一種低重頻高穩(wěn)定亞納秒脈沖綠激光產(chǎn)生裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低重頻高穩(wěn)定亞納秒脈沖綠激光產(chǎn)生裝置，包括M1、M2、M3和M4四個(gè)腔鏡，M1和M2之間依次設(shè)有激活介質(zhì)、起偏器、電光調(diào)制器和四分之一波片，電光調(diào)制器的重復(fù)率選擇低重頻1KHz；M3和M4之間依次設(shè)倍頻晶體和雙壁碳納米管被動(dòng)飽和吸收體；使主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖?；l紅外激光的重復(fù)率依賴于主動(dòng)電光調(diào)制的重復(fù)率、調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)的鎖模脈沖依賴于主動(dòng)調(diào)制和被動(dòng)飽和吸收；使調(diào)Q包絡(luò)的寬度小于基頻激光往返的時(shí)間，每個(gè)調(diào)Q包絡(luò)只有一個(gè)鎖模脈沖振蕩，基頻紅外光經(jīng)倍頻晶體倍頻變換后的綠激光為高穩(wěn)定、低重復(fù)頻率、亞納秒鎖模脈沖。本發(fā)明脈沖重復(fù)率低，具有高度穩(wěn)定性；脈沖的寬度為調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)鎖模脈寬亞納秒級(jí)，且具有高峰值功率。
【專利說(shuō)明】一種低重頻高穩(wěn)定亞納秒脈沖綠激光產(chǎn)生裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生低重復(fù)頻率、高穩(wěn)定、亞納秒脈沖綠激光的方法，屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]全固態(tài)短脈沖0.53 μ m綠激光在軍事、激光醫(yī)療、激光測(cè)量、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用。綠激光的脈沖寬度、重復(fù)率是激光應(yīng)用中重要的指標(biāo)，因?yàn)槊}沖寬度和重復(fù)率決定了光與物質(zhì)相互作用的時(shí)間及動(dòng)力學(xué)過(guò)程，低重復(fù)率不僅提高脈沖的峰值功率，而且在諸如熒光壽命測(cè)量中能夠增加壽命測(cè)量的范圍，因而受到人們極大的關(guān)注。
[0003]通過(guò)摻釹激活介質(zhì)產(chǎn)生的1.06 μ m的基頻紅外激光，利用非線性晶體的倍頻變換是獲得綠激光最常用的方法，且倍頻綠激光的特性依賴于基頻紅外激光。通常來(lái)說(shuō)，連續(xù)鎖模激光能夠產(chǎn)生皮秒(ps)和飛秒(fs)級(jí)的脈沖，脈沖的重復(fù)率依賴于腔長(zhǎng)，在MHz-GHz量級(jí)。主動(dòng)調(diào)Q激光能夠產(chǎn)生幾納秒到幾十納秒的脈沖,脈沖的重復(fù)率為kHz量級(jí)；被動(dòng)調(diào)Q激光可產(chǎn)生納秒級(jí)的脈沖，而微片被動(dòng)調(diào)Q激光的脈沖寬度可以窄到亞納秒級(jí)，但被動(dòng)調(diào)Q激光的單脈沖能量及脈沖的重復(fù)率均不穩(wěn)定；調(diào)Q鎖模是介于調(diào)Q和連續(xù)鎖模之間的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，調(diào)Q包絡(luò)的脈寬和重復(fù)率均與調(diào)Q激光相同，調(diào)Q包絡(luò)下的鎖模脈沖的脈寬為亞納秒級(jí)，其重復(fù)率與連續(xù)鎖模相同，但調(diào)Q包絡(luò)下的鎖模脈沖串個(gè)數(shù)眾多，單脈沖能量從包絡(luò)中心向外依次減小，穩(wěn)定性較差。因此，單一的連續(xù)鎖模、調(diào)Q或調(diào)Q鎖模技術(shù)，均難以獲得低重頻(幾KHz)亞納秒級(jí)脈沖紅外激光。基頻紅外激光源的缺失導(dǎo)致人們難以獲得低重復(fù)頻率亞納秒脈沖綠激光。
