大跨度重频跃变的调Q激光脉冲产生方法

摘要

本发明涉及激光器技术领域，其公开了一种大跨度重频跃变的调Q激光脉冲产生方法，该方法通过控制作用于调Q激光器泵浦脉冲序列和调Q脉冲序列，以产生大跨度重频跃变的调Q激光脉冲序列，所述泵浦脉冲序列中的泵浦脉冲宽度不相同，一个所述泵浦脉冲可以对应一个所述调Q脉冲序列中的调Q脉冲，也可以对应多个调Q脉冲。利用本发明的方法得到的大跨度重频跃变的调Q激光脉冲序列中包含具有不同重复频率的激光脉冲，重复频率跨度大且可以跃变。

权利要求

1.一种大跨度重频跃变的调Q激光脉冲产生方法，其特征在于，通过控制作用于调Q激光器的泵浦脉冲序列和调Q脉冲序列，产生大跨度重频跃变的调Q激光脉冲序列，其中，所述大跨度重频跃变的调Q激光脉冲序列中包含具有不同重复频率的激光脉冲，重复频率能够跃变;其中，所述泵浦脉冲序列中的泵浦脉冲宽度不相同，一个泵浦脉冲对应一个所述调Q脉冲序列中的调Q脉冲或者对应多个所述调Q脉冲。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当将所述泵浦脉冲序列中对应一个调Q脉冲的窄泵浦脉冲，和相应低频调Q脉冲作用于调Q激光器时，在所述窄泵浦脉冲作用截止之后延迟一段时间，再将所述低频调Q脉冲加到所述调Q激光器。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所延迟的时间的大小由激光介质的上能级寿命及泵浦源的辐射时间特性决定。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，当将对应多个调Q脉冲的宽泵浦脉冲，和相应高频调Q脉冲作用于调Q激光器时，所述宽泵浦脉冲一直作用于所述调Q激光器，每次当激光上下能级间的反转粒子数达到最大时，将一个高频调Q脉冲加到所述调Q激光器。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高频调Q脉冲的脉冲间隔大于或等于激光介质的上能级寿命时，对应的所述调Q激光器输出的高重复频率的激光脉冲的单脉冲能量不随所述高频调Q脉冲频率的变化而改变。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述高频调Q脉冲加到所述调Q激光器的时间间隔小于激光介质的上能级寿命时，对应的所述调Q激光器输出的高重复频率的激光脉冲的单脉冲能量随所述高频调Q脉冲频率的变化而改变，且时间间隔越小，所述调Q激光器输出激光脉冲序列中单脉冲能量越小。

7.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，当将所述窄泵浦脉冲和所述低频调Q脉冲作用于调Q激光器时，通过减小所述窄泵浦脉冲的脉冲宽度，降低所述调Q激光器在低重频状态工作时输出的激光脉冲序列中单脉冲能量的大小。

说明书

大跨度重频跃变的调Q激光脉冲产生方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种包含具有不同重复频率的激光脉冲，重复频率跨度大且可以跃变的大跨度重频跃变的调Q激光脉冲产生方法。

背景技术

[0002] 激光调Q技术是将激光的全部能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使激光器发光的峰值功率提高几个数量级的一种技术，激光调Q技术从1961年提出以后，发展极为6 -9
迅速，现在要得到峰值功率在兆瓦级(10W)以上、脉冲宽度为纳秒级(10 s)的激光脉冲已并不困难。现有的调Q技术中，所提供的调Q脉冲的重复频率一般都是单一的，激光器产生的调Q激光脉冲的重复频率也是一定的。

[0003] 目前使用的调Q激光器要么采用连续泵浦的方式，要么采用脉冲泵浦的方式。以连续泵浦方式工作的激光器，一般工作在高重复频率状态，考虑到泵浦源散热的需求，以及激光器输出激光的稳定性，泵浦功率不能太大，相应的，激光器的输出光脉冲的单脉冲能量都比较小；以脉冲泵浦方式工作的激光器，一般工作在低重复频率状态，由于泵浦源不是一直工作，因此，可以在泵浦作用的时间内提供较高的泵浦功率，而总体的泵浦功率维持在一个较低的水平。

