CN105896259B - Q开关Nd:YAG激光脉宽压窄技术 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种Q开关Nd：YAG激光脉冲压窄技术。其核心为：1.在普通Q开关Nd：YAG激光器输出端增加一支λ/4波片和一件全反射镜。该全反射镜返回的所有偏振光，在偏振器输出腔外。振荡器在储能期间，外加的全反射镜与振荡级的全反射镜不成腔，不改变激光器振荡级实现高储能。而在Q开关打开后，将振荡级的输出全部反馈回来，迅速将振荡级激光棒内的储能抽空以压窄脉宽。2.两次利用Cr4+：YAG的可饱和吸收性能，在储能期间作为隔离器。在有激光输出时，作为削波器压窄脉宽。3.在振荡级采用凹凸热稳定腔，在短腔长的条件下扩大膜体积，同时减小光束角。在偏振反馈时进行扩束，进一步压窄光束角，同时充分利用振荡级激光棒内的储能，提高效率。4.利用加压式的退压方式克服电光Q开关的应力滞后，获得最大输出。

Description

Q开关Nd:YAG激光脉宽压窄技术

技术领域

本发明涉及激光脉冲压缩技术，它将很大的激光能量压缩至极短的脉冲时间内，从而获得极高的脉冲峰值功率。

背景技术

2012年，美国推出Medlite C6激光美容仪，基本解决了黄褐斑治疗后的返黑难题。其关键技术一是输出脉宽5ns，输出光束经匀化后实现平帽输出。但每台售价当时120万元人民币。为实现高端医疗美容设备的国产化，摆脱对国外高价设备的依赖，触成了本发明。

目前压窄Q开关激光脉宽的办法包括：1.缩短腔长，2.提高偏振器与普克尔盒构成的电光开关的消光比，增加激光棒内的储能。3.增大输出镜的反射率，减小开关打开后激光振荡次数。在普通采用的Nd：YAG电光Q开关技术中，能获得的激光脉冲宽度一般在8-10ns.个别的可到6-7ns.不采用特殊措施，进一步压窄脉冲宽度已不可能。因为缩短腔长必须保证在腔内可以放下激光棒(Nd：YA6)，电光开关(偏振器与普克尔盒)，谐振腔反射镜等这些必不可少的元件。这些器件中唯一可以进一步减小的只有激光棒。但激光棒太短，必然减小激光脉冲的输出能量。提高开关的消光比即便采用进口元件也是有限的。提高输出镜的反射率是不可取的，因为这会减小激光棒内的储能。实际上有的已只有R＝4％.即用一只平玻璃片内表面增透，外表面作反射镜。由上述理由可以看出，用普通电光Q开关来获得5ns以下的激光脉宽是不可能的。采用腔倒空或腔内裁切的办法可以把脉宽压到5ns以下。但必须有上升前沿和同步精度在1ns以下，耐压大于5000V的电开关元件。这需专门研制采用高速雪崩二极管或模式管串联的开关。而且这些技术大大降低了激光器的能量抽取效率。也必然增加系统的复杂性和成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷，提出本发明。本发明提供了一种激光脉冲压缩的新技术，不仅使脉宽可以压窄，同时可使光束扩大，光束角减小，并使激光能量增加。

本发明的技术方案为：

Q开关Nd：YAG激光脉冲压窄方法，采用Q开关Nd：YAG激光器，其特征在于：是将现有激光从输出镜的输出改为激光从偏振输出全反射镜反射回偏振器，再由偏振器输出。

本发明设备简单，可有效地将脉冲宽度压缩到小于2ns。。本发明经济实用，在激光医疗，激光加工，以及激光测距，激光风洞粒子速度测量(PIV技术)等军事领域可有广泛的应用。

