阅读说明：本技术 单纵模与非单纵模双脉冲激光交替调q输出方法及激光器 (Single longitudinal mode and non-single longitudinal mode double-pulse laser alternate Q-switching output method and laser ) 是由 董渊 刘宇 李述涛 王超 金光勇 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脉冲激光交替调Q输出方法及激光器,该激光器包括：激光输出镜、电光调Q晶体、起偏器、45°反射镜、第一激光增益介质、第一激光全反射镜、第一耦合透镜组、第一光纤、第一泵浦源、四分之一波片、第二激光增益介质、第二激光全反射镜、第二耦合透镜组、第二光纤和第二泵浦源,当电光调Q晶体迅速加压时,所述激光器输出非单纵模激光,当电光调Q晶体阶跃式退压时,所述激光器输出单纵模激光。本发明不仅能够输出双脉冲激光,而且所输出的脉冲序列从时间上来看为单纵模与非单纵模交替输出的。(The invention discloses a single longitudinal mode and non-single longitudinal mode double-pulse laser alternative Q-switched output method and a laser, wherein the laser comprises: the laser comprises a laser output mirror, an electro-optic Q-switched crystal, a polarizer, a 45-degree reflector, a first laser gain medium, a first laser holophote, a first coupling lens group, a first optical fiber, a first pumping source, a quarter-wave plate, a second laser gain medium, a second laser holophote, a second coupling lens group, a second optical fiber and a second pumping source. The invention can not only output double-pulse laser, but also output pulse sequence which is alternately output by a single longitudinal mode and a non-single longitudinal mode in terms of time.)

单纵模与非单纵模双脉冲激光交替调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脉冲激光交替调Q输出方法及激光器。

背景技术

双脉冲激光在激光测距、环境监测、激光遥感、激光雷达方面具有十分广泛的需求。非单纵模脉冲激光与单纵模脉冲激光相比，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，当双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。目前，公开报道的双脉冲激光器主要以非单纵模双脉冲激光输出为主，其中与本发明相关的一种已知技术由李峰等人所公开(李峰，王君涛，殷苏勇，等.电光调Q双脉冲输出Nd：YAG全固态激光器[J].中国激光，2012，39(08)：27-31.)，其所采用的结构如图1所示。图1中，101为激光谐振腔全反镜，102为Q开关，103为四分之一波片，104为偏振片，105为LD泵浦源，106为聚焦耦合系统，107为镀有泵浦光增透、激光高反的镜片，108为Nd：YAG激光晶体，109为激光谐振腔输出镜。但是已知技术存在以下三方面不足：其一，输出的双脉冲激光均为非单纵模，已知技术方案无法获得单纵模脉冲激光和非单纵模脉冲激光的双脉冲激光交替输出；其二，每对调Q晶体施加一次高压信号时，只能获得一个调Q脉冲激光输出，因此在高重频运转条件下会对调Q晶体造成较大的压力；其三，已知技术方案是采用一次泵浦、两次调Q的技术来获得双脉冲激光输出的，两个脉冲激光消耗一次泵浦所产生的反转粒子数，因此很难获得较大能量的双脉冲激光输出。

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脉冲激光交替调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脉冲激光交替调Q输出激光器，所述激光器包括：

激光输出镜、电光调Q晶体、起偏器、45°反射镜、第一激光增益介质、第一激光全反射镜、第一耦合透镜组、第一光纤、第一泵浦源、四分之一波片、第二激光增益介质、第二激光全反射镜、第二耦合透镜组、第二光纤和第二泵浦源，其中：

所述第一泵浦源置于第一耦合透镜组的一侧，并使用所述第一光纤连接第一泵浦源和第一耦合透镜组，第一耦合透镜组用于将第一泵浦源发出的光耦合进第一激光增益介质中；

所述第二泵浦源置于第二耦合透镜组的后方，并使用所述第二光纤连接第二泵浦源和第二耦合透镜组，第二耦合透镜组用于将第二泵浦源发出的光耦合进第二激光增益介质中；

所述第一激光全反射镜、第一激光增益介质、45°反射镜、起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜构成第一路激光谐振腔；

所述第二激光全反射镜、第二激光增益介质、四分之一波片、45°反射镜、起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜构成第二路激光谐振腔；

所述第一路激光谐振腔和第二路激光谐振腔在45°反射镜处成90°放置。

当电光调Q晶体迅速加压时，所述激光器输出非单纵模激光，当电光调Q晶体阶跃式退压时，所述激光器输出单纵模激光，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单纵模与非单纵模双脉冲激光。