[0004] 以连续泵浦方式工作的调Q激光器，通过控制调Q脉冲的重复频率可以实现调Q激光脉冲序列中包含多种重复频率的脉冲，但受到泵浦功率的限制，每一个激光脉冲的单脉冲能量都会比较小。以脉冲泵浦方式工作的调Q激光器，通过控制泵浦脉冲及相应的调Q脉冲之间的时间间隔，也可以实现调Q激光脉冲序列中含有不同时间间隔的激光脉冲，即含有不同的重复频率，并且每个脉冲的单脉冲能量较大，不过，考虑激光器散热的要求以及激光输出的稳定性，两个调Q激光脉冲的时间间隔不能过小，因此，利用这种方法不能使得激光器输出的调Q激光脉冲中含有较高频率的激光脉冲。

[0005] 以连续泵浦方式工作的调Q激光器可以输出较高重复频率的激光，但激光的单脉冲能量较低，通过增加泵浦光功率可以提高激光器输出的激光单脉冲能量，但这是对系统的散热及工作稳定性的要求会随之增加，使激光器变得庞大、复杂。以脉冲泵浦方式工作的调Q激光器，增加泵浦光的平均光功率及采取更有效的散热措施，也可以使得输出调Q激光脉冲的重复频率增大，但这同样对系统整体稳定性的要求增加，使得激光器变得庞大、复杂。

[0006] 综上，现有的调Q脉冲激光器要么工作在较低重复频率、单脉冲能量较大的状态，要么工作在高重复频率，单脉冲能量较小的状态。要实现同一激光器输出的激光脉冲中含有重复频率较高、单脉冲能量较大的激光脉冲会使得激光器变得庞大、复杂。

发明内容

[0007] (一)要解决的技术问题

[0008] 本发明要解决的技术问题是：如何在保持激光器现有规模的前提下，实现同一激光器的输出序列中既含有较低重复频率的激光脉冲，又含有较高重复频率的激光脉冲，所有激光脉冲的单脉冲能量都比较大，激光脉冲的重复频率可以实现大跨度的跃变。

[0009] (二)技术方案

[0010] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种大跨度重频跃变的调Q激光脉冲产生方法，通过控制作用于调Q激光器的泵浦脉冲序列和调Q脉冲序列，产生大跨度重频跃变的调Q激光脉冲序列，其中，所述大跨度重频跃变的调Q激光脉冲序列中包含具有不同重复频率的激光脉冲，重复频率能够跃变。

[0011] 优选地，所述泵浦脉冲序列中的泵浦脉冲宽度不相同，一个泵浦脉冲对应一个所述调Q脉冲序列中的调Q脉冲或者对应多个所述调Q脉冲。

[0012] 优选地，当将所述泵浦脉冲序列中对应一个调Q脉冲的窄泵浦脉冲，和相应低频调Q脉冲作用于调Q激光器时，在所述窄泵浦脉冲作用截止之后延迟一段时间，再将所述低频调Q脉冲加到所述调Q激光器。一个窄泵浦脉冲对应一个低频调Q脉冲。

[0013] 优选地，所延迟的时间的大小由激光介质的上能级寿命及泵浦源的辐射时间特性决定。

[0014] 优选地，当将对应多个调Q脉冲的宽泵浦脉冲和相应高频调Q脉冲作用于调Q激光器时，所述宽泵浦脉冲一直作用于所述调Q激光器，每次当激光上下能级间的反转粒子数达到最大时，将一个高频调Q脉冲加到所述调Q激光器。一个宽泵浦脉冲对应多个所述高频调Q脉冲。

[0015] 优选地，所述高频调Q脉冲的脉冲间隔大于或等于激光介质的上能级寿命时，对应的所述调Q激光器输出的高重复频率的激光脉冲的单脉冲能量不随所述高频调Q脉冲频率的变化而改变。

[0016] 优选地，所述高频调Q脉冲加到所述调Q激光器的时间间隔小于激光介质的上能级寿命时，对应的所述调Q激光器输出的高重复频率的激光脉冲的单脉冲能量随所述高频调Q脉冲频率的变化而改变，且时间间隔越小，所述调Q激光器输出激光脉冲序列中单脉冲能量越小。

[0017] 优选地，当将所述窄泵浦脉冲和所述低频调Q脉冲作用于调Q激光器时，通过减小所述窄泵浦脉冲的脉冲宽度，降低所述调Q激光器在低重频状态工作时输出的激光脉冲序列中单脉冲能量的大小。