附图说明：

图1：普通偏振反馈输出的Nd：YAG电光Q开关激光器示意图

1-1：振荡级全反射镜 1-2：振荡级限模光栏

1-3：KD*P普克尔盒 1-4：偏振器

1-5：振荡级Nd：YAG棒 1-6：振荡级输出镜

1-7：λ/4波片 1-8：偏振输出全反射镜

图2：带有凹凸热稳腔和偏振反馈扩束及Cr4+隔离与削波的Nd：YAG电光Q开关激光器示意图

2-1：振荡级凸面全反射镜 2-2：振荡级限膜光栏(光栏孔直径0.5-3.0mm)

2-3：KD*P普克尔盒， 2-4：偏振器

2-5：振荡级Nd：YAG棒

2-6：振荡级平凸输出镜(凸面向腔内，镀1064nm增透膜，平面向腔外，无膜，R＝4％)

2-7：Cr4+：YAG可饱和吸收体， 2-8：1064nmλ/4波片，

2-9：偏振输出凸面全反射镜。 2-10.折叠全反射镜

2-11.Cr4+：YAG可饱和吸收体。 2-12.放大级Nd：YAG棒

2-13.可移动KTP倍频晶体，可实现1.064，0.53微米双波长输出

图3：Q开关加压式退压电路

普克尔盒一端电极连接激光电源的可调直流高压(0-4500V)，另一端电极连接高压脉冲变压器的次级，次级线圈另一端经一电阻接地。高压脉冲变压器的初级输入280-400V可调延时脉冲，该脉冲相对氙灯触发脉冲延时约100-150微秒。其脉冲幅度应使Q开关输出能量最大。

具体实施方式

下面参照图1-图3对本发明Q开关Nd：YAG激光脉宽压窄技术作详细说明：本发明是一种采用由偏振器输出的办法压窄激光脉宽的技术。图1所示的是实施例一的结构示意图。在图1中，本发明与现有激光器相同的是：包括依次组成的 全反射镜1-1，限模光栏1-2，普克尔盒1-3，偏振器1-4，Nd：YAG激光棒1-5和输出镜1-6。激光器的输出镜的反射率R＝4％.这样有利于激光棒1-5内的储能。但这会增加由普克尔盒1-3和偏振器1-4组成的Q开关打开后腔内振荡的次数，从而增加脉宽。本发明是将现有激光从输出镜1-6的输出改为激光从偏振输出全反射镜1-8反射回偏振器1-4，再由偏振器1-4输出。其结构是：在输出镜1-6后加一只偏振输出全反射镜1-8和一只1064nmλ/4波片1-7，偏振输出全反射镜1-8会将振荡级的输出全部反射回偏振器1-4，在经过Nd：YAG激光棒时迅速将1-5内的储能抽空，使振荡迅速结束。返回的光束往返两次经λ/4波片1-7后其偏振方向旋转90°，可从偏振器1-4耦合出腔外。这就相当于在不降低Nd：YAG激光棒1-5储能的条件下，将普通振荡级的输出镜1-6反射率变为100％。使Q开关打开后，迅速将激光棒1-5内储能抽空。将输出脉冲压窄。本发明振荡器在储能期间，外加的全反射镜与振荡级的全反射镜不成腔，不改变普通Q开关Nd：YAG激光器振荡级实现高储能，而在Q开关打开后，将振荡级的输出全部反馈回来，迅速将振荡级激光棒内的储能抽空以压窄脉宽。同时，此结构也相当于将振荡级Nd：YAG棒既作为振荡棒又作为放大棒。实现抽取效率的最大化。

图2所示的是本发明实施例二的结构。它在图1所示结构的基础上，能使激光光束扩大并使激光能量增加。参见图2，本发明由凸面全反射镜2-1，限膜光栏2-2，普克尔盒2-3，偏振器2-4，振荡级Nd：YAG棒2-5，平凸输出镜2-6，振荡级Cr4+：YAG可饱和吸收体2-7，1064nmλ/4波片2-8，偏振输出凸面全反射镜2-9组成振荡级；由折叠全反射镜2-10，放大级Cr4+：YAG可饱和吸收体2-11，放大级Nd：YAG棒2-12，可移动KTP倍频晶体2-13组成放大级；激光由偏振输出凸面全反射镜2-9经平凸输出镜2-6，将振荡级的输出全部反射回偏振器2-4，从偏振器2-4耦合出腔外，进入放大级，激光最后由可移动KTP倍频晶体2-13输出。

