高重复频率高光束质量的窄脉宽激光器

1.本实用新型涉及激光器领域，尤其涉及高重复频率高光束质量的窄脉宽激光器。


背景技术：

2.随着激光技术的迅速发展，高重复频率、高光束质量的窄脉宽激光器在激光雷达、激光加工、光电对抗等领域应用需求不断增加。例如：激光雷达以激光为信息载体，广泛的应用在环境检测、地形和海洋测绘等领域；激光加工利用激光与物质相互作用特性，在材料切割、焊接、强化、成形等领域具有明显加工优势。
3.具有高重复频率、高光束质量的光源可以大大提高激光雷达的扫描和吸收数据的速度，同时也可以提高激光加工的速度和效率，因此，研制高重复频率、高光束质量的窄脉宽激光器是推动激光雷达、激光加工等领域快速发展的核心动力。
4.通常来说，实现高重复频率激光输出的主要手段有锁模技术与调q技术两种。虽然锁模技术可以实现重复频率高达mhz甚至ghz的脉冲输出，但由于其输出能量极低，通常为～nj量级，并且均为多纵场模式，因此在自由空间中应用较少。目前主流的全固态激光器常用的调q技术有电光调q、声光调q以及被动调q三种，声光调q由于超声振荡器峰值功率受限于声波发生器工艺原因，其输出功率不高，脉宽也很难低于30ns；被动调q存在输出激光脉冲可重复精度较低、脉宽较宽、能量稳定性低的问题；而电光调q由于得益于其极高的控制精度，因此，可同时输出高重复频率的窄脉宽激光。
5.另外，目前常见的放大技术主要有cpa(chirped-pulse amplification啁啾脉冲放大技术)、opcpa(optical parametric chirped-pulse amplification光参量啁啾脉冲放大技术)、mopa(master oscillator power amplifier主振荡器功率放大器)+sbs-pcm(stimulated brillouin scattering phase conjugation mirror受激布里渊散射相位共轭镜)三种。cpa作为较早应用的一种放大手段，可以轻易实现峰值功率～gw、脉宽～ns的激光脉冲输出，但其缺陷也较为明显，vbg(volume bragg grating，体布拉格光栅)损伤阈值的限制成为了该技术近些年的发展瓶颈。近些年opcpa技术逐渐替代了cpa技术成为主流的放大手段，其成功的摆脱了vbg损伤阈值的影响实现了更高峰值功率的激光输出，但随之而来的是极高的泵浦光质量要求以及泵浦光与信号光的相位匹配问题等棘手的困难。而作为目前最常用的mopa技术，由于操作复杂度远低于上述两种技术并且依然能够实现极高峰值功率的激光输出，其被广泛应用于大能量全固态激光器的研制工作中。该技术唯一的缺陷是放大过程中严重的热效应问题，这会导致输出激光的光束质量严重恶化。


