变化(一个周期内)；图2为本专利技术的增益预泵浦条件下粒子反转密度与光子密度随时间的变化曲线；其中(a)为增益预泵浦条件下的泵浦功率随时间的变化(一个周期内)；(b)为增益预泵浦条件下的粒子反转数随时间的变化(一个周期内)；实施例LD(激光二极管)泵浦Cr，NdYAG激光器，泵浦LD采用的是SDL公司的2382-P1，功率可调，最大功率为4W，可连续或脉冲工作，驱动电源SDL822，泵浦光学系统由一块非球面透镜和一块球面透镜组成，谐振腔腔长25mm，输出反射镜反射率99.7％。第一阶段，首先将预泵浦功率设为低于阈值(2.13W)的2W，连续本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获得稳定被动调Ｑ激光器的增益预泵浦方法，其特征在于，包括以下步骤：１）在激光输出之前，首先施加一个低于激光泵浦阈值的预泵浦功率，在此泵浦功率之下，使固体激光器各元件的初始条件趋于一致；２）在预泵浦之后，叠加高于泵浦阈值的泵浦功率 脉冲导致迅速输出激光。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：巩马理，王为宇，刘兴占，闫平，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]