Q開關(guān)Nd:YAG激光脈寬壓窄技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Q開關(guān)Nd：YAG激光脈沖壓窄技術(shù)。其核心為：1.在普通Q開關(guān)Nd：YAG激光器輸出端增加一支λ/4波片和一件全反射鏡。該全反射鏡返回的所有偏振光，在偏振器輸出腔外。振蕩器在儲能期間，外加的全反射鏡與振蕩級的全反射鏡不成腔，不改變激光器振蕩級實(shí)現(xiàn)高儲能。而在Q開關(guān)打開后，將振蕩級的輸出全部反饋回來，迅速將振蕩級激光棒內(nèi)的儲能抽空以壓窄脈寬。2.兩次利用Cr4+：YAG的可飽和吸收性能，在儲能期間作為隔離器。在有激光輸出時，作為削波器壓窄脈寬。3.在振蕩級采用凹凸熱穩(wěn)定腔，在短腔長的條件下擴(kuò)大膜體積，同時減小光束角。在偏振反饋時進(jìn)行擴(kuò)束，進(jìn)一步壓窄光束角，同時充分利用振蕩級激光棒內(nèi)的儲能，提高效率。4.利用加壓式的退壓方式克服電光Q開關(guān)的應(yīng)力滯后，獲得最大輸出。
【專利說明】
Q開關(guān)Nd:YAG激光脈寬壓窄技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及激光脈沖壓縮技術(shù)，它將很大的激光能量壓縮至極短的脈沖時間內(nèi)，從而獲得極高的脈沖峰值功率。
【背景技術(shù)】
[0002]2012年，美國推出Medlite C6激光美容儀，基本解決了黃褐斑治療后的返黑難題。其關(guān)鍵技術(shù)一是輸出脈寬5ns，輸出光束經(jīng)勻化后實(shí)現(xiàn)平帽輸出。但每臺售價當(dāng)時120萬元人民幣。為實(shí)現(xiàn)高端醫(yī)療美容設(shè)備的國產(chǎn)化，擺脫對國外高價設(shè)備的依賴，觸成了本發(fā)明。
[0003]目前壓窄Q開關(guān)激光脈寬的辦法包括:1.縮短腔長，2.提高偏振器與普克爾盒構(gòu)成的電光開關(guān)的消光比，增加激光棒內(nèi)的儲能。3.增大輸出鏡的反射率，減小開關(guān)打開后激光振蕩次數(shù)。在普通采用的Nd =YAG電光Q開關(guān)技術(shù)中，能獲得的激光脈沖寬度一般在8-lOns.個別的可到6-7ns.不采用特殊措施，進(jìn)一步壓窄脈沖寬度已不可能。因?yàn)榭s短腔長必須保證在腔內(nèi)可以放下激光棒(Nd:YA6)，電光開關(guān)(偏振器與普克爾盒)，諧振腔反射鏡等這些必不可少的元件。這些器件中唯一可以進(jìn)一步減小的只有激光棒。但激光棒太短，必然減小激光脈沖的輸出能量。提高開關(guān)的消光比即便采用進(jìn)口元件也是有限的。提高輸出鏡的反射率是不可取的，因?yàn)檫@會減小激光棒內(nèi)的儲能。實(shí)際上有的已只有R = 4%.即用一只平玻璃片內(nèi)表面增透，外表面作反射鏡。由上述理由可以看出，用普通電光Q開關(guān)來獲得5ns以下的激光脈寬是不可能的。采用腔倒空或腔內(nèi)裁切的辦法可以把脈寬壓到5ns以下。但必須有上升前沿和同步精度在Ins以下，耐壓大于5000V的電開關(guān)元件。這需專門研制采用高速雪崩二極管或模式管串聯(lián)的開關(guān)。而且這些技術(shù)大大降低了激光器的能量抽取效率。也必然增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種激光脈沖壓縮的新技術(shù)，不僅使脈寬可以壓窄，同時可使光束擴(kuò)大，光束角減小，并使激光能量增加。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]Q開關(guān)Nd =YAG激光脈沖壓窄方法，采用Q開關(guān)Nd =YAG激光器，其特征在于:是將現(xiàn)有激光從輸出鏡的輸出改為激光從偏振輸出全反射鏡反射回偏振器，再由偏振器輸出。