[0004]雙損耗調(diào)制是將兩種不同或相同的損耗調(diào)制相結(jié)合，并同時(shí)放入一諧振腔內(nèi)。依據(jù)不同的結(jié)合又可分為雙主動(dòng)損耗調(diào)制、主-被動(dòng)雙損耗調(diào)制、雙被動(dòng)損耗調(diào)制。與單損耗調(diào)制的激光相比，雙損耗調(diào)制的激光夠產(chǎn)生更窄的脈沖寬度、更高的峰值功率、更穩(wěn)定的脈沖。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙損耗調(diào)制的調(diào)Q激光能夠比單損耗調(diào)制的調(diào)Q激光產(chǎn)生更窄的脈沖寬度、更對(duì)稱的波形、更高的峰值功率，主被動(dòng)和雙被動(dòng)連續(xù)鎖模激光能夠產(chǎn)生更穩(wěn)定的鎖模脈沖，雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模激光峰值功率大幅度提高、穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。眾所周知，主動(dòng)損耗調(diào)Q產(chǎn)生的短脈沖激光重復(fù)率穩(wěn)定、易于控制，而飽和吸收體被動(dòng)鎖模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。因此，基于主-被動(dòng)雙損耗調(diào)制技術(shù)能夠利用兩種損耗調(diào)制的特點(diǎn)，能夠產(chǎn)生單損耗調(diào)制難以獲得的理想調(diào)制的基頻激光脈沖，如果再利用非線性晶體的倍頻變換，有望獲得期望的綠激光脈沖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有單一的連續(xù)鎖模、調(diào)Q或調(diào)Q鎖模技術(shù)難以獲得低重頻、高穩(wěn)定性、亞納秒級(jí)脈沖綠激光的問(wèn)題，基于主-被動(dòng)雙損耗調(diào)制技術(shù)，利用非線性晶體的倍頻變換，提出一種低重頻高穩(wěn)定亞納秒脈沖綠激光產(chǎn)生裝置。
[0006]本發(fā)明的低重頻高穩(wěn)定亞納秒脈沖綠激光產(chǎn)生裝置，采用以下技術(shù)方案:[0007]該裝置為四個(gè)腔鏡構(gòu)成的Z型諧振腔，四個(gè)腔鏡分別為第一基頻光全反射平面鏡M1、第二基頻光全反射凹面鏡M2、第三基頻光全反倍頻光高透凹面鏡M3和第四基頻光和倍頻光全反平面鏡M4, M1和M2之間依次設(shè)有激活介質(zhì)、起偏器、電光調(diào)制器和四分之一波片，電光調(diào)制器的重復(fù)率選擇低重頻IKHz ;M3和]?4之間依次設(shè)倍頻晶體和雙壁碳納米管被動(dòng)飽和吸收體，雙壁碳納米管置于貼近M4處，以獲得最小振蕩基頻激光光斑半徑；倍頻晶體為非線性晶體KTP。
[0008]上述裝置將電光調(diào)制器和雙壁碳納米管被動(dòng)飽和吸收體同時(shí)放入諧振腔內(nèi)，使諧振腔內(nèi)振湯的1.06 μ m波長(zhǎng)紅外激光為王被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖I旲激光運(yùn)轉(zhuǎn)；將倍頻晶體(非線性晶體KTP)置入諧振腔內(nèi)，依據(jù)非線性晶體的內(nèi)腔頻率變換原理，獲得基頻紅外光倍頻后的0.53 μ m波長(zhǎng)綠激光脈沖，倍頻綠激光由M3輸出，調(diào)整M1和M2兩者之間的距離L1J2和M3的距離L2、M3和M4的距離L3以及M2和M3的曲率半徑，使主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模基頻激光的重復(fù)率依賴于電光調(diào)制器的重復(fù)率、調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)的鎖模脈沖依賴于電光調(diào)制器和雙壁碳納米管被動(dòng)飽和吸收；由于調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)相鄰兩鎖模脈沖的時(shí)間間隔等于振蕩基頻激光在腔內(nèi)往返的時(shí)間，調(diào)Q包絡(luò)的寬度決定了調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)基頻鎖模脈沖振蕩的個(gè)數(shù)，依據(jù)激活介質(zhì)、飽和吸收體初始透過(guò)率、電光調(diào)制器的重復(fù)率、諧振腔的參數(shù)、泵浦功率的選擇，使調(diào)Q包絡(luò)的寬度小于基頻激光在諧振腔內(nèi)的往返時(shí)間，使每個(gè)調(diào)Q包絡(luò)只有一個(gè)鎖模脈沖振蕩，鎖模脈沖的重復(fù)率等于主動(dòng)電光調(diào)制的重復(fù)率，經(jīng)倍頻晶體倍頻后即能產(chǎn)生高穩(wěn)定、低重復(fù)頻率、亞納秒鎖模綠脈沖激光。