[0018] (三)有益效果

[0019] 本发明通过设计泵浦源的泵浦脉冲和调Q开关的控制脉冲，提出了一种可以让一台激光器输出的激光脉冲序列中既包含低重频的脉冲序列，又包含高重频的脉冲序列的方法，通过对泵浦脉冲和调Q脉冲的调整，可以使激光器在不增加规模和系统复杂性的前提下，输出的低重频脉冲和高重频脉冲的峰值功率相当，当然，通过控制调Q脉冲也可以使二者有所差别。

附图说明

[0020] 图1是依据本发明实施例的方法中所使用的泵浦脉冲、调Q脉冲及所产生的相应激光输出脉冲示意图，其中，所输出的高重频和低重频激光脉冲的单脉冲能量相当；

[0021] 图2是依据本发明实施例的方法中所使用的泵浦脉冲、调Q脉冲及所产生的相应激光输出脉冲示意图，其中，通过减小窄泵浦脉冲的宽度，使所输出的低重频激光脉冲的单脉冲能量比高重频小；以及

[0022] 图3是依据本发明实施例的方法中所使用的泵浦脉冲、调Q脉冲及所产生的相应激光输出脉冲示意图，其中，通过提高宽泵浦脉冲对应的高频调Q脉冲的频率，使所输出的高重频激光脉冲的单脉冲能量比低重频小。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0024] 本发明实施例的大跨度重频跃变的激光脉冲产生方法，将泵浦脉冲序列和对应的调Q脉冲序列作用于调Q激光器，以产生激光脉冲序列，所述激光脉冲序列中包含具有不同重复频率的脉冲序列，其中，所述泵浦脉冲序列包括脉宽较窄的窄泵浦脉冲和脉宽较宽的宽泵浦脉冲，所述调Q脉冲序列包括频率较低的低频调Q脉冲和频率较高的高频调Q脉冲。

[0025] 高频调Q脉冲的脉冲间隔不小于激光介质上能级的寿命，以便获得较大的单脉冲能量，也就是说激光介质的上能级寿命决定了激光单脉冲能量较大时对应的高重频调Q脉冲的频率上限，当调Q脉冲频率高于此限制时，激光器输出的单脉冲能量会减小，且调Q脉冲的频率越高，单脉冲能量就越小，相同脉宽的调Q脉冲作用下，脉冲峰值功率就越低。

[0026] 窄泵浦脉冲作用时，要使激光器输出激光脉冲的单脉冲能量最大，对应的最小泵浦脉冲宽度由脉冲泵浦速率和激光介质上能级寿命决定，当窄泵浦脉冲宽度大于这一最小宽度时，输出的单脉冲能量都大致相同，当窄泵浦脉冲宽度小于这一最小宽度时，激光器输出的激光单脉冲能量下降，且窄泵浦脉冲宽度越窄，激光器输出的低重频单脉冲能量越低。

[0027] 宽泵浦脉冲作用时，激光器输出单脉冲的能量和宽泵浦脉冲对应的调Q脉冲的频率有关，调Q脉冲频率越高，激光器输出的单脉冲能量越小，反之，调Q频率越低，激光单脉冲能量就越大，但是当调Q脉冲的频率达到某一值时，再降低脉冲频率，激光单脉冲的能量也不会再增大，即调Q脉冲的频率有一临界值，该临界值主要由泵浦速率和激光介质上能级的寿命决定，虽然调Q脉冲的脉冲宽度会对该值产生影响，但由于调Q脉冲宽度一般远远小于泵浦脉冲的宽度，所以它产生的影响可以忽略不计。

[0028] 激光器输出脉冲的脉冲宽度可以通过调节调Q脉冲的宽度，特别是改变调Q脉冲上升沿的时间进行改变，调Q脉冲脉宽越宽，上升沿时间越长，激光器输出激光脉冲宽度就越宽，调Q脉冲脉宽很窄时，调Q脉宽加大，激光脉冲宽度随之增加，但当调Q脉宽增大到某一临界值时，激光脉冲的脉宽就不再随调Q脉冲脉宽的增大而增大，这一临界值对于激光介质储能的脉冲调Q激光器，由光脉冲在谐振腔内形成和输出所需要的时间决定，对于谐振腔储能即“腔倒空”式激光器，由激光脉冲从谐振腔内输出所需的时间决定。当然，如果延长Q开关的开启时间(对应调Q脉冲的上升沿)，则激光脉冲的宽度会随着Q开关开启时间的增大而增大。

