阅读说明：本技术 单纵模与非单纵模双波长激光交替调q输出方法及激光器 (Single-longitudinal-mode and non-single-longitudinal-mode dual-wavelength laser alternate Q-switching output method and laser ) 是由 金光勇 董渊 金龙 陈薪羽 于永吉 于 2019-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法及激光器,该激光器包括：第一泵浦源、第一激光增益介质、起偏器、第二泵浦源、第二激光增益介质、第一激光全反射镜、第二激光全反射镜、四分之一波片、电光调Q晶体和激光输出镜,当电光调Q晶体迅速加压时,输出第二波长非单纵模激光,当电光调Q晶体阶跃式退压时,输出第一波长单纵模激光。本发明方案可以获得较宽波长范围的双波长激光、较大的波长间差值,在输出脉冲序列上呈现出单纵模与非单纵模双波长脉冲交替状态,并且激光增益介质的种类不受限定。(The invention discloses a single longitudinal mode and non-single longitudinal mode dual-wavelength laser alternative Q-switching output method and a laser, wherein the laser comprises the following components: the laser comprises a first pumping source, a first laser gain medium, a polarizer, a second pumping source, a second laser gain medium, a first laser holophote, a second laser holophote, a quarter-wave plate, an electro-optic Q-switched crystal and a laser output mirror. The scheme of the invention can obtain the dual-wavelength laser with a wider wavelength range and a larger difference value between the wavelengths, and the single longitudinal mode and non-single longitudinal mode dual-wavelength pulse alternating state is presented on the output pulse sequence, and the type of the laser gain medium is not limited.)

单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法及激光器

技术领域

本发明涉及固体激光器领域，特别是一种单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法及激光器。

背景技术

双波长脉冲激光器在激光测距、环境监测、激光遥感、激光雷达方面已经得到了广泛的应用。非单纵模脉冲激光与单纵模脉冲激光相比，非单纵模脉冲激光虽然线宽较宽，但是往往能够获得较大的脉冲能量输出，非单纵模脉冲双波长激光能够在上述技术领域实现超远距离探测。单纵模脉冲激光具有较窄的线宽，是超高精度和超高敏感度探测的探测光源，并且激光的线宽越窄，测量精度越高。但是由于激光谐振腔内需要***额外的元件才能获得，因此其输出能力往往低于非单纵模脉冲激光。因此，若双波长脉冲激光分别为非单纵模脉冲激光与单纵模脉冲激光时，能够在激光测距、环境监测、激光遥感、激光雷达等技术领域实现超远距离的粗探测、近距离时的高精度探测。现有的普通调Q双波长激光器主要是采用单一激光增益介质来获得双波长激光同时输出。然而，当两种波长激光在同一增益介质中产生时，跃迁谱线之间存在着激烈的增益竞争，影响了激光输出的稳定性；另外，要通过对输出镜透过率的精确设计来保证两种波长激光具有相同的阈值，这将给输出镜的膜系带来极大的挑战；再者，输出的双波长激光多数为非单纵模激光，还无法实现非单纵模和单纵模脉冲激光输出。

目前，公开报道的双波长激光器中主要以双波长激光同时输出为主，其中与本发明相关的一种已知技术由张强等人所公开(张强，姚建铨，温伍麒，等.高功率激光二极管抽运Nd：YAG连续双波长激光器[J].中国激光，2006，33(5)：577-581.)，其所采用的结构如图1所示。图中，101为1064nm激光谐振腔全反镜，102为1319nm激光谐振腔全反镜，103为Nd：YAG激光晶体，104为LD Bar条，105为1319nm激光谐振腔输出镜，106为1064nm激光谐振腔输出镜。但是已知技术存在以下四方面不足：其一，1064nm和1319nm两种波长激光由同一激光晶体产生，相互之间存在着激烈的增益竞争关系，从而影响了激光器运转的稳定性；其二，两种波长激光为同时连续运转，不能够实现交替输出；其三，两种波长激光均为非单纵模输出，该结构方案无法实现一种波长激光为单纵模、另一种波长激光为非单纵模的双波长脉冲激光交替输出；其四，双波长激光之间的波长差值受到激光晶体种类的限制。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法及激光器。