[0007]本發(fā)明設(shè)備簡單，可有效地將脈沖寬度壓縮到小于2ns。。本發(fā)明經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在激光醫(yī)療，激光加工，以及激光測距，激光風(fēng)洞粒子速度測量(PIV技術(shù))等軍事領(lǐng)域可有廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
:
[0008]圖1:普通偏振反饋輸出的Nd =YAG電光Q開關(guān)激光器示意圖
[0009]1-1:振蕩級全反射鏡 1-2:振蕩級限模光欄
[0010]1_3:KD*P普克爾盒 1-4:偏振器
[0011]1-5:振蕩級Nd =YAG棒 1-6:振蕩級輸出鏡
[0012]1-7: λ /4波片1-8:偏振輸出全反射鏡
[0013]圖2:帶有凹凸熱穩(wěn)腔和偏振反饋擴(kuò)束及Cr4+隔尚與削波的Nd:YAG電光Q開關(guān)激光器示意圖
[0014]2-1:振蕩級凸面全反射鏡2-2:振蕩級限膜光欄(光欄孔直徑0.5-3.0mm)
[0015]2-3:KD*P普克爾盒，2-4:偏振器
[0016]2-5:振蕩級 Nd:YAG 棒
[0017]2-6:振蕩級平凸輸出鏡(凸面向腔內(nèi)，鍍1064nm增透膜，平面向腔外，無膜，R =4% )
[0018]2-7:Cr4+:YAG 可飽和吸收體，2-8:1064nmA /4 波片，
[0019]2-9:偏振輸出凸面全反射鏡。2-10.折疊全反射鏡
[0020]2-11.Cr4+:YAG 可飽和吸收體。2-12.放大級 Nd:YAG 棒
[0021]2-13.可移動KTP倍頻晶體，可實(shí)現(xiàn)1.064,0.53微米雙波長輸出
[0022]圖3:Q開關(guān)加壓式退壓電路
[0023]普克爾盒一端電極連接激光電源的可調(diào)直流高壓(0-4500V)，另一端電極連接高壓脈沖變壓器的次級，次級線圈另一端經(jīng)一電阻接地。高壓脈沖變壓器的初級輸入280-400V可調(diào)延時脈沖，該脈沖相對氙燈觸發(fā)脈沖延時約100-150微秒。其脈沖幅度應(yīng)使Q開關(guān)輸出能量最大。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面參照圖1-圖3對本發(fā)明Q開關(guān)Nd =YAG激光脈寬壓窄技術(shù)作詳細(xì)說明:本發(fā)明是一種采用由偏振器輸出的辦法壓窄激光脈寬的技術(shù)。圖1所示的是實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，本發(fā)明與現(xiàn)有激光器相同的是:包括依次組成的全反射鏡1-1，限模光欄
1-2，普克爾盒1-3，偏振器1-4，Nd =YAG激光棒1_5和輸出鏡1_6。激光器的輸出鏡的反射率R = 4%.這樣有利于激光棒1-5內(nèi)的儲能。但這會增加由普克爾盒1-3和偏振器1-4組成的Q開關(guān)打開后腔內(nèi)振蕩的次數(shù)，從而增加脈寬。本發(fā)明是將現(xiàn)有激光從輸出鏡1-6的輸出改為激光從偏振輸出全反射鏡1-8反射回偏振器1-4,再由偏振器1-4輸出。其結(jié)構(gòu)是:在輸出鏡1-6后加一只偏振輸出全反射鏡1-8和一只1064ηηιλ /4波片1_7，偏振輸出全反射鏡1-8會將振蕩級的輸出全部反射回偏振器1-4，在經(jīng)過Nd =YAG激光棒時迅速將