[0009]激光裝置的諧振腔優(yōu)化參數(shù)依據(jù)如下條件:
[0010](I)電光調(diào)制器重復(fù)率越低，調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度越窄；
[0011](2)諧振腔越長(zhǎng)，參與激光振蕩的縱模數(shù)越多，容易實(shí)現(xiàn)鎖?；l激光運(yùn)轉(zhuǎn)，且相鄰兩鎖模的時(shí)間間隔越長(zhǎng)，但長(zhǎng)腔調(diào)Q包絡(luò)的脈寬較寬；
[0012](3)DWCNT-SAs飽和吸收體處較`小的光斑半徑易達(dá)到飽和吸收，但光斑強(qiáng)度需小于損傷閾值；
[0013](4)倍頻晶體的轉(zhuǎn)換效率依賴其長(zhǎng)度，但長(zhǎng)的晶體離散效應(yīng)嚴(yán)重；
[0014](5)由于調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)相鄰兩鎖模脈沖的時(shí)間間隔等于振蕩基頻激光在腔內(nèi)往返的時(shí)間，調(diào)Q包絡(luò)脈沖寬度越窄，每一個(gè)調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)振蕩的鎖模脈沖個(gè)數(shù)越少。
[0015]激光裝置的優(yōu)化諧振腔參數(shù)達(dá)到的目的:
[0016](I)諧振腔內(nèi)振蕩的基頻激光為主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)，其調(diào)Q包絡(luò)的重復(fù)率依賴于主動(dòng)電光調(diào)制的重復(fù)率、調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)的鎖模脈沖依賴于主動(dòng)電光調(diào)制和DffCNT-SAs被動(dòng)飽和吸收，其倍頻綠激光的特性依賴基頻激光特性。
[0017](2)在一定的泵浦功率下，調(diào)Q包絡(luò)的寬度小于基頻激光在腔內(nèi)的往返時(shí)間，確保每個(gè)調(diào)Q包絡(luò)只有一個(gè)鎖模脈沖振蕩，以確保倍頻的綠激光調(diào)Q包絡(luò)也只有一個(gè)鎖模綠脈沖，且為低重頻亞納秒鎖模脈沖。
[0018](3)實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖?；l激光每個(gè)調(diào)Q包絡(luò)只有一個(gè)鎖模脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，鎖模脈沖的重復(fù)率等于主動(dòng)電光調(diào)制的重復(fù)率，脈沖寬度為亞納秒級(jí)，致使倍頻的綠激光為低重頻亞納秒鎖模脈沖。
[0019]本發(fā)明利用主動(dòng)電光調(diào)制的低重復(fù)率和高穩(wěn)定性、雙壁碳納米管飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q鎖模亞納秒的脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)低重頻亞納秒鎖模基頻紅外激光運(yùn)轉(zhuǎn)，依據(jù)非線性晶體的倍頻變換，獲得其綠激光脈沖，這種綠脈沖激光的運(yùn)轉(zhuǎn)具有鮮明的特點(diǎn)，脈沖的重復(fù)率等于電光調(diào)制器的重復(fù)率1kHz，不僅重復(fù)率低，而且具有高度穩(wěn)定性；脈沖的寬度為調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)鎖模脈沖的寬度為亞納秒級(jí)，并具有高峰值功率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的四鏡諧振腔裝置的示意圖。
[0021]圖2是平均輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系示意圖。
[0022]圖3是鎖模脈沖能量隨泵浦功率的變化關(guān)系示意圖。
[0023]圖4是鎖模脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系示意圖。
[0024]圖5是示波器記錄的泵浦功率為15.3W單一綠激光鎖模脈沖的波形。