根据本发明的一方面，提出一种单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出激光器，所述激光器包括：第一泵浦源、第一激光增益介质、起偏器、第二泵浦源、第二激光增益介质、第一激光全反射镜、第二激光全反射镜、四分之一波片、电光调Q晶体和激光输出镜，其中：

所述第一泵浦源置于所述第一激光增益介质的前方，用于为所述第一激光增益介质提供脉冲泵浦光；

所述第二泵浦源置于所述第二激光增益介质的前方，用于为所述第二激光增益介质提供脉冲泵浦光；

所述第一激光全反射镜、第一激光增益介质、起偏器、电光调Q晶体以及激光输出镜构成第一波长λ₁激光谐振腔；

所述第二激光全反射镜、第二激光增益介质、四分之一波片、第一激光全反射镜、第一激光增益介质、起偏器、电光调Q晶体以及激光输出镜构成第二波长λ₂激光谐振腔；

当电光调Q晶体阶跃式退压时，输出λ₁波长单纵模激光，当电光调Q晶体迅速加压时，输出λ₂波长非单纵模激光，周期性对电光调Q晶体进行迅速加压和阶跃式退压，所述激光器交替输出双波长非单纵模和单纵模激光。

可选地，所述第一激光增益介质与第二激光增益介质共轴放置，且与激光输出方向一致。

可选地，所述第二激光全反射镜置于第二激光增益介质的一侧，所述四分之一波片置于第二激光增益介质的另一侧；

可选地，所述第一激光全反射镜置于四分之一波片和第一激光增益介质之间，所述起偏器置于第一激光增益介质和电光调Q晶体之间。

可选地，所述电光调Q晶体和激光输出镜依次置于所述起偏器远离第一激光增益介质的一侧。

可选地，所述激光器还包括第一激光电源和第二激光电源，其中：

所述第一激光电源与所述第一泵浦源连接，用于为所述第一泵浦源提供电源；

所述第二激光电源与所述第二泵浦源连接，用于为所述第二泵浦源提供电源。

可选地，所述激光器还包括调Q模块，所述调Q模块与电光调Q晶体、第一激光电源、第二激光电源连接，用于为电光调Q晶体施加调Q驱动信号。

可选地，所述调Q驱动信号为阶跃式高压信号。

可选地，所述激光器还包括第一温控系统、第二温控系统和中央控制系统，其中：

所述第一温控系统和第二温控系统分别放置于所述第一激光增益介质和第二激光增益介质的后方，与所述中央控制系统连接，用于根据中央控制系统的指令控制激光器的工作温度；

所述中央控制系统与第一激光电源、第二激光电源、第一温控系统、第二温控系统和调Q模块连接，用于对第一激光电源、第二激光电源和调Q模块进行统一控制。

根据本发明的另一方面，提出一种单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法，应用于如上所述的激光器中，所述方法包括：

对电光调Q晶体施加四分之一第一波长电压；

第一泵浦源对第一激光增益介质进行脉冲泵浦，第一波长激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质处于粒子数反转状态，当第一激光增益介质的反转粒子数达到最大时，电光调Q晶体处于阶跃式退压，施加在电光调Q晶体上的电压变为零，输出第一波长单纵模激光；

第二泵浦源对第二激光增益介质进行脉冲泵浦，施加在电光调Q晶体上的电压为零，第二波长激光谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质处于粒子数反转状态，当第二激光增益介质的反转粒子数达到最大时，对电光调Q晶体迅速施加四分之一第二波长电压值，输出第二波长非单纵模激光；