1-5內(nèi)的儲能抽空，使振蕩迅速結(jié)束。返回的光束往返兩次經(jīng)λ/4波片1-7后其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，可從偏振器1-4耦合出腔外。這就相當(dāng)于在不降低Nd:YAG激光棒1-5儲能的條件下，將普通振蕩級的輸出鏡1-6反射率變?yōu)?00%。使Q開關(guān)打開后，迅速將激光棒1-5內(nèi)儲能抽空。將輸出脈沖壓窄。本發(fā)明振蕩器在儲能期間，外加的全反射鏡與振蕩級的全反射鏡不成腔，不改變普通Q開關(guān)Nd =YAG激光器振蕩級實(shí)現(xiàn)高儲能，而在Q開關(guān)打開后，將振蕩級的輸出全部反饋回來，迅速將振蕩級激光棒內(nèi)的儲能抽空以壓窄脈寬。同時，此結(jié)構(gòu)也相當(dāng)于將振蕩級Nd =YAG棒既作為振蕩棒又作為放大棒。實(shí)現(xiàn)抽取效率的最大化。
[0025]圖2所示的是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)。它在圖1所示結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，能使激光光束擴(kuò)大并使激光能量增加。參見圖2，本發(fā)明由凸面全反射鏡2-1，限膜光欄2-2，普克爾盒2-3，偏振器2-4，振蕩級Nd:YAG棒2_5，平凸輸出鏡2_6，振蕩級Cr4+:YAG可飽和吸收體
2-7，1064nm λ /4波片2_8，偏振輸出凸面全反射鏡2_9組成振蕩級；由折疊全反射鏡2_10，放大級Cr4+:YAG可飽和吸收體2-11，放大級Nd =YAG棒2_12，可移動KTP倍頻晶體2_13組成放大級；激光由偏振輸出凸面全反射鏡2-9經(jīng)平凸輸出鏡2-6，將振蕩級的輸出全部反射回偏振器2-4，從偏振器2-4耦合出腔外，進(jìn)入放大級，激光最后由可移動KTP倍頻晶體
2-13輸出。
[0026]此實(shí)施例二的發(fā)明點(diǎn)是:
[0027]1、振蕩級采用凹凸鏡熱穩(wěn)定腔(即由振蕩級凸面全反射鏡2-1與振蕩級平凸輸出鏡2-6組成的振蕩級諧振腔)，在短腔長的條件下，盡量增大膜體積，腔內(nèi)加有限膜小孔，在幾何結(jié)構(gòu)允許的條件下(用O7xl00mmNd:YAG棒)，盡量縮短腔長(350±50mm)。
[0028]為保證輸出光斑?4mm,光束發(fā)散角2mr,限膜光欄2-2小孔可選為3mm左右。光欄孔直徑可進(jìn)一步減小到0.5_，從而可獲得單橫模工作，可做到光束角< 0.5mr。
[0029]2、振蕩級輸出鏡2-6采用平凸鏡，凸面向腔內(nèi)，鍍1064nm增透膜，平面向腔外，無膜，以R = 4%的反射率作為振蕩級輸出。它等效于一只凹面鏡。而對于偏振反轉(zhuǎn)后返回的光束，它等效于一只會聚透鏡。
[0030]3、采用偏振輸出凸面全反射鏡2-9。它的曲率半徑及與平凸輸出鏡2-6的距離，使其與平凸輸出鏡2-6共同構(gòu)成一個擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡。將振蕩級的輸出光斑擴(kuò)大為振蕩級Nd:YAG激光棒2-5的直徑(Φ7)，并同時將光束角壓縮到2mr左右。在不增加任何光學(xué)元件的情況下實(shí)現(xiàn)脈寬和光束角的雙壓縮是本發(fā)明的另一特征。經(jīng)反饋擴(kuò)束后的光束，為平行光束，全部充滿振蕩級Nd =YAG激光棒2-5，實(shí)現(xiàn)抽取效率最大化。
[0031]4、在偏振輸出凸面全反射鏡2-9與振蕩級輸出鏡2-6間，以及在振蕩級偏振輸出后的折疊全反射鏡2-10與外加的放大級Nd =YAG激光棒2-12間，分別加一透過率合適的振蕩級Cr4+:YAG可飽和吸收體2-7和放大級Cr4+:YAG可飽和吸收體2_11。因?yàn)樵谡袷幖壡霸黾悠褫敵鋈瓷溏R2-9后，在由普克爾盒2-3和偏振器2-4組成的Q開關(guān)關(guān)閉期間，Nd =YAG的自發(fā)輻射與沿軸的超熒光會因Nd =YAG棒的熱應(yīng)力退偏進(jìn)入到振蕩級全反射鏡2-1，從而大大降低儲能。加入Cr4+:YAG后，由于其強(qiáng)烈的吸收，使自發(fā)輻射被隔離。同時在Q開關(guān)打開后，振蕩級的輸出脈沖前沿的起始部分，被Cr4+:YAG吸收而漂白。后面部分順利通過。因此兩塊Cr4+:YAG可飽和吸收體兩次起到隔離自發(fā)輻射和自動削波壓窄脈寬的雙重作用。