[0029] 下面结合附图具体说明本发明的实施例。

[0030] 图1是依据本发明实施例的方法中所使用的泵浦脉冲、调Q脉冲及所产生的相应激光输出脉冲示意图，其中，所输出的高重频和低重频激光脉冲的单脉冲能量相当。图中1为本发明提出的方法中使用的一种泵浦脉冲Wp，2为和Wp相应的调Q脉冲Q1，3为在Wp和Q1共同的作用下，激光器输出的激光脉冲φ1，泵浦脉冲Wp作用于激光增益单元6，相应的调Q脉冲Q1作用于调Q单元5。

[0031] 全反射镜4和输出镜7构成谐振腔，当调Q脉冲处于低电平时，谐振腔损耗很大，Q值很低，激光振荡阈值高，在这种状态下，泵浦脉冲的作用使激光介质储能，激光上下能级的反转粒子数增大。当调Q脉冲为高电平时，激光谐振腔的损耗降低，Q值升高，激光振荡阈值降低，激光振荡迅速建立，并通过输出镜7输出如3所示的激光脉冲8。

[0032] 泵浦脉冲Wp分为两种类型，一种是脉宽较窄(即泵浦作用时间较短)的窄泵浦脉冲，另一种是脉宽较宽(即泵浦作用时间较短长)的宽泵浦脉冲；相应的调Q脉冲Q1也分别包括两种类型，一种是频率较低的脉冲，另一种是频率较高的脉冲，低频调Q脉冲和窄泵浦脉冲相对应，一个窄脉冲泵浦脉冲对应一个低频调Q脉冲，高频调Q脉冲和宽泵浦脉冲相对应，一个宽泵浦脉冲对应多个高频调Q脉冲。激光器输出激光脉冲的脉宽与调Q脉冲的脉宽(特别是上升沿的作用时间)相关，调Q脉宽越宽，上升沿作用时间越长，激光脉冲的脉宽也越宽，在相同泵浦脉冲的作用下，调Q脉宽增加，激光脉冲的峰值功率降低。

[0033] 每个窄泵浦脉冲作用时，泵浦光将基态粒子抽运到激光上能级，在泵浦脉冲作用下，基态粒子被抽运到激光上能级，随着泵浦作用的进行，激光上能级的粒子数越来越多，上下能级反转粒子数增大，但受粒子在激光上能级的寿命限制，粒子不能长时间占据上能级，当粒子在上能级占据的时间大于上能级粒子寿命时，受激粒子会自发辐射到激光下能级，造成上下能级间的反转粒子数下降，可见，随着泵浦脉冲的进行，基态粒子不断被抽运到激光上能级，使激光上下能级的反转粒子数增加，同时，当泵浦作用超过一定时间限度时，激光上能级的粒子会因为占据上能级的时间超过上能级粒子的寿命而自发辐射到激光下能级，造成粒子数翻转下降，因此，可以预见，当泵浦作用一段时间后，激光上下能级间的反转粒子数将达到最大，形成饱和；因此，当窄泵浦脉冲宽度选择上下能级反转粒子数刚刚达到饱和所对应的时间时，既可以得到最大的反转粒子数，实现最大的激光单脉冲能量输出。

[0034] 当窄泵浦脉冲结束时，由于泵浦源的辐射相对于泵浦脉冲来讲有一定时间的滞后，因此，泵浦脉冲截止时，相应的调Q脉冲并不是立即加上去，而是延迟一段时间，等到激光介质中上下能级反转粒子数达到最大时，调Q脉冲再加上去，使谐振腔的Q值突然升高，腔内损耗迅速下降，激光器出光阈值大幅度降低，激光器输出一个调Q激光脉冲。