此实施例二的发明点是：

1、振荡级采用凹凸镜热稳定腔(即由振荡级凸面全反射镜2-1与振荡级平凸输出镜2-6组成的振荡级谐振腔)，在短腔长的条件下，尽量增大膜体积，腔内加有限膜小孔，在几何结构允许的条件下(用Φ7x100mmNd：YAG棒)，尽量缩短腔长(350±50mm)。

为保证输出光斑～4mm，光束发散角2mr，限膜光栏2-2小孔可选为3mm左右。光栏孔直径可进一步减小到0.5mm，从而可获得单横模工作，可做到光束角＜0.5mr。

2、振荡级输出镜2-6采用平凸镜，凸面向腔内，镀1064nm增透膜，平面向腔外，无膜，以R＝4％的反射率作为振荡级输出。它等效于一只凹面镜。而对于偏振反转后返回的光束，它等效于一只会聚透镜。

3、采用偏振输出凸面全反射镜2-9。它的曲率半径及与平凸输出镜2-6的距离，使其与平凸输出镜2-6共同构成一个扩束望远镜。将振荡级的输出光斑扩大为振荡级Nd：YAG激光棒2-5的直径(Φ7)，并同时将光束角压缩到2mr左右。在不增加任何光学元件的情况下实现脉宽和光束角的双压缩是本发明的另一特征。经反馈扩束后的光束，为平行光束，全部充满振荡级Nd：YAG激光棒2-5，实现抽取效率最大化。

4、在偏振输出凸面全反射镜2-9与振荡级输出镜2-6间，以及在振荡级偏振输出后的折叠全反射镜2-10与外加的放大级Nd：YAG激光棒2-12间，分别加一透过率合适的振荡级Cr4+：YAG可饱和吸收体2-7和放大级Cr4+：YAG可饱和吸收体2-11。因为在振荡级前增加偏振输出全反射镜2-9后，在由普克尔盒2-3和偏振器2-4组成的Q开关关闭期间，Nd：YAG的自发辐射与沿轴的超荧光会因Nd：YAG棒的热应力退偏进入到振荡级全反射镜2-1，从而大大降低储能。加入Cr4+：YAG后，由于其强烈的吸收，使自发辐射被隔离。同时在Q开关打开后，振荡级的输出脉冲前沿的起始部分，被Cr4+：YAG吸收而漂白。后面部分顺利通过。因此两块Cr4+：YAG可饱和吸收体两次起到隔离自发辐射和自动削波压窄脉宽的双重作用。

本实施例中，波片2-8为1064nmλ/4；可移动KTP倍频晶体2-13可实现1.064，0.53微米双波长输出。

图3中所示，本发明的Q开关采用瞬间加压的退压式电路：

普克尔盒1-3和2-3一端电极连接激光电源的可调直流高压(0-4500V)，另一端电极连接高压脉冲变压器的次级，次级线圈另一端经一电阻接地。高压脉冲变压器的初级输入280-400V可调延时脉冲，该脉冲相对氙灯触发脉冲延时约100-150微秒。其脉冲幅度应使Q开关输出能量最大。另外本发明完全不依赖于高速高压电开关元件，使用的脉冲变压器其上升前沿在25-40ns，均不影响获得2ns激光脉宽。在振荡级腔长为350mm的条件下，本技术获得了小于2ns的脉宽，放大后输出能量大于500mj。