[0032]本實(shí)施例中，波片2-8為1064ηπιλ /4 ;可移動KTP倍頻晶體2-13可實(shí)現(xiàn)1.064，
0.53微米雙波長輸出。
[0033]圖3中所示，本發(fā)明的Q開關(guān)采用瞬間加壓的退壓式電路:
[0034]普克爾盒1-3和2-3—端電極連接激光電源的可調(diào)直流高壓(0-4500V)，另一端電極連接高壓脈沖變壓器的次級，次級線圈另一端經(jīng)一電阻接地。高壓脈沖變壓器的初級輸入280-400V可調(diào)延時脈沖，該脈沖相對氙燈觸發(fā)脈沖延時約100-150微秒。其脈沖幅度應(yīng)使Q開關(guān)輸出能量最大。另外本發(fā)明完全不依賴于高速高壓電開關(guān)元件，使用的脈沖變壓器其上升前沿在25-40ns，均不影響獲得2ns激光脈寬。在振蕩級腔長為350mm的條件下，本技術(shù)獲得了小于2ns的脈寬,放大后輸出能量大于500mj。
[0035]圖3所示的本發(fā)明使用的脈沖變壓器即為現(xiàn)在市場上廣泛使用的觸發(fā)盒，初級輸入電壓控制在280-400V可調(diào)。次級電壓可達(dá)5000V。
[0036]在電光Q開關(guān)中，光是沿KD*P的光軸傳播。不加電壓時KD*P是單軸晶體，沿光軸傳播無雙折射效應(yīng)。加λ /4電壓后，KD*P變?yōu)殡p軸晶體，原來的光軸方向便產(chǎn)生雙折射，從而使光的偏振方向往返發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)。這說明加電壓后，KD*P內(nèi)的原子排列發(fā)生了位移。從而在晶體內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力。這種應(yīng)力在電壓退除后，不會像電光效應(yīng)那樣迅速退除。這在Q開關(guān)打開后的激光建立和激光輸出過程中造成損耗。稱為電光效應(yīng)的應(yīng)力滯后。本發(fā)明為克服此效應(yīng)，使脈沖變壓器產(chǎn)生的電壓大于另一極加的高壓，即在普克爾盒上退壓的同時瞬間加以適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，以便克服由于?yīng)力滯后造成的損耗。實(shí)驗(yàn)證明，可以提高?10%的輸出能量。另外，本發(fā)明中Q開關(guān)實(shí)際上為退壓式，即直流高壓一直加在普科爾盒上，長期工作對調(diào)Q晶體不利。為此改變時統(tǒng)信號直接觸發(fā)氙燈放電的方法，而是首先用于產(chǎn)生調(diào)Q高壓。經(jīng)約Ims的延時后再點(diǎn)燈。再經(jīng)調(diào)Q延時，通過加壓方式退除普克爾盒上的電壓。當(dāng)激光脈沖輸出后，晶體高壓關(guān)斷。故本發(fā)明的Q開關(guān)方式可以稱為瞬時加壓式的退壓式。這樣做一舉三得。一是有利于克服普科爾盒的應(yīng)力滯后，提高激光輸出效率:二是節(jié)省了普通加壓式必須的λ/4波片；三是瞬時加壓克服了長期加壓所帶來的缺陷。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種Q開關(guān)Nd:YAG激光脈沖壓窄方法，采用Q開關(guān)Nd =YAG激光器，其特征在于:是將現(xiàn)有激光從輸出鏡的輸出改為激光從偏振輸出全反射鏡反射回偏振器，再由偏振器輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓窄方法，所述的Q開關(guān)Nd=YAG激光器的結(jié)構(gòu)包括依次組成的全反射鏡，限模光欄，普克爾盒，偏振器，Nd:YAG激光棒和輸出鏡；其特征在于:在輸出鏡后加一只偏振輸出全反射鏡和一只λ /4波片,偏振輸出全反射鏡會將振蕩級的輸出全部反射回偏振器，并迅速將Nd:YAG激光棒內(nèi)的儲能抽空，使振蕩迅速結(jié)束；返回的光束往返兩次經(jīng)λ/4波片后其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，可從偏振器耦合出腔外。