技术实现要素：

6.针对激光器重复频率低以及高功率激光器光束质量恶化的技术问题，本实用新型提出高重复频率高光束质量的窄脉宽激光器，解决了因热效应导致激光束质量严重恶化的问题。
7.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：高重复频率高光束质
量的窄脉宽激光器，其特征在于：包括依次设置的电光调q谐振腔、双程放大模块、第一二分之一波片和光束质量优化模块，电光调q谐振腔、双程放大模块、第一二分之一波片与光束质量优化模块的中心点在同一水平线上；所述电光调q谐振腔产生高重频线偏振种子光，种子光进入双程放大模块进行功率放大，随后进入光束质量优化模块生成高光束质量的窄脉宽激光脉冲。
8.进一步地，所述电光调q谐振腔与双程放大模块之间设有第一光隔离器，电光调q谐振腔、第一光隔离器与双程放大模块的中心点设置在同一水平线上；第一二分之一波片与光束质量优化模块之间设有第二光隔离器，第一二分之一波片、第二光隔离器与光束质量优化模块的中心点设置在同一水平线上；所述第一光隔离器与第二光隔离器均由依次设置的偏振器、法拉第旋光器、二分之一波片组成。
9.进一步地，所述电光调q谐振腔包括依次设置的第一0
°
全反射镜、电光调q开关、第一偏振器、第一ld侧泵模块和输出镜，第一0
°
全反射镜、电光调q开关、第一偏振器、第一ld侧泵模块和输出镜的中心点在同一水平线上，种子光由输出镜输出，进入第一光隔离器。
10.进一步地，所述双程放大模块包括第二偏振器、第一单通放大器、第一四分之一波片与第二0
°
全反射镜，第二偏振器、第一单通放大器、第一四分之一波片与第二0
°
全反射镜的中心点在同一水平线上；种子光通过第一单通放大器及第一四分之一波片后，经第二0
°
全反射镜反射，再次通过所述第一单通放大器实现了种子光的双程放大，最后在第二偏振器出输出大能量种子光。
11.进一步地，所述光束质量优化模块包括第三偏振器、第二四分之一波片、第一正透镜和布里渊介质池，第三偏振器、第二四分之一波片、第一正透镜和布里渊介质池中心点在同一水平线上。
12.进一步地，所述布里渊介质池相对侧设有窗镜，窗镜与水平方向有倾角，窗镜与第一正透镜的中心在同一水平线上。
13.进一步地，所述第二0
°
全反镜镀全反射膜，并且与入射光夹角呈90
°
，实现对种子光的全反射；第三偏振器镀有光学偏振膜，和水平方向的夹角为布儒斯特角θ。
14.采用上述结构的本实用新型，结构简单、稳定性好，可用于激光雷达、激光加工、光电对抗等先进领域，通过利用电光调q谐振腔实现高重复频率、窄脉宽的激光输出，弥补了锁模技术输出能量低、声光调q脉宽较宽以及被动调q重频低的不足；通过采用mopa技术可以产生高峰值功率，并且结合sbs-pcm，解决了传统激光器在功率放大过程中热效应引入的光束质量严重恶化问题。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本实用新型的结构示意图。
17.图2为图1所示电光调q谐振腔的结构示意图。
18.图3为图1所示双程放大模块的结构示意图。
19.图4为图1所示光束质量优化模块的结构示意图。
20.图5为图4所示布里渊介质池倾角的示意图。
21.图6为图4所示布里渊介质池窗镜的光路示意图。
22.图中，1为电光调q谐振腔，2为第一光隔离器，3为双城放大模块，4为第一二分之一波片，5为第二光隔离器，6为光束质量优化模块，1-1为第一0
°
全反射镜，1-2为电光调q开关，1-3为第一偏振器，1-4为第一ld侧泵模块，1-5为输出镜，3-1为第二偏振器，3-2为第一单通放大器，3-3为第一四分之一波片，3-4为第二0
°
全反射镜，6-1为第三偏振器，6-2为第二四分之一波片，6-3为第一正透镜，6-4为布里渊介质池，θ为布儒斯特角，α为布里渊介质池第一窗镜前表面入射角，β为布里渊介质池的第一倾斜角，β1为布里渊介质池的第二倾斜角，d1为第一正透镜的高度，d2为第一正透镜中心与窗镜入射点的距离，d3为第一正透镜6-3上端与布里渊介质池6-4上端的距离，f为第一正透镜的焦距，α'为布里渊介质池第一窗镜前表面折射角，α”为布里渊介质池第一窗镜后表面折射角，n1为空气折射率，n2为玻璃折射率，n3为介质折射率，d为第一窗镜玻璃厚度。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.如图1所示，高重复频率高光束质量的窄脉宽激光器，包括依次设置的电光调q谐振腔1、双程放大模块3、第一二分之一波片4和光束质量优化模块6，电光调q谐振腔1、双程放大模块3、第一二分之一波片4与光束质量优化模块6的中心点在同一水平线上。电光调q谐振腔1与双程放大模块3之间设有第一光隔离器2，电光调q谐振腔1、第一光隔离器2与双程放大模块3的中心点设置在同一水平线上；第一二分之一波片4与光束质量优化模块6之间设有第二光隔离器5，第一二分之一波片4、第二光隔离器5与光束质量优化模块6的中心点设置在同一水平线上；第一光隔离器2与第二光隔离器5均由依次设置的偏振器、法拉第旋光器、二分之一波片组成。