[0025]圖6是示波器記錄的泵浦功率為15.3W亞納秒綠激光鎖模脈沖序列示意圖。
【具體實(shí)施方式】[0026]本發(fā)明是采用主動(dòng)電光調(diào)Q-飽和吸收體雙壁碳納米管(DWCNT-SAs)被動(dòng)鎖模的雙損耗調(diào)制技術(shù)及非線性晶體的倍頻變換，利用電光調(diào)制開關(guān)速度快、調(diào)Q脈寬窄、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，DffCNT-SAs飽和吸收體價(jià)格低、易于生長(zhǎng)控制、寬的飽和吸收波段的優(yōu)點(diǎn)，將電光調(diào)制器和DWCNT-SAs飽和吸收體同時(shí)放入諧振腔內(nèi)，通過(guò)諧振腔內(nèi)振蕩的基頻紅外激光(1.06 μ m波長(zhǎng))紅外激光為主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)，并依據(jù)激光專職的諧振腔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其調(diào)Q鎖?；l激光的重復(fù)率依賴于主動(dòng)電光調(diào)制的重復(fù)率、調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)的鎖模脈沖依賴于主動(dòng)電光調(diào)制和DWCNT-SAs被動(dòng)飽和吸收。由于調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)相鄰兩鎖模脈沖的時(shí)間間隔等于振蕩激光在腔內(nèi)往返的時(shí)間，調(diào)Q包絡(luò)的寬度決定了調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)鎖模脈沖振蕩的個(gè)數(shù)，依據(jù)激活介質(zhì)、DffCNT-SAs飽和吸收體、主動(dòng)調(diào)制器重復(fù)率、腔參數(shù)、泵浦功率的選擇，使調(diào)Q包絡(luò)的寬度小于激光在腔內(nèi)的往返時(shí)間，確保基頻紅外激光每個(gè)調(diào)Q包絡(luò)只有一個(gè)鎖模脈沖振蕩，鎖模脈沖的重復(fù)率等于主動(dòng)電光調(diào)制的重復(fù)率，脈沖寬度為亞納秒級(jí)，依據(jù)非線性晶體的內(nèi)腔頻率變換原理，倍頻后的綠激光(0.53 μ m波長(zhǎng))為低重頻亞納秒鎖模脈沖。
[0027]本發(fā)明采用圖1所示的四鏡諧振腔裝置，四個(gè)腔鏡為第一基頻光全反射平面鏡M1、第二基頻光全反射凹面鏡M2、第三基頻光全反倍頻光高透凹面鏡M3、第四基頻光和倍頻光全反平面鏡M4,綠激光由M3輸出^和M2之間依次設(shè)有激光晶體(激活介質(zhì))、起偏器(偏振片)、電光(EO)調(diào)制器和四分之一波片，M3和M4之間依次設(shè)倍頻晶體和雙壁碳納米管(DWCNT-SAs)被動(dòng)飽和吸收體。M2曲率半徑為500mm，M3曲率半徑為100mm。激光晶體(作為激光介質(zhì))為Nd = Lua5Ya5VO4 (2.5at.%Nd-doped, 3X 3X IOmm3)混合晶體，其較寬的熒光線寬有利于調(diào)Q鎖模激光振蕩。M1和M2之間的距離L1為555mm，M2和M3之間的距離L2為800mm, M3和M4之間的距離L3為55mm,整個(gè)腔長(zhǎng)為1400mm。
[0028]采用激光二極管作為泵浦源，激光二極管與第一全反射平面鏡M1之間設(shè)置兩個(gè)凸透鏡組成耦合系統(tǒng)，泵浦光聚焦到激活介質(zhì)(激光晶體)中，聚焦后泵浦光的光斑半徑與諧振腔模相匹配。電光調(diào)制器作為主動(dòng)調(diào)制損耗，電光晶體為BBO晶體，電光調(diào)制器的重復(fù)率為1kHz。倍頻晶體為KTP晶體，II相位匹配切割，尺寸為3X3X3mm3 ；DWCNT-SAs作為被動(dòng)飽和吸收體，其初始透過(guò)率為85.6%,該飽和吸收體的調(diào)制度為7%，飽和通量為80 μ J/cm2,非飽和損耗為6.5%，將DWCNT-SAs置于貼近M4處，以獲得最小振蕩激光光斑半徑。