自動跟蹤選單縱模、調q與鎖模方法

2023-08-10 05:37:06

專利名稱：自動跟蹤選單縱模、調q與鎖模方法
技術領域：
本發明是雷射技術中的單縱模選擇、Q開關與鎖模技術。
已有技術中，美國利弗莫爾(Livemoce)實驗室用共振反射器選雷射單縱模，聲光Q開關調Q、用腔長自動反饋補償系統不斷修正腔長來確保長時間單縱模運轉，見圖-(D.J.Kuizenga，IEEE J.Quant.Eletcon，Vol.QE-17，NO.9.P1694-1708，1981)。其缺點是結構複雜，它採用的腔長自動反饋補償系統是一種高靈敏度，快響應的電子學系統。其不僅成本高，而且抗電幹擾能力差。目前的鎖模技術仍採用飽和吸收體或聲光調製器為鎖模元件，飽和吸收體的主要缺點是穩定性和可靠性差，它的分子無規漲落的特性，決定了鎖模脈衝質量差穩定性差，而且在強光輻射之下，其分子容易分解，所以難以進行長期可靠的鎖模雷射輸出，聲光鎖模調製器的主要缺點則是，調製深度太低，要求腔長匹配精度高。
本發明的目的為克服上述缺點，發明一種自動跟蹤選單模、調Q和鎖模的方法。
本發明的方法是採用光電導開關(包括它需要的高壓電源)，電光開關(或稱普克爾盒)和電阻構成一種快速的反饋迴路，見圖二。
當雷射束照射光電導開關時，光電導開關的電阻值迅速減小，這時將產生一個電流脈衝，這個電流脈衝經過與光電導開關串聯的電阻R形成反饋電壓VR，這個反饋電壓VR加到電光開關-普克爾盒的一個電極上，這時加在普克爾盒上的有效電壓Vet將減少。因為加在普加爾盒上的有效電壓Vet等於加在普克爾盒上的偏壓Vb(加在另一電極上)減去反饋電壓VR，即為加在普克爾合兩個電極上的電壓差，Vet＝Vb-VR。如果照射光越強，光電導開關的電阻值將越小，產生的電流脈衝將越大，反饋電壓VR也就越大，加在普克爾盒上的有效電壓Vet將越小，假設照射光電導開關光強相同，改變電阻R的阻值，則阻值越大的電阻產生反饋電壓VR也越大，加在普克爾盒開關上的有效電壓也越小，如果將電光開關放置在雷射器的諧振腔內，用起偏振器反射出的光照射光電導開關，上述系統可實現單縱模自動選擇和調Q，另外還可以實現鎖模。
本發明最好應用於固體雷射器中，其棒狀工作物質的端面與棒軸垂直，而且兩端面平行度之差＜α″(兩端面最好不鍍增透膜)，這樣使得雷射器工作時，各振蕩縱模具有不同增益和起始振蕩時間(這樣的工作物質等效於F-P標準具)，當增益最大的縱模首先振蕩時，由於起偏振器的反射，部分光將照射到光電導開關上，它產生反饋電壓VR，使得加在普克爾盒上的有效電壓Vef減小。由於Vef的減小，雷射腔內損耗也減小，腔內淨增益增加，這個振蕩縱模的光強被放大，它的光強被放大後，起偏振器反射的光強也增加，這時照射在光電導開關上的光更強，反饋電壓VR更大，加在普克爾盒上的有效電壓Vet更小，腔內損耗進一步減小，這個縱模光強放大得更強。如此循環下去，一個正反饋迴路形成。由於本發明所選用光電導開關的材料響應時間快(小於10ns)，所以正反饋迴路能夠自動跟蹤此時產生的雷射振蕩縱模，至此單縱模選擇完成。隨著這個縱模功率不斷增大，當反饋電壓VR使得普克爾盒上的有效電壓Vef減小到「零」電壓(即VR＝Vb)時，這個縱模功率增長到它的最大值Pmax，則調Q脈衝形成，調Q脈衝寬度可以通過改變電阻R的阻值控制腔內增益變化的快慢來實現，如果將雷射棒成小角度切割，設置腔長使雷射脈衝與整個反饋控制系統時間上同步，並進一步減小電阻R的阻值，即可實現鎖模。
當光電導開關上的反饋電壓VR高於偏壓Vb時，整個反饋迴路將由正反饋狀態自動過渡到負反饋狀態，然後再由負反饋狀態轉變為正反饋狀態，這樣正負反饋不斷地交替轉換，最終使得整個反饋迴路鉗制在一個穩定狀態，實現了穩態鎖模。
本發明所採用光電導開關的材料其電阻值與所接收的光強成反比，即它所接收到光強越強，電阻值下降得越多，反之，它所接收到的光強越弱電阻值下降得越少。要求響應時間快，最好是小於10ns，靈敏度高，通常是當光強為1μj/mm2的光照射時，其電阻值下降至少為104倍。而且要求能夠承受上千伏以上的直流高壓。這除了與所選擇材料本身性能有關，還與光電導開關的接收面尺寸有關，當材料選定以後，其接收面尺寸大，承受電壓高，但靈敏度相對地降低了，若接收面尺寸小時，靈敏度提高，但承受電壓低，所以接收面要選取恰當。
上述與光電導開關串聯的電阻R應視需要(調Q或鎖模)而定，通常情況下，電阻R的阻值選擇為大於10Ω。
本發明的主要優點採用本發明的方法，可以同時實現選單縱模，調Q、鎖模和準連續輸出雷射束。
第一、實現選模(單縱模)調Q本發明實現選模(單縱模)調Q一體化(選模、調Q兩上過程同時完成)，而且自動跟蹤選單縱模和調Q。不需要腔長自動反饋補償系統而能長期穩定工作。
調Q脈衝寬度可調，雷射器的工作點可遠離雷射器閥值，對雷射器腔長無特殊要求。
雷射腔內無專用的選模元件(如共振反射器，F-P標準具)。整個雷射器未採用複雜的電子線路，抗幹擾能力強，結構簡單化。
第二、實現準連續的雷射輸出本發明可以容易地實現負反饋準連續雷射輸出，而不需超快響應的(約千兆赫)電子學控制電路或高精度的準連續電源，對脈衝泵浦電源的精度以及工作點也無特殊要求。
第三、實現鎖模本發明可實現正反饋鎖模，這種鎖模機制，即克服了非線性飽和吸收體的統計和化學不穩定性，又克服了聲光主動鎖模調製器調製深度淺，驅動電源和腔長匹配精度過高的缺點，而且整個器件均由耐用元件組成，所以可長期穩定可靠地運轉。
這種鎖模還可進一步過渡為準連續穩態鎖模，輸出的鎖模脈衝寬度可更窄。
由於選單縱模、調Q、鎖模、準連續控制均由同一反饋迴路實現，所以結構簡單，實施成本極低，與同性能複雜的傳統雷射器相比，成本可降低10倍以上。