周期性重复电光调Q晶体迅速加压和阶跃式退压状态，得到交替调Q输出的双波长单纵模和非单纵模激光。

本发明提出了一种能够获得单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法及激光器，本发明方案可以获得较宽波长范围的双波长激光、较大的波长间差值，在输出脉冲序列上呈现出单纵模与非单纵模双波长脉冲交替状态，并且激光增益介质的种类不受限定。该激光器采用双泵浦源交替泵浦双激光增益介质，两个激光增益介质轮流工作，这样在高泵浦功率条件下能够极大地降低激光器的热效应。除此之外，在对电光调Q晶体施加一次调Q脉冲信号的情况下，就可以实现单纵模与非单纵模两个脉冲激光输出，进而为高重频单纵模与非单纵模激光的交替输出提供一种有效途径。

附图说明

图1是在先技术的双波长激光器的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出激光器的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的各驱动信号时序及形成激光时刻示意图；

图4是根据本发明一实施例的单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出激光器的脉冲序列示意图；

图5是根据本发明一实施例的单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图2是根据本发明一实施例的单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出激光器的结构示意图，如图2所示，所述单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出激光器包括：第一泵浦源15、第一激光增益介质5、起偏器3、第二泵浦源11、第二激光增益介质10、第一激光全反射镜6、第二激光全反射镜9、四分之一波片7、电光调Q晶体2和激光输出镜1，其中：

所述第一泵浦源15置于所述第一激光增益介质5的前方，用于为所述第一激光增益介质5提供脉冲泵浦光；

所述第二泵浦源11置于所述第二激光增益介质10的前方，用于为所述第二激光增益介质10提供脉冲泵浦光；

所述第一激光全反射镜6、第一激光增益介质5、起偏器3、电光调Q晶体2以及激光输出镜1构成第一波长λ₁激光谐振腔；

所述第二激光全反射镜9、第二激光增益介质10、四分之一波片7、第一激光全反射镜6、第一激光增益介质5、起偏器3、电光调Q晶体2以及激光输出镜1构成第二波长λ₂激光谐振腔。

在该实施方式中，电光调Q晶体2所在的两个谐振腔共用一个激光输出镜1，其目的是为了实现激光共轴输出，当电光调Q晶体2阶跃式退压时，输出λ₁波长单纵模激光，当电光调Q晶体2迅速加压时，输出λ₂波长非单纵模激光。其中，迅速加压时加的是方波电压，上升时间、下降时间均小于10纳秒。

在本发明一实施方式中，所述第一泵浦源15和第二泵浦源11均为半导体泵浦源。

在本发明一实施方式中，所述激光器还包括第一激光电源14和第二激光电源12，其中：

所述第一激光电源14与所述第一泵浦源15连接，用于为所述第一泵浦源15提供电源；

所述第二激光电源12与所述第二泵浦源11连接，用于为所述第二泵浦源11提供电源。

其中，所述第一激光电源14和第二激光电源12可以为独立设置的电源，也可以为同一个整体电源。

即所述第一激光增益介质5、第二激光增益介质10的泵浦源分别为第一泵浦源15和第二泵浦源11，这两个泵浦源分别由第一激光电源14和第二激光电源12来供电。

在本发明一实施方式中，所述第一激光增益介质5与第二激光增益介质10共轴放置，且与激光输出方向一致。

在本发明一实施方式中，所述第二激光全反射镜9置于第二激光增益介质10的一侧，所述四分之一波片7置于第二激光增益介质10的另一侧；

在本发明一实施方式中，所述第一激光全反射镜6置于四分之一波片7和第一激光增益介质5之间，所述起偏器3置于第一激光增益介质5和电光调Q晶体2之间。

在本发明一实施方式中，所述电光调Q晶体2和激光输出镜1依次置于所述起偏器3远离第一激光增益介质5的一侧。

在本发明一实施方式中，所述电光调Q晶体2所采用的晶体为LN、KD*P、KDP、LiNbO₃等电光晶体。

在本发明一实施方式中，所述激光器还包括调Q模块16，所述调Q模块16与电光调Q晶体2、第一激光电源14、第二激光电源12连接，用于为电光调Q晶体2施加调Q驱动信号。

