CN115832856A

CN115832856A - 一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器

Info

Publication number: CN115832856A
Application number: CN202211406739.3A
Authority: CN
Inventors: 江海河; 姜玲玲; 程庭清
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2023-03-21

Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，涉及激光器技术领域，其中，全反镜放置于激光增益介质的前端且与前端端面平行，输出耦合镜放置于激光增益介质的后端且与后端端面平行；声光Q开关放置于全反镜与激光增益介质的前端端面之间；声光Q开关中声光介质的前端端面与全反镜平行，后端端面与激光增益介质的前端端面平行；声光Q开关中的声光介质和电声换能器的材料均为铌酸锂即LiNbO₃晶体，且声光介质和电声换能器之间通过分子键合的方式连接；激光增益介质为Er:YAG激光晶体，其前端和后端的端面均镀有2.94μm增透膜；声光Q开关中的声光介质的前端和后端的端面均镀有2.94μm增透膜。本发明可以实现高能量、高峰值功率的2.94μm激光脉冲输出。

Description

一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器。

背景技术

由于2.94μm波长的一些特性，如可以被材料或分子选择性吸收、可以在大气中远距离传输，2.94μm中红外激光器是科学应用的理想实验室工具，应用领域涵盖非线性光学、硅光子学、量子光学、高场物理、频率梳和超连续谱产生等。目前可用于材料加工、外科手术、电信、光谱学、国防应用和基础科学，2.94μm中红外激光器在所有这些应用领域都具有前所未有的优势，因此对研究和工业越来越有吸引力。高峰值功率、高脉冲能量的2.94μm脉冲激光还能用作光学参量振荡器的泵浦源，以获得足够强的3-12μm的中红外激光，在远距离大气探测、毒气检测、光电对抗等领域有着重要的应用。因此，发展2.94μm窄脉冲、高能量的激光技术和激光器具有重要的应用价值。纳秒脉冲激光需要通过调Q技术来实现，2.94μm波长激光调Q主要有电光调Q、声光调Q、FTIR调Q、可饱和吸收体调Q等方法。其中，电光调Q技术在2.94μm波段实现了较大能量的输出，但需要加载数千伏的电压，产生较高的电磁噪声，且仅对偏振光进行调控。被动调Q装置的结构紧凑，但输出能量稳定性差是不可逾越的障碍。目前有利用转镜调Q的趋势，但这种方法存在振动和不稳定的问题。相比而言，声光调Q技术的优点是插入损耗小、结构紧凑、有利于激光器小型化的发展。

合适的红外声光晶体是发展2.94μm声光调Q技术的关键。优良的声光Q开关晶体在工作波长应该具有透光性好、损伤阈值高、物化性能稳定、不易潮解等特点。但是，目前在2.94μm波段，主要的声光晶体是二氧化碲(TeO₂)单晶。对于基于TeO₂的声光Q开关，除了价格高的缺点外，低损伤阈值限制了脉冲能量的输出。且目前在基于TeO₂的声光Q开关中，作为声光介质的晶体与作为换能器的晶体通常是不同的材料，这就需要在二者之间沉积和键合多个过渡层来实现电阻抗和声阻抗的匹配。通过这种键合方式，电阻抗和声阻抗的匹配率达不到100％，同时也会产生严重的热应力，这对散热工艺也提出了一定的技术要求，便导致了器件制造工艺复杂，辅助成本高，成为器件制造工艺和性能提高的关键障碍。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，可以实现高能量、高峰值功率的2.94μm激光脉冲输出。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，用于输出波长为2.94μm的激光，激光器包括：全反镜、声光Q开关、聚光腔、激光增益介质、泵浦源、输出耦合镜；

所述全反镜放置于激光增益介质的前端且与前端端面平行，所述输出耦合镜放置于激光增益介质的后端且与后端端面平行；

所述声光Q开关放置于全反镜与激光增益介质的前端端面之间；所述声光Q开关中声光介质的前端端面与全反镜平行，所述声光Q开关中声光介质的后端端面与激光增益介质的前端端面平行；

