预泵浦电流参数的确定方法

1.本发明涉及固体激光器技术领域，具体涉及一种预泵浦电流参数的确定方法。


背景技术：

2.脉冲激光在工业加工、生物医学、雷达传感和军事科研等领域被广泛应用。被动调q技术是比较常用于高重复频率、高峰值功率的激光脉冲产生技术。
3.被动调q技术只需在腔内插入可饱和吸收体，即可获得脉冲激光输出，无需外部驱动源控制，具有体积小、结构简单、制作成本低等优点。但其对激光脉冲产生时刻、能量大小和峰值功率不可控，脉冲输出稳定性较差，主要表现为脉冲幅值的变化和脉冲之间周期的变化和抖动，同时在激光脉冲产生后，由于积累的上能级粒子没有完全跃迁，经常伴随子脉冲的产生，导致稳定性进一步变差。被动调q脉冲的不稳定性起源于模式竞争、模式调制、调q晶体的光致附生损耗、上能级粒子跃迁不完全等原因，需通过加入主动控制方式来提高输出激光脉冲的稳定性。
4.综合国内外研究情况，对于实现被动调q脉冲的技术途径主要包括压电陶瓷反馈控制、饱和吸收损耗漂白与预泵浦技术。其中压电陶瓷反馈控制和饱和吸收损耗漂白技术需要在被动调q激光器的结构上加额外的元件，很难实现器件的小型化。预泵浦技术可保证受控电流源与控制电路的独立性，不仅简化激光电源的硬件结构，也使得系统的性价比得到了提高，增强了整机的自动化程度和扩展能力，控制单元的输入接口与显示面板提供了良好的人机接口，能够获得稳定的脉冲输出。
5.预泵浦技术需在脉冲间隔期，给予一定的基电流，使得谐振腔内积累光子，但没有激光发射。在脉冲输出时，在基电流上叠加高电流脉冲，使上能级粒子数迅速积累，漂白饱和吸收体释放能量。预泵浦电流参数需要与被动调q激光器本征状态相吻合，如果预泵浦电流的调制频率与激光器的脉冲本征频率不同，在一个泵浦周期内，有可能产生多个或没有激光脉冲产生。高电流脉冲设定过高容易造成泵浦源的损坏，高电流脉冲持续时间过长，会导致对激光脉冲抖动抑制效果降低。目前想要想达到吻合状态，需要在实验过程中反复不断的对预泵浦电流参数进行调试，过程复杂耗时，并无人提出能够快速地确定相关参数方法。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述问题，提供了一种预泵浦电流参数的确定方法，主要通过连续泵浦下被动调q激光器输出的光信号，确定此情况下被动调q激光器的脉冲本征状态，实现预泵浦电流参数的快速确定。
7.本发明提供的预泵浦电流参数的确定方法，具体是基于被动调q激光器确定的预泵浦电流参数方法，通过被动调q激光器的脉冲本征状态，确定预泵浦电流参数，包括如下步骤：s1、确定连续泵浦下被动调q激光器的本征状态，本征状态包括脉冲重复频率、脉
冲宽度和泵浦电流；s2、基于本征状态，确定预泵浦电流参数，预泵浦电流参数包括预泵浦电流调制频率、预泵浦基电流、预泵浦高电流脉冲、预泵浦电流平均值和预泵浦高电流脉冲持续时间；其中，预泵浦电流调制频率：与连续泵浦下的脉冲重复频率的平均值相等；预泵浦基电流：高于第一泵浦阈值，低于第二泵浦阈值，第一泵浦阈值为未放置可饱和吸收体时，连续激光输出的阈值功率，第二泵浦阈值为放置可饱和吸收体后，脉冲激光输出的阈值功率；预泵浦高电流脉冲：不超过泵浦源的正常工作电流的最大值；预泵浦电流平均值：与连续泵浦下被动调q激光器的泵浦电流值相等，公式为：；其中，为单位周期内的基电流持续时间，为单位周期内的高电流脉冲持续时间，为泵浦电流，为预泵浦基电流，为预泵浦高电流脉冲；预泵浦高电流脉冲持续时间：在满足预泵浦电流调制频率、预泵浦基电流、预泵浦高电流脉冲和预泵浦电流平均值的条件下，将单位周期内高电流脉冲的最小持续时间确定为预泵浦高电流脉冲持续时间。