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓窄方法，采用Q開關(guān)Nd=YAG激光器，其特征在于:由凸面全反射鏡，限膜光欄，普克爾盒，偏振器，振蕩級Nd =YAG棒，平凸輸出鏡，振蕩級Cr4+:YAG可飽和吸收體，λ/4波片，偏振輸出凸面全反射鏡組成振蕩級；由折疊全反射鏡，放大級Cr4+:YAG可飽和吸收體，放大級Nd =YAG棒，可移動KTP倍頻晶體組成放大級；激光由偏振輸出凸面全反射鏡經(jīng)平凸輸出鏡將振蕩級的輸出全部反射回偏振器，從偏振器耦合出腔夕卜，進(jìn)入放大級，激光最后由可移動KTP倍頻晶體輸出。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓窄方法，其特征在于:限膜光欄的光欄孔直徑為0.5-3.0mm,可做到光束角< 0.5mr。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓窄方法，其特征在于:振蕩級輸出鏡采用平凸鏡，凸面向腔內(nèi)，鍍增透膜:平面向腔外，無膜，以R = 4%的反射率作為振蕩級輸出。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓窄方法，其特征在于:采用偏振輸出凸面全反射鏡，它的曲率半徑及與平凸輸出鏡的距離，使其與平凸輸出鏡共同構(gòu)成一個擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡；經(jīng)反饋擴(kuò)束后的光束，為平行光束，全部充滿振蕩級Nd =YAG激光棒，實(shí)現(xiàn)抽取效率最大化。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓窄方法，其特征在于:振蕩級凸面全反射鏡與振蕩級平凸輸出鏡組成的振蕩級諧振腔腔長350 ± 50mm。8.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的壓窄方法，其特征在于:在偏振輸出凸面全反射鏡與振蕩級輸出鏡間，以及在振蕩級偏振輸出后的折疊全反射鏡與外加的放大級Nd =YAG激光棒間，分別加一透過率合適的振蕩級Cr4+:YAG可飽和吸收體和放大級Cr4+:YAG可飽和吸收體；在由普克爾盒和偏振器組成的Q開關(guān)關(guān)閉期間，其自發(fā)輻射與沿軸的超熒光會因Nd:YAG棒的熱應(yīng)力退偏進(jìn)入到振蕩級全反射鏡；加入Cr4+:YAG后，由于其強(qiáng)烈的吸收，使自發(fā)輻射被隔離；同時在Q開關(guān)打開后，振蕩級的輸出脈沖前沿的起始部分，被Cr4+:YAG吸收而漂白，后面部分順利通過；兩塊Cr4+:YAG可飽和吸收體兩次起到隔離自發(fā)輻射和自動削波壓窄脈寬的雙重作用。9.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的壓窄方法，其特征在于:所述的電光Q開關(guān)的驅(qū)動方式為瞬時加壓式的退壓式，可以克服電光晶體的應(yīng)力滯后，提高輸出能量，省去普通加壓式必須的1/4波片，同時克服普克爾盒長期加壓對晶體的損傷。
【文檔編號】H01S3/10GK105896259SQ201410718828
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月3日
【發(fā)明人】杜金波
【申請人】杜金波