图3所示的本发明使用的脉冲变压器即为现在市场上广泛使用的触发盒，初级输入电压控制在280-400V可调。次级电压可达5000V。

在电光Q开关中，光是沿KD*P的光轴传播。不加电压时KD*P是单轴晶体，沿光轴传播无双折射效应。加λ/4电压后，KD*P变为双轴晶体，原来的光轴方向便产生双折射，从而使光的偏振方向往返发生90°旋转。这说明加电压后，KD*P内的原子排列发生了位移。从而在晶体内产生了应力。这种应力在电压退除后，不会像电光效应那样迅速退除。这在Q开关打开后的激光建立和激光输出过程中造成损耗。称为电光效应的应力滞后。本发明为克服此效应，使脉冲变压器产生的电压大于另一极加的高压，即在普克尔盒上退压的同时瞬间加以适当的反向电压，以便克服由于应力滞后造成的损耗。实验证明，可以提高～10％的输出能量。另外，本发明中Q开关实际上为退压式，即直流高压一直加在普科尔盒上，长期工作对调Q晶体不利。为此改变时统信号直接触发氙灯放电的方法，而是首先用于产生调Q高压。经约1ms的延时后再点灯。再经调Q延时，通过加压方式退除普克尔盒上的电压。当激光脉冲输出后，晶体高压关断。故本发明的Q开关方式可以称为瞬时加压式的退压式。这样做一举三得。一是有利于克服普科尔盒的应力滞后，提高激光输出效率：二是节省了普通加压式必须的λ/4波片；三是瞬时加压克服了长期加压所带来的缺陷。

Claims (7)

1.一种Q开关Nd：YAG激光脉宽压窄方法，采用Q开关Nd：YAG激光器，其特征在于：激光从偏振输出全反射镜反射回偏振器，再由偏振器输出；

所述的Q开关Nd：YAG激光器的结构包括：由凸面全反射镜，限膜光栏，普克尔盒，偏振器，振荡级Nd：YAG棒，平凸输出镜，振荡级Cr4+：YAG可饱和吸收体，λ/4波片，偏振输出凸面全反射镜组成振荡级；由折叠全反射镜，放大级Cr4+：YAG可饱和吸收体，放大级Nd：YAG棒，可移动KTP倍频晶体组成放大级；激光由偏振输出凸面全反射镜经平凸输出镜将振荡级输出全部反射回偏振器，从偏振器耦合出腔外，进入放大级，激光最后由可移动KTP倍频晶体输出。

2.根据权利要求1所述的压窄方法，其特征在于：限膜光栏的光栏孔直径为0.5-3.0mm，可做到光束角＜0.5mr。

3.根据权利要求1所述的压窄方法，其特征在于：振荡级输出采用的振荡级输出平凸镜，凸面向腔内，镀增透膜；平面向腔外，无膜，以R＝4％的反射率作为振荡级输出。

4.根据权利要求1所述的压窄方法，其特征在于：偏振输出凸面全反射镜，它的曲率半径及与平凸输出镜的距离，使其与平凸输出镜共同构成一个扩束望远镜；经反馈扩束后的光束，为平行光束，全部充满振荡级Nd：YAG激光棒，实现抽取效率最大化。

5.根据权利要求1或3所述的压窄方法，其特征在于：振荡级凸面全反射镜与振荡级输出平凸镜组成的振荡级谐振腔腔长350±50mm。

6.根据权利要求1或4所述的压窄方法，其特征在于：在偏振输出凸面全反射镜与振荡级输出镜间，以及在振荡级偏振输出后的折叠全反射镜与外加的放大级Nd：YAG激光棒间，分别加一透过率合适的振荡级Cr4+：YAG可饱和吸收体和放大级Cr4+：YAG可饱和吸收体；在由普克尔盒和偏振器组成的Q开关关闭期间，其自发辐射与沿轴的超荧光会因Nd：YAG棒的热应力退偏进入到振荡级全反射镜；加入Cr4+：YAG后，由于其强烈的吸收，使自发辐射被隔离；同时在Q开关打开后，振荡级的输出脉冲前沿的起始部分，被Cr4+：YAG吸收而漂白，后面部分顺利通过；两块Cr4+：YAG可饱和吸收体两次起到隔离自发辐射和自动削波压窄脉宽的双重作用。

7.根据权利要求6所述的压窄方法，其特征在于：所述的Q开关的驱动方式为瞬时加压式的退压式，可以克服电光晶体的应力滞后，提高输出能量，省去普通加压式必须的1/4波片，同时克服普克尔盒长期加压对晶体的损伤。