8.优选的，被动调q激光器为固体激光器。
9.优选的，脉冲重复频率：；脉冲宽度：；式中：，n是激光谐振腔内材料的折射率；l是谐振腔的长度；是可饱和吸收体的调制深度；c是光速；ne是载流子浓度，与吸收的泵浦功率成正比；是受激发射截面；l是激光晶体的长度；是荧光寿命。
10.优选的，通过光电探测器和示波器测量得到泵浦电流。
11.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：通过被动调q激光器的脉冲本征状态，实现预泵浦电流参数快速确定，基于此参数运行被动调q激光器时，输出脉冲频率与泵浦光调制频率严格相同，能够有效抑制激光输出的脉冲抖动，提升激光脉冲的幅值以及重复频率的稳定性。
附图说明
12.图1是根据本发明实施例提供的预泵浦下线型腔被动调q激光器的结构示意图；图2是根据本发明实施例提供的预泵浦下v型腔被动调q激光器的结构示意图；图3是根据本发明实施例提供的预泵浦电流参数确定的方法的流程示意图；图4是根据本发明实施例提供的连续泵浦下被动调q激光器的本征状态示意图；图5是根据本发明实施例提供的预泵浦下被动调q激光器的脉冲输出示意图。
13.其中的附图标记包括：线型腔预泵浦激光驱动电源101、线型腔泵浦源102、线型腔准直聚焦系统103、线
型腔谐振腔104、线型腔输入镜1041、线型腔增益晶体1042、线型腔可饱和吸收体1043、线型腔输出镜1044。
14.v型腔预泵浦激光驱动电源201、v型腔泵浦源202、v型腔准直聚焦系统203、v型腔谐振腔204、v型腔输入镜2041、v型腔增益晶体2042、v型腔反射镜2043、v型腔可饱和吸收体2044、v型腔输出镜2045。
具体实施方式
15.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
17.图1示出了根据本发明实施例提供的预泵浦下线型腔被动调q激光器的结构。
18.如图1所示，线型腔被动调q激光器的结构包括：线型腔预泵浦激光驱动电源101、线型腔泵浦源102、线型腔准直聚焦系统103、线型腔谐振腔104、线型腔输入镜1041、线型腔增益晶体1042、线型腔可饱和吸收体1043和线型腔输出镜1044。
19.线型腔被动调q激光器的工作过程：线型腔预泵浦激光驱动电源101驱动线型腔泵浦源102后，激发出泵浦光，泵浦光经线型腔准直聚焦系统103进入线型腔谐振腔104。线型腔谐振腔104由线型腔输入镜1041、线型腔增益晶体1042、线型腔可饱和吸收体1043、线型腔输出镜1044依次连接组成。泵浦光进入线型腔谐振腔104后，首先通过线型腔输入镜1041进入线型腔增益晶体1042，实现增益晶体的集居数反转。线型腔可饱和吸收体1043对激光的吸收系数随射入光强的增大而减小，达到饱和后对激光呈透明状态，利用这种特性对腔内q值进行调制，激发高频激光脉冲穿过线型腔输出镜1044，完成激光调制。
20.图2示出了根据本发明实施例提供的预泵浦下v型腔被动调q激光器的结构。
21.如图2所示，v型腔被动调q激光器的结构包括：v型腔预泵浦激光驱动电源201、v型腔泵浦源202、v型腔准直聚焦系统203、v型腔谐振腔204、v型腔输入镜2041、v型腔增益晶体2042、v型腔反射镜2043、v型腔可饱和吸收体2044和v型腔输出镜2045。