25.其中，电光调q谐振腔1的主要作用为产生高重频线偏振种子光，如图2所示，该电光q谐振腔1包括依次设置的第一0
°
全反射镜1-1、电光调q开关1-2、第一偏振器1-3、第一ld侧泵模块1-4与输出镜1-5。该电光q谐振腔1利用第一0
°
全反射镜1-1与输出镜1-5构成谐振腔，通过在电光调q开关1-2中的电光晶体施加电压结合第一偏振器1-3作用，达到使电光调q谐振腔1处于高损耗状态的目的，以实现反转粒子数的积累，在完成积累后撤去外加电压，电光调q谐振腔1持续振荡，提取第一ld侧泵模块1-4在高损耗时积累的能量，最后在输出镜1-5处输出高重频线性偏振种子光。种子光由电光调q谐振腔1射入第一光隔离器2，第一光隔离器2的主要作用为利用偏振原理阻隔反向传输的光，确保射入光单向通过，保护电光调q谐振腔1。
26.如图3所示，双程放大模块3的主要作用为利用mopa技术产生高峰值功率的激光，该双程放大模块3包括第二偏振器3-1、第一单通放大器3-2、第一四分之一波片3-3与第二0
°
全反射镜3-4，第二偏振器3-1、第一单通放大器3-2、第一四分之一波片3-3与第二0
°
全反
射镜3-4的中心点在同一水平线上。其中，第二偏振器3-1的主要作用为输出垂直线性偏振种子光；第一单通放大器3-2主要用于对通过光线进行放大；第一四分之一波片3-3用于改变所述种子光的偏振态；第二0
°
全反射镜3-4与种子光的传输方向呈90
°
夹角，在第二0
°
全反射镜表面镀有全反射膜，以确保入射激光全反射，并降低损耗，实现光路的改变，将入射光线全部反射的功能。种子光由第一光隔离器2射出后射入第一单通放大器3-2进行第一次放大，随后经过第一四分之一波片3-3射入第二0
°
全反射镜3-4，第二0
°
全反射镜3-4将入射的种子光全部反射，使该种子光再次通过第一四分之一波片3-3与第一单通放大器3-2，实现对种子光的双程放大，最后通过第二偏振器3-1处将偏振输出的大能量激光，通过第一二分之一波片4输入第二光隔离器5，第一二分之一波片4将大能量激光偏振状态转化为水平偏振态，以保证大能量激光可以通过光束质量优化模块6，第二光隔离器5的主要作用为确保入射光线单向通过，保护双程放大模块3。
27.如图4所示，光束质量优化模块6包括第三偏振器6-1、第二四分之一波片6-2、第一正透镜6-3与布里渊介质池6-4，第三偏振器6-1、第二四分之一波片6-2、第一正透镜6-3与布里渊介质池6-4中心点在同一水平线上；布里渊介质池(6-4)相对侧设有窗镜，窗镜与第一正透镜6-3的中心在同一水平线上，与水平面夹角为β。
28.其中，第三偏振器6-1的主要作用为与第二四分之一波片6-2相组合，用于改变激光偏振态，以控制激光偏振输出。大能量激光经第三偏振器6-1与第二四分之一波片6-2后射入第一正透镜6-3，通过第一正透镜6-3聚焦提升大能量激光功率密度，在焦点处产生电致伸缩效应激发声波场，产生stokes光，通过sbs-pcm达到光束质量优化的目的；布里渊介质池6-4的主要作用为发生受激布里渊散射，优化光束质量，产生后向输出的高光束质量stokes光。
29.具体的，所述第一正透镜6-3的焦距应满足如下约束条件：
[0030][0031]
其中d2为所述第一正透镜中心与窗镜入射点的距离，l为大能量激光与输出stokes光的最佳相互作用长度，且满足公式l＝cτ
p
/2n，l1为所述布里渊介质池的长度，且l＜l1，c为光速，τ
p
为双程放大后种子光的脉宽，n为受激布里渊散射介质折射率，d为窗镜玻璃厚度，α
′
为窗镜前表面折射角。
[0032]
如图5所示，为降低反射光对输出stokes光空间能量分布的影响以及避免前窗镜因激光聚焦发生损坏，窗镜倾斜角β应满足如下约束条件：
[0033][0034]
其中，第三偏振器6-1和水平方向的夹角为布儒斯特角θ，用于输出高光束质量的线性偏振光。
[0035]
如图6所示，入射光沿入射角α入射窗镜，由光疏介质入射光密介质产生折射角α'，满足n1sinα＝n2sinα'；窗镜后表面出射光沿α
″
角度进入布里渊介质池6-4，由光密介质入射光疏介质，窗镜后表面折射角α
″
满足n2sinα＜＝n3sinα
″
，布里渊介质池6-4中入射光线与水平方向夹角为(π/2-β-α
″
)。
[0036]
入射光在窗镜前表面折射进入玻璃后，在窗镜后表面发生反射，最终由前表面折
射输出，前表面入射率r和折射率t分别为：
[0037][0038][0039]
其中n1为空气折射率，n2为玻璃折射率。利用r和t计算通过窗镜进入布里渊介质池发生的损耗。
[0040]
综上所述，本实用新型提出高重复频率高光束质量的窄脉宽激光器，电光调q谐振腔产生高重频线偏振光，利用mopa+sbs-pcm的放大手段，实现了高重频、高光束质量的窄脉宽激光脉冲输出。
[0041]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。