所述声光Q开关包括声光介质和电声换能器，所述声光介质和电声换能器的材料均为铌酸锂即LiNbO₃晶体，且声光介质和电声换能器之间通过分子键合的方式连接；

所述激光增益介质为Er:YAG激光晶体，激光增益介质的前端和后端的端面均镀有2.94μm增透膜；所述声光Q开关中的声光介质即LiNbO₃晶体的前端和后端的端面均镀有2.94μm增透膜；

所述激光增益介质和泵浦源位于聚光腔内，所述泵浦源用于为激光增益介质提供能量以产生激光。

优选的，所述声光Q开关还包括射频电源；

所述射频电源通过电极与电声换能器连接，用于产生射频电信号并将所产生的射频电信号传输到电声换能器，电声换能器发射特定频率的超声波，将电功率转换成超声功率；

电声换能器发射的超声波进入声光介质后，在声光介质即LiNbO₃晶体内部产生周期性的弹性形变，在声光介质内部形成一个折射率光栅，当激光以布拉格角度通过折射率光栅时会发生Bragg衍射。

优选的，激光器还包括：激光水冷系统；

所述水冷系统通过管路与聚光腔连接，用于对聚光腔及聚光腔内的激光增益介质和泵浦源进行冷却。

优选的，激光器还包括：射频驱动、电源；

所述电源分别为泵浦源、射频驱动提供电量；所述射频驱动用于驱动声光Q开关的射频电源产生射频电信号。

优选的，所述泵浦源为氙灯或激光二极管。

优选的，所述泵浦源为氙灯，氙灯位于激光增益介质的下方。

优选的，所述泵浦源为激光二极管，激光二极管环绕激光增益介质。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种基于铌酸锂声光调Q的2.94μm窄脉冲激光器，采用Er:YAG激光晶体作为激光增益介质，采用声光调Q技术，声光调Q技术的优点是插入损耗小、结构紧凑、有利于激光器小型化的发展，其不需要加载数千伏的电压、没有电磁噪声的产生，不仅可以对偏振光进行调控，也可以对非偏振光进行调控。具体的，本发明采用一种基于铌酸锂的声光Q开关进行调Q，该声光Q开关的声光介质与电声换能器采用相同的材料，即铌酸锂LiNbO₃晶体，通过分子键合方式可以大大的提高电阻抗和声阻抗的之间的匹配效率；声光Q开关的声光介质采用铌酸锂LiNbO₃晶体，具有高抗损伤阈值(>200MW/cm²)、高透过率、低超声衰减系数等优点；声光介质的电声换能器采用铌酸锂LiNbO₃晶体，具有高机电耦合系数，并且由于与声光介质具有相同的声阻抗，可以减少超声能量传输过程中的耦合损耗，从而提高声功率的利用率。最终使得本发明的2.94μm窄脉冲激光器可以实现高能量、高峰值功率的2.94μm激光脉冲输出，大大提高了激光器的可靠性。

由于2.94μm波长的一些特性，如可以被材料或分子选择性吸收、可以在大气中远距离传输，2.94μm激光器是科学应用的理想实验室工具，应用领域涵盖非线性光学、硅光子学、量子光学、高场物理、频率梳和超连续谱产生等，目前可用于材料加工、外科手术、电信、光谱学、国防应用和基础科学。此外，高峰值功率、高脉冲能量的2.94μm脉冲激光还能用作光学参量振荡器的泵浦源，以获得足够强的3-12μm的中红外激光，在远距离大气探测、毒气检测、光电对抗等领域有着重要的应用。

(2)本发明中所设计的声光Q开关同时还实现了Bragg声光介质和电声换能器一体化，推进了声光器件的小型化的发展，也进一步推进了激光器小型化的发展。另外，由于声光介质和电声换能器为同种材料，因此还简化了制造工艺，降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明的一种基于铌酸锂的声光Q开关的内部结构示意图。

图2为本发明的一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

由图1所示，一种基于铌酸锂的声光Q开关，是一种基于Bragg衍射原理设计制造的小型声光开关器件，包括：射频电源1、电极2、电声换能器3、分子键合层4、声光介质5；