在本发明一实施方式中，所述激光器还包括第一温控系统4、第二温控系统8和中央控制系统13，其中：

所述第一温控系统4和第二温控系统8分别放置于所述第一激光增益介质5和第二激光增益介质10的后方，与所述中央控制系统13连接，用于根据中央控制系统13的指令控制激光器的工作温度；

所述中央控制系统13与第一激光电源14、第二激光电源12、第一温控系统4、第二温控系统8和调Q模块16连接，用于对第一激光电源14、第二激光电源12和调Q模块16进行统一控制，比如控制第一激光电源14、第二激光电源12以及调Q模块16的触发与延时，控制所述第一温控系统4和第二温控系统8调节所述激光器的工作温度等。

其中，所述调Q驱动信号为阶跃式高压信号，其下降沿为双台阶形式，如图3所示，所述调Q驱动信号的上升沿采取迅速上升方式、下降沿采用阶跃信号形式，其主要目的是在调Q驱动信号的上升沿阶段获得脉冲能量相对较高的窄脉宽非单纵模脉冲激光输出，而在调Q驱动信号的下降阶段利用预激光技术获得另一波长激光的单纵模脉冲激光输出。预激光技术的工作过程从时序上来说可以将其分为以下三个阶段：

a.种子光形成阶段

不同于一般的调Q技术，预激光技术使用的信号发生器为双台阶信号发生器，其产生信号为随时间变化的周期性阶跃式电压信号。在高电压状态下，腔内调Q损耗较高，激光器内部进行反转粒子积累；在高电压向低电压调节的过程中，腔内Q损耗由高变低。此时，部分反转粒子从高能级跃迁到低能级并产生光子形成种子光。

b.模式竞争阶段

在低电压施加于调Q晶体时，腔内损耗为较低值。延长低电压持续时间，则种子光将因不同模式间增益与损耗差值的存在而进行自然选模过程。同时又因为中心模式的单程增益略大于邻模、中心模式的单程损耗略小于邻模，所以随着模式竞争过程的持续，其邻模将随持续时间的增加而逐渐消失，最终形成只有中心模式的单纵模种子光。

c.输出过程

完全打开调Q开关，则大量反转粒子从高能级跃迁到低能级，并形成巨脉冲激光。其中单纵模种子光的强度量级远大于噪声，这使得种子光可以代替噪声作为激光的初始起振“噪声”，从而将自己放大并再一次抑制其他模式，形成单纵模脉冲激光。

本发明提出的单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出激光器是在有效结合退压式和加压式电光调Q原理的基础上而实现的。即当电光调Q晶体2阶跃式退压时，可以实现第一波长λ₁单纵模激光调Q输出，而当电光调Q晶体2迅速加压时，则可以实现第二波长λ₂非单纵模激光调Q输出，如此周期性的对电光调Q晶体2进行迅速加压和阶跃式退压，就可以实现单纵模与非单纵模双波长激光调Q脉冲交替输出。

具体地，所述单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出激光器的具体工作原理为：当对电光调Q晶体2施加四分之一λ₁波长电压的过程中，第一激光增益介质5的第一泵浦源15对第一激光增益介质5进行脉冲泵浦，由于λ₁波长激光经过起偏器3变成线偏振光，在外加电场的作用下，往返两次经过电光调Q晶体2后，原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转，在起偏器3处偏振方向与其透射方向正交而被反射出谐振腔外，无法在谐振腔内形成振荡，从而使得第一波长谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质5处于粒子数反转(储能)状态；此时，第二激光增益介质10的第二泵浦源11处于间歇状态。当第一激光增益介质5的反转粒子数达到最大时，施加在电光调Q晶体2上的电压降低一部分，处于图3中的A阶段，即当电光调Q晶体2阶跃式退压时，在这阶段中形成λ₁波长激光的种子光，并经过充分的模式竞争，形成λ₁波长单纵模种子激光。在λ₁波长单纵模种子激光形成后，施加在电光调Q晶体2上的电压降为零，λ₁波长单纵模种子激光得以放大，最终形成λ₁波长单纵模激光输出。