可选地，所述第一激光全反射镜置于第一耦合透镜组的另一侧；所述第二激光全反射镜置于第二耦合透镜组的前方。

可选地，所述第一激光增益介质置于第一激光全反射镜远离第一耦合透镜组的一侧；所述第二激光增益介质置于第二激光全反射镜远离第二耦合透镜组的一侧。

可选地，所述四分之一波片和45°反射镜依次置于第二激光增益介质远离第二激光全反射镜的一侧，且四分之一波片置于第二激光增益介质和45°反射镜之间。

可选地，所述四分之一波片与45°反射镜垂直放置。

可选地，所述45°反射镜、起偏器、电光调Q晶体和激光输出镜依次置于第一激光增益介质远离第一激光全反射镜的一侧。

可选地，所述第一泵浦源和第二泵浦源均为半导体泵浦源。

可选地，所述激光器还包括调Q驱动模块，所述调Q驱动模块与所述电光调Q晶体连接，用于为电光调Q晶体施加调Q驱动信号。

可选地，所述调Q驱动模块产生的调Q驱动信号为阶跃式高压信号。

根据本发明的另一方面，提出一种单纵模与非单纵模双脉冲激光交替调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晶体施加四分之一预设波长电压；

第一泵浦源对第一激光增益介质进行脉冲泵浦，第一路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，输出预设波长单纵模激光；

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，第二路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预设波长电压值，输出预设波长非单纵模激光；

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输出的单纵模和非单纵模双脉冲激光。

本发明提出了一种单纵模与非单纵模双脉冲激光交替调Q输出方法及激光器，本发明方案不仅能够输出双脉冲激光，而且所输出的脉冲序列从时间上来看为单纵模与非单纵模交替输出。再者，所述激光器采用双泵浦源交替泵浦双激光增益介质的方式，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双脉冲激光输出，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是在先技术的双脉冲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脉冲激光交替调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脉冲激光交替调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脉冲激光交替调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脉冲激光交替调Q输出激光器的结构示意图，如图2所示，所述激光器包括：激光输出镜1、电光调Q晶体3、起偏器4、45°反射镜5、第一激光增益介质6、第一激光全反射镜7、第一耦合透镜组8、第一光纤9、第一泵浦源10、四分之一波片11、第二激光增益介质12、第二激光全反射镜13、第二耦合透镜组14、第二光纤15和第二泵浦源16，其中：

所述第一泵浦源10置于第一耦合透镜组8的一侧，并使用所述第一光纤9连接第一泵浦源10和第一耦合透镜组8，第一耦合透镜组8用于将第一泵浦源9发出的光耦合进第一激光增益介质6中；

所述第二泵浦源16置于第二耦合透镜组14的后方，并使用所述第二光纤15连接第二泵浦源16和第二耦合透镜组14，第二耦合透镜组14用于将第二泵浦源16发出的光耦合进第二激光增益介质12中；

所述第一激光全反射镜7、第一激光增益介质6、45°反射镜5、起偏器4、电光调Q晶体3和激光输出镜1构成第一路激光谐振腔；

所述第二激光全反射镜13、第二激光增益介质12、四分之一波片11、45°反射镜5、起偏器4、电光调Q晶体3和激光输出镜1构成第二路激光谐振腔；

所述第一路激光谐振腔和第二路激光谐振腔在45°反射镜5处成90°放置。

在该实施方式中，电光调Q晶体3所在的两个谐振腔共用一个激光输出镜1，其目的是实现激光共轴输出，当电光调Q晶体3阶跃式退压时，输出单纵模激光，当电光调Q晶体3迅速加压时，输出非单纵模激光。其中，迅速加压时加的是方波电压，上升时间和下降时间均小于10纳秒。

在本发明一实施方式中，所述第一激光全反射镜7置于第一耦合透镜组8的另一侧；所述第二激光全反射镜13置于第二耦合透镜组14的前方。

在本发明一实施方式中，所述第一激光增益介质6置于第一激光全反射镜7远离第一耦合透镜组8的一侧；所述第二激光增益介质12置于第二激光全反射镜13远离第二耦合透镜组14的一侧。

在本发明一实施方式中，所述四分之一波片11和45°反射镜5依次置于第二激光增益介质12远离第二激光全反射镜13的一侧，且四分之一波片11置于第二激光增益介质12和45°反射镜5之间。

在本发明一实施方式中，所述四分之一波片11与45°反射镜5垂直放置。

在本发明一实施方式中，所述45°反射镜5、起偏器4、电光调Q晶体3和激光输出镜1依次置于第一激光增益介质6远离第一激光全反射镜7的一侧。

在本发明一实施方式中，所述第一泵浦源10和第二泵浦源16均为半导体泵浦源。

在本发明一实施方式中，所述电光调Q晶体3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驱动模块2，所述调Q驱动模块2与所述电光调Q晶体3连接，用于为电光调Q晶体3施加调Q驱动信号。