22.v型腔被动调q激光器的工作过程：v型腔预泵浦激光驱动电源201驱动v型腔泵浦源202后，激发出泵浦光，泵浦光经v型腔准直聚焦系统进入v型腔谐振腔204。v型腔谐振腔204由v型腔输入镜2041、v型腔增益晶体2042、v型腔反射镜2043、v型腔可饱和吸收体2044、v型腔输出镜2045依次连接组成。泵浦光进入v型腔谐振腔204后，首先通过v型腔输入镜2041进入v型腔增益晶体2042，实现增益晶体的集居数反转，泵浦光经反转放大后射到v型腔反射镜2043上，通过反射改变传输路径，射到v型腔可饱和吸收体2044中，v型腔可饱和吸收体2044对激光的吸收系数随射入光强的增大而减小，达到饱和后对激光呈透明状态，利用这种特性对腔内q值进行调制，激发高频激光脉冲穿过v型腔输出镜2045，完成激光调制。
23.图3示出了根据本发明实施例提供的预泵浦电流参数确定的方法的流程。
24.图4示出了根据本发明实施例提供的连续泵浦下被动调q激光器的本征状态。
25.图5示出了根据本发明实施例提供的预泵浦下被动调q激光器的脉冲输出。
26.如图3所示，利用本发明可以实现图1的线型腔被动调q激光器和图2的v型腔被动调q激光器的预泵浦电流参数的快速确定，具体实施如下：如图4、图5所示，i表示电流坐标轴，p表示功率坐标轴，t表示时间坐标轴，图中i
t1
表示第一泵浦阈值，i
t2
表示第二泵浦阈值，i0表示泵浦电流，i1为预泵浦基电流，i2为预泵浦高电流脉冲，t0表示一个脉冲周期。
27.如图4所示，首先对被动调q激光器进行连续泵浦，采用光电探测器结合示波器对激光的脉冲性能参数进行测量，从测得的脉冲性能参数中确定出连续泵浦下被动调q激光器的本征状态：包括脉冲重复频率、脉冲宽度、泵浦电流、脉冲幅值以及脉冲重复频率的稳定性。
28.被动调q激光器的本征状态的脉冲宽度、脉冲重复频率与被动调q激光器的材料特性、腔型设计的基本关系如下：脉冲重复频率：；脉冲宽度：；式中：，n是激光谐振腔内材料的折射率；l是谐振腔的长度；c是光速；是可饱和吸收体的调制深度；ne是载流子浓度，与吸收的泵浦功率成正比；是受激发射截面；l是激光晶体的长度；是荧光寿命。
29.基于确定出的被动调q激光器的本征状态，同时确定被动调q激光器的预泵浦电流参数，预泵浦电流参数包括预泵浦电流调制频率、预泵浦基电流、预泵浦高电流脉冲和预泵浦电流平均值。
30.其中确定方式为：预泵浦电流调制频率：与连续泵浦下本征脉冲重复频率的平均值相等。
31.预泵浦基电流：高于第一泵浦阈值，低于第二泵浦阈值，第一泵浦阈值为未放置可饱和吸收体时，连续激光输出的阈值功率，第二泵浦阈值为放置可饱和吸收体后，脉冲激光输出的阈值功率。
32.预泵浦高电流脉冲：不超过泵浦源的正常工作电流的最大值。
33.预泵浦电流平均值：与连续泵浦下被动调q激光器的泵浦电流值相等，公式为：；其中，为单位周期内的基电流持续时间，为单位周期内的高电流脉冲持续时间，为泵浦电流，为预泵浦基电流，为预泵浦高电流脉冲。
34.在满足上述条件下，以单位周期内高电流脉冲的最小持续时间确定为预泵浦高电流脉冲持续时间，为一个脉冲周期，越小，抑制激光输出的脉冲幅值与重复频率抖动的效果越好。
35.综上，通过本发明实现了在预泵浦条件下，线型腔和v型腔被动调q激光器的电流参数的确定，包括预泵浦电流调制频率、预泵浦基电流、预泵浦高电流脉冲、预泵浦电流平均值以及预泵浦高电流脉冲持续时间。
36.如图5所示，运用此参数运行线型腔和v型腔被动调q激光器时，输出脉冲频率与泵
浦光调制频率严格相同，能够有效抑制激光输出的脉冲抖动，提升激光脉冲幅值以及重复频率的稳定性。
37.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
38.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。