在下一时刻，第二泵浦源11对第二激光增益介质10进行脉冲泵浦，第一激光增益介质5的第一泵浦源15处于间歇状态，而施加在电光调Q晶体2上的电压为零。在激光波长λ₂的谐振腔内四分之一波片7的作用下，往返经过电光调Q晶体2的偏振光的偏振方向旋转了90度，这样就使得在起偏器3处与其透射方向正交，从而使得第二激光增益介质10的谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质10处于粒子数反转(储能)状态。当第二激光增益介质10的反转粒子数达到最大时储能达到峰值，对电光调Q晶体2迅速施加四分之一λ₂波长电压值，处于图3中的B阶段，在这阶段中λ₂波长激光因腔内损耗最低，腔内激光迅速被增益放大而能够获得脉冲宽度较窄的巨脉冲激光输出，即形成λ₂波长非单纵模激光调Q输出。

如此往复下去，则能获得如图4所示的单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出序列，图4中s表示单纵模脉冲激光，m表示非单纵模脉冲激光。

在本发明一实施例中，所述第一激光增益介质5为Nd：YAG晶体，尺寸为Φ4×50mm³，两端镀1319nm增透膜(T＞99％)；第二激光增益介质10为Nd：YVO₄晶体，尺寸为Φ4×50mm³，两端镀1064nm增透膜(T＞99％)。第一激光全反射镜6为平-凹镜，且凹面镀1319nm高反射率膜(R＞99％)，第二激光全反镜9为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1064nm高反射率膜(R＞99％)，激光输出镜1为平-平镜，且靠近腔内的一面镀1319nm&1064nm部分透过率膜，其中，1319nm波长激光的透射率为4％，1064nm波长激光的透射率为6％，外侧镀1319nm&1064nm激光的抗反膜。起偏器3镀1319nm&1064nm激光布儒斯特角增透膜，且两波长激光的透射率均高于98％。四分之一波片7对应波长为1064nm，且两通光面镀1064nm增透膜(T＞98％)。第一泵浦源15、第二泵浦源11均为808nm激光二极管组成的条形阵列。第一温控系统4和第二温控系统8可控制激光系统在25℃室温下工作，中央控制系统13主要控制第一激光电源14、第二激光电源12以及调Q模块16的触发与延时。施加在第一激光电源14、第二激光电源12以及调Q模块16各信号的时序如图3所示。其中，V₁为激励第一泵浦源15的波形，V₂为激励第二泵浦源11的波形，V_Q为施加在电光调Q晶体2上的电压波形。对于图2中所示的激光器结构方案而言，退压时将产生波长为λ₁的调Q单纵模激光输出，加压时则产生波长为λ₂的调Q非单纵模激光输出。从整个时间序列上来看，则将会产生如图4所示的单纵模与非单纵模双波长激光交替输出的脉冲序列。

根据本发明的另一方面，还提出一种单纵模与非单纵模双波长激光交替调Q输出方法，如图5所示，所述方法包括步骤S501-S504：

在步骤S501中，对电光调Q晶体2施加四分之一第一波长电压；

在步骤S502中，第一泵浦源15对第一激光增益介质5进行脉冲泵浦，第一波长激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质5处于粒子数反转状态，当第一激光增益介质5的反转粒子数达到最大时，电光调Q晶体2处于阶跃式退压，施加在电光调Q晶体2上的电压变为零，输出第一波长单纵模激光；

在步骤S503中，第二泵浦源11对第二激光增益介质10进行脉冲泵浦，施加在电光调Q晶体2上的电压为零，第二波长激光谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质10处于粒子数反转状态，当第二激光增益介质10的反转粒子数达到最大时，对电光调Q晶体2迅速施加四分之一第二波长电压值，输出第二波长非单纵模激光；

在步骤S504中，周期性重复电光调Q晶体2迅速加压和阶跃式退压状态，得到交替调Q输出的双波长单纵模和非单纵模激光。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。