在本发明一实施方式中，所述调Q驱动模块2产生的调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λ₁波长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λ₁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它模式，形成单纵模脉冲激光。

本发明提出的单纵模与非单纵模双脉冲激光交替调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3阶跃式退压时，可以实现λ₁波长单纵模激光调Q输出，而当电光调Q晶体3迅速加压时，则可以实现该波长非单纵模激光调Q输出，如此周期性的对电光调Q晶体3进行迅速加压和阶跃式退压，就可以实现具有相同波长的单纵模与非单纵模双脉冲激光调Q脉冲交替输出。

具体地，所述单纵模与非单纵模双脉冲激光交替调Q输出激光器的具体工作原理为：当对电光调Q晶体3施加四分之一预设λ₁波长电压的过程中，第一激光增益介质6的第一泵浦源10对第一激光增益介质6进行脉冲泵浦，由于λ₁波长激光经过起偏器4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3后，原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转，在起偏器4处偏振方向与其透射方向正交而被反射出第一路激光谐振腔外，无法在第一路激光谐振腔内形成振荡，从而使得第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质7处于粒子数反转(储能)状态；此时，第二激光增益介质12的第二泵浦源16处于间歇状态。当第一激光增益介质6的反转粒子数达到最大时，施加在电光调Q晶体3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3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3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，第二激光增益介质12的第二泵浦源16对第二激光增益介质12进行脉冲泵浦，第一激光增益介质6的第一泵浦源10处于间歇状态，而施加在电光调Q晶体3上的电压为零。在第二路激光波长λ₁的谐振腔在四分之一波片11的作用下，往返经过电光调Q晶体3的偏振光的偏振方向旋转了90度，这样就使得在起偏器4处偏振方向与其透射方向正交，从而使得第二激光增益介质12的谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质12处于粒子数反转(储能)状态。当第二激光增益介质12的反转粒子数达到最大时储能达到峰值，对电光调Q晶体3迅速施加四分之一λ₁波长电压值，处于图3中的B阶段，在这阶段中λ₁波长激光因腔内损耗最低，腔内激光增益被迅速放大而能够获得脉冲宽度较窄的巨脉冲激光输出，即形成同一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脉冲激光交替调Q输出序列，图4中s表示单纵模激光，m表示非单纵模激光。

在本发明一实施例中，所述第一激光增益介质6为Nd：YAG晶体，尺寸为Φ4×50mm³，两端镀1064nm增透膜(T＞99％)；第二激光增益介质12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7为平-凹镜，且凹面镀1064nm高反射率膜(R＞99％)，第二激光全反射镜13为平-凹镜，且凹面镀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1064nm部分透过率膜，1064nm波长激光的透射率为6％，外侧镀1064nm激光的抗反膜。起偏器4镀1064nm激光布儒斯特角增透膜，且1064nm激光的透射率高于98％，四分之一波片11对应波长为1064nm，且两通光面镀1064nm增透膜(T＞98％)。第一激光增益介质6的第一泵浦源10和第二激光增益介质12的第二泵浦源16均为808nm激光二极管组成的条形阵列。施加在第一泵浦源10、第二泵浦源16以及调Q驱动模块2上的各驱动信号的时序如图3所示。其中，V₁为激励第一泵浦源10的波形，V₂为激励第二泵浦源16的波形，V_Q为施加在电光调Q晶体3上的电压波形。对于图2中所示的激光器结构方案而言，退压时将产生第一路波长λ₁调Q单纵模脉冲激光输出，加压时则产生第二路波长λ₁调Q非单纵模脉冲激光输出。从整个时间序列上来看，则产生如图4所示的单纵模与非单纵模双脉冲激光交替调Q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脉冲激光交替调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3施加四分之一预设波长电压；

在步骤S502中，第一泵浦源10对第一激光增益介质6进行脉冲泵浦，第一路激光谐振腔处于高损耗状态，第一激光增益介质6处于粒子数反转状态，当第一激光增益介质6的反转粒子数达到最大时，电光调Q晶体3处于阶跃式退压，施加在电光调Q晶体3上的电压变为零，输出预设波长单纵模激光；

在步骤S503中，第二泵浦源16对第二激光增益介质12进行脉冲泵浦，施加在电光调Q晶体3上的电压为零，第二路激光谐振腔处于高损耗状态，第二激光增益介质12处于粒子数反转状态，当第二激光增益介质12的反转粒子数达到最大时，对电光调Q晶体3迅速施加四分之一预设波长电压值，输出预设波长非单纵模激光；

在步骤S504中，周期性重复电光调Q晶体3迅速加压和阶跃式退压状态，得到交替调Q输出的单纵模和非单纵模双脉冲激光。

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。