圖1是美國利弗莫爾(Livemoce)NdYAG單縱模調Q振蕩器結構圖。其中
1-全反射腔鏡，2-雷射器工作介質NdYAG棒，3-小孔光欄，4-聲光Q開關，5-2mm厚玻璃平板，6-9mm厚玻璃平板，7-6mm厚空氣隙，8-8mm厚玻璃平板，9-壓電陶瓷(接腔長自動反饋補償系統)。
圖2為本發明的自動跟蹤選單縱模，調Q鎖模方法結構示意圖。其中10-光電導開關的高壓直流電源(或脈衝電源)，11-光電導開關，12-電阻R，13-起偏振器，14-普克爾盒的高壓直流電源，15-普克爾盒，16-雷射輸出腔片。
實施例1應用於NdYAG單縱模調Q雷射器中。雷射器結構示意圖如圖二所示。雷射器腔長L-50cm;全反射腔鏡1的反射率R≈100%(波長1.053μm);小孔光欄的孔徑為φ1.5mm;雷射工作介質為NdYAG棒，φ4×50mm，棒端面與棒軸垂直，兩端面平行度之差＜α″;光電導開關高壓直流電源的工作電壓為3000V;光電導開關接收面的材料為砷化鎵，響應時間小於10ns，靈敏度為當強度為1μj/mm2的雷射照射它時，它的電阻下降106倍，接收面尺寸為2×3×0.5mm3;電阻R的阻值為100KΩ;起偏振器是鍍膜偏振器，電光開關普克爾盒的直流高壓電源的工作電壓是2000V;普克爾盒的材料為KDP，尺寸為φ8×15mm;雷射輸出腔片反射率R＝50%(波長1.053μm)。
該雷射器輸出參數是調Q脈衝寬度35ns，能量30μj，輸出脈衝寬度和能量起伏≤±5%，輸出單縱模機率為100%，能長期穩定工作。
實施例2應用於NdYAG準連續雷射器中。雷射器結構示意圖如圖二所示。雷射器腔長L＝150cm;雷射工作物質為NdYAG棒，φ5×50mm，電光開關普克爾盒的直流高壓電源的工作電壓是3900V，電阻R的阻值為5KΩ，其它參數與實施例1基本相同。
該雷射器輸出參數是準連續脈衝波形的寬度為100μs(泵浦電源的放電波形僅為150ns)可長期穩定工作。
實施例3應用於NdYAG鎖模雷射器中。圖2為雷射器結構示意圖，NdYAG為雷射工作物質，棒尺寸為φ5×50mm，小角度(2)切割，電阻R的阻值為50Ω，其它參數均與實施例1相同，設置腔長與反饋迴路同步。
雷射器輸出參數是鎖模機率近似100%，鎖模脈衝寬度～100Ps，鎖模脈衝序列能量～10mj，序列能量穩定性±5%，可長期穩定工作。
權利要求
1.一種自動跟蹤選單縱模、調Q與鎖模方法，其特徵在於光電導開關，接收雷射束照射後產生電流脈衝經過與光電導開關串聯的電阻R形成反饋電壓VR，加於電光開關-普克爾盒上，構成反饋迴路。
2.根據權利要求1所述的一種自動跟蹤選單縱模調Q與鎖模方法，其特徵在於電光開關-普克爾盒的有效電壓Vef＝Vb-VR，其中Vb由普克爾盒高壓直流電源供給的稱為偏壓的電壓值，VR-為與光電導開關串聯的電阻R有電流脈衝經過時，產生的反饋電壓值。
3.根據權利要求1所述的一種自動跟蹤選單縱模調Q與鎖模方法，其特徵在於光電導開關的光電材料的電阻值與所接收的光強成反比、響應時間小於10nS，靈敏度當接收光強為1μj/mm2的光照時，電阻值下降至少為104倍。
4.根據權利要求1所述的一種自動跟蹤選單縱模調Q與鎖模方法，其特徵在於光電導串聯的電阻R的阻值大於10Ω。
全文摘要
本發明為雷射技術領域中一種自動跟蹤選單縱模、調Q與鎖模方法。由光電導開關接收雷射束照射後產生電流脈衝經過與光電導開關串聯的電阻R形成反饋電壓V
文檔編號H01S3/107GK1065558SQ91107359
公開日1992年10月21日 申請日期1991年4月4日 優先權日1991年4月4日
發明者陳紹和, 陳韜略, 陳有明 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所