主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模綠激光的閾值功率2W，泵浦光一旦超過(guò)閾值功率，便可獲得穩(wěn)定的雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模綠激光，其調(diào)Q包絡(luò)的重復(fù)率等于電光調(diào)制的重復(fù)率IkHz ;隨泵浦功率的增加，雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模調(diào)Q包絡(luò)的脈沖寬度減少，相應(yīng)的調(diào)Q包絡(luò)鎖模脈沖個(gè)數(shù)減少，當(dāng)泵浦功率達(dá)6W后，每個(gè)調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)只有一個(gè)鎖模脈沖，即可產(chǎn)生高穩(wěn)定、低重復(fù)頻率、亞納秒鎖模綠脈沖激光。
[0029]低重復(fù)頻率、亞納秒鎖模綠脈沖激光的平均輸出功率和脈沖寬度可由功率計(jì)和存儲(chǔ)示波器測(cè)量，其單脈沖能量可由重復(fù)率和平均輸出功率計(jì)算。圖2和圖3分別顯示了平均輸出功率和單脈沖能量隨泵浦功率的變化關(guān)系。圖2和圖3表明，平均輸出功率和單脈沖能量均隨泵浦功率的增加而增加。
[0030]圖4表明了脈沖寬度隨泵浦功率的變化關(guān)系。圖4表明，脈沖寬度為亞納秒級(jí)，且脈寬隨泵浦功率的增加而變窄。當(dāng)泵浦功率為15.3W時(shí)，脈寬為500ps。圖5顯示了該脈寬示波器記錄的波形。
[0031]圖6顯示了示波器記錄的泵浦功率為15.3W亞納秒綠激光鎖模脈沖序列示意圖，圖6表明，脈沖的重復(fù)率為低重頻1kHz，鎖模脈沖的振幅高度穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種低重頻高穩(wěn)定亞納秒脈沖綠激光產(chǎn)生裝置，為四個(gè)腔鏡構(gòu)成的Z型諧振腔，四個(gè)腔鏡分別為第一基頻光全反射平面鏡M1、第二基頻光全反射凹面鏡M2、第三基頻光全反倍頻光高透凹面鏡M3和第四基頻光和倍頻光全反平面鏡M4,其特征是=M1和M2之間依次設(shè)有激活介質(zhì)、起偏器、電光調(diào)制器和四分之一波片，電光調(diào)制器的重復(fù)率選擇低重頻IKHz ；M3和M4之間依次設(shè)倍頻晶體和雙壁碳納米管被動(dòng)飽和吸收體，雙壁碳納米管置于貼近M4處，以獲得最小振蕩基頻激光光斑半徑；倍頻晶體為非線性晶體KTP ； 上述裝置將電光調(diào)制器和雙壁碳納米管被動(dòng)飽和吸收體同時(shí)放入諧振腔內(nèi)，使諧振腔內(nèi)振蕩的1.06 μ m波長(zhǎng)紅外激光為主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖模激光運(yùn)轉(zhuǎn)；將倍頻晶體置入諧振腔內(nèi)，依據(jù)非線性晶體的內(nèi)腔頻率變換原理，獲得基頻紅外激光倍頻后的0.53 μ m波長(zhǎng)綠激光脈沖，倍頻綠激光由M3輸出，調(diào)整M1和M2兩者之間的距離U、M2和M3的距離L2> M3和M4的距離L3以及M2和M3的曲率半徑，使主被動(dòng)雙損耗調(diào)制的調(diào)Q鎖?；l紅外激光的重復(fù)率依賴于電光調(diào)制器的重復(fù)率、調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)的鎖模脈沖依賴于電光調(diào)制器和雙壁碳納米管被動(dòng)飽和吸收；由于調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)相鄰兩鎖模脈沖的時(shí)間間隔等于振蕩基頻激光在腔內(nèi)往返的時(shí)間，調(diào)Q包絡(luò)的寬度決定了調(diào)Q包絡(luò)內(nèi)基頻鎖模脈沖振蕩的個(gè)數(shù)，依據(jù)激活介質(zhì)、飽和吸收體初始透過(guò)率、電光調(diào)制器的重復(fù)率、諧振腔的參數(shù)、泵浦功率的選擇，使調(diào)Q包絡(luò)的寬度小于基頻激光在諧振腔內(nèi)的往返時(shí)間，使每個(gè)調(diào)Q包絡(luò)只有一個(gè)鎖模脈沖振蕩，鎖模脈沖的重復(fù)率等于主動(dòng)電光調(diào)制的重復(fù)率，經(jīng)倍頻晶體倍頻后即能產(chǎn)生高穩(wěn)定、低重復(fù)頻率、亞納秒鎖模綠脈沖激光。
【文檔編號(hào)】H01S3/08GK103500921SQ201310500617
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】趙佳, 趙圣之, 楊克建, 張海娟 申請(qǐng)人:山東大學(xué)