所述声光介质5和电声换能器4的材料均为铌酸锂即LiNbO₃晶体。

所述射频电源1通过电极2与电声换能器3连接，将产生的射频电信号传输到电声换能器3，电声换能器3将射频电信号通过逆压电效应振动发射特定频率的超声波，起到将驱动电功率转换成超声功率的作用；

电声换能器3发射的超声波进入声光介质5后，在声光介质5即LiNbO₃晶体内部产生周期性的弹性形变，在声光介质5内部形成一个折射率光栅，当激光以布拉格角度通过折射率光栅时会发生Bragg衍射。

所述声光介质5和电声换能器3之间通过分子键合的方式连接，即声光介质5和电声换能器3之间为分子键合层4，分子键合层4减少了超声能量向声光介质传递过程的损耗，提高超声能量的利用率。声光介质5和电声换能器3为相同材料，通过分子键合的方式连接可以大大的提高电阻抗和声阻抗的之间的匹配效率，最关键的是还实现了Bragg声光介质和电声换能器一体化，推进了声光器件的小型化的发展。

将声光Q开关该器件放置在激光谐振腔中，可将激光调制为高峰值功率的窄脉冲输出。本实施例1中，在声光Q开关中的声光介质即LiNbO₃晶体的前端端面和后端端面均镀有2.94μm增透膜。本实施例1中，电声换能器3发射特定频率的超声波，其频率为40.68MHz。

实施例2

由图2所示，一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，包括：全反镜片HR、声光Q开关、聚光腔、激光增益介质、泵浦源、输出耦合镜片OC、电源、水冷系统。

所述全反镜片HR放置于激光增益介质的前端且与前端端面平行，所述输出耦合镜片OC放置于激光增益介质的后端且与后端端面平行。

所述声光Q开关为实施例1所提供的一种基于铌酸锂的声光Q开关，放置于全反镜片HR与激光增益介质的前端端面之间；所述声光Q开关中声光介质的前端端面与全反镜片HR平行，所述声光Q开关中声光介质的后端端面与激光增益介质的前端端面平行。

所述激光增益介质为Er:YAG激光晶体，激光增益介质的前端和后端的端面均镀有2.94μm增透膜；所述声光Q开关中的声光介质即LiNbO₃晶体的前端和后端的端面均镀有2.94μm增透膜；本实施例2的一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器用于输出波长为2.94μm的激光。

所述泵浦源为氙灯或激光二极管，泵浦源用于为激光增益介质提供能量以产生激光。所述激光增益介质和泵浦源位于聚光腔内；若泵浦源为氙灯，则氙灯位于激光增益介质的下方；若泵浦源为激光二极管，则激光二极管环绕激光增益介质。

所述全反镜片HR、聚光腔、输出耦合镜片OC构成激光谐振腔。

所述水冷系统通过管路与聚光腔连接，对聚光腔及聚光腔内的激光增益介质和泵浦源进行冷却。

所述电源分别为泵浦源、射频驱动、水冷系统提供电量；所述射频驱动用于驱动声光Q开关的射频电源产生射频电信号。

本发明中，还可以在声光Q开关中的声光介质即LiNbO₃晶体的前端端面和后端端面均镀2.79μm增透膜，以及将激光增益介质替换为Er,Cr:YSGG激光晶体，或者替换为Er:YSGG激光晶体，并在激光增益介质的前端和后端的端面均镀2.79μm增透膜，从而实现2.79μm波长的激光输出。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，其特征在于，用于输出波长为2.94μm的激光，激光器包括：全反镜、声光Q开关、聚光腔、激光增益介质、泵浦源、输出耦合镜；

2.根据权利要求1所述一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，其特征在于，所述声光Q开关还包括射频电源；

3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，其特征在于，激光器还包括：激光水冷系统；

4.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，其特征在于，激光器还包括：射频驱动、电源；

5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源为氙灯或激光二极管。

6.根据权利要求5所述的一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源为氙灯，氙灯位于激光增益介质的下方。

7.根据权利要求5所述的一种基于铌酸锂声光Q开关的2.94μm窄脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源为激光二极管，激光二极管环绕激光增益介质。