[0035] 宽泵浦脉冲作用时，泵浦光将基态粒子抽运到激光上能级，随着泵浦作用时间的增加，激光上能级积累得粒子数越来越多，上下能级间的反转粒子数随着增大，当上下能级间的反转粒子数达到最大时，调Q脉冲到来，激光谐振腔的Q值突然升高，损耗下降，激光器出光阈值降低，激光器输出一个激光脉冲，因为调Q脉冲作用时，激光上下能级反转粒子数已经达到最大，也就是激光介质的储能达到最大，因此，输出的激光脉冲和窄泵浦脉冲作用下输出的激光脉冲的单脉冲能量相同，如果调Q脉冲的脉宽与窄脉冲泵浦对应的低频调Q脉冲的脉宽相同(特别是上升沿时间相同)，那么，输出激光脉冲的峰值功率也相同；由于泵浦作用一直在进行，所以当调Q脉冲作用完毕后，谐振腔的Q值降低，损耗增大，激光器出光阈值增大，激光介质又处于储能状态，激光上下能级间的反转粒子数又开始增大，当反转粒子数增大到最大时，下一个调Q脉冲到来，激光器又输出一个激光脉冲，由于泵浦脉冲开始作用到激光上下能级粒子数反转达到最大值所用的时间是由激光上能级寿命决定的，该时间很短，因此在宽泵浦脉冲作用下，激光器会输出很高重复频率的激光脉冲，以Nd:YAG为例，高峰值功率大能量脉冲调Q激光器一般工作重频在100Hz以下，激光上能级的寿命为230us，相应的泵浦时间与之相当，也取230us，则宽泵浦脉冲作用下对应的调Q脉冲的重频为4.347KHz，所以Nd:YAG激光器在本发明所述泵浦脉冲和相应调Q脉冲共同作用下，可实现低重频(100Hz以下)和高重频(4.3KHz左右)激光脉冲在同一激光输出脉冲序列中输出，可见激光重频跨度非常大。

[0036] 在宽泵浦脉冲的作用下，由于泵浦脉冲持续时间长，激光器中产生的热量要比窄脉冲作用时大得多，由此引起的激光介质中的热效应也要比窄泵浦脉冲作用时严重得多，并且，泵浦作用持续时间越长，激光器中积聚的热量越大，热效应对激光器的影响越严重，所以，宽泵浦脉冲的脉冲宽度不能太宽，且在整个泵浦脉冲序列中所占的时间比率不能太大，其具体数值要受到激光器具体结构和散热性能的限制，在设计宽泵浦脉冲宽度及其在泵浦脉冲序列中的时间配比时，还要考虑激光器具体应用要求。

[0037] 图2是依据本发明实施例的方法中所使用的泵浦脉冲、调Q脉冲及所产生的相应激光输出脉冲示意图，其中，通过减小窄泵浦脉冲的宽度，使所输出的低重频激光脉冲的单脉冲能量比高重频小。窄泵浦脉冲作用时，由于激光器发射激光脉冲的峰值功率和泵浦作用时间有关，当泵浦作用时间长度达到使激光介质上下能级反转粒子数达到饱和时，激光器输出的激光脉冲的单脉冲能量达到最大值，若调Q脉宽一致，则相应的激光单脉冲峰值功率也达到最大；而当泵浦脉冲的脉冲宽度减小时，泵浦作用时间不足以使激光介质上下能级的反转粒子数达到最大，因此，当调Q脉冲到来时，激光器输出的激光脉冲的单脉冲能量会降低，相应的峰值功率也会下降，图2中的泵浦脉冲9中，窄脉冲的宽度小于饱和宽度，所以在相应的调Q脉冲2的作用下，输出的激光脉冲序列如10所示。并且，窄泵浦脉冲的脉冲宽度越窄，即泵浦作用时间越短，激光器输出激光脉冲的单脉冲能量也会越小，调Q脉宽一致的情况下，相应激光脉冲的峰值功率就会越低。利用这一特性，可以通过缩短窄脉冲泵浦的脉冲宽度，实现低重频激光脉冲的峰值功率较小、单脉冲能量较低，而高重频激光脉冲的峰值功率较大、单脉冲能量较大的激光脉冲序列的输出。

[0038] 图3是依据本发明实施例的方法中所使用的泵浦脉冲、调Q脉冲及所产生的相应激光输出脉冲示意图，其中，通过提高宽泵浦脉冲对应的高频调Q脉冲的频率，使所输出的高重频激光脉冲的单脉冲能量比低重频小。宽泵浦脉冲作用时，激光器发射的激光脉冲的单脉冲能量和调Q脉冲的频率有关，即与调Q脉冲之间的时间间隔相关。当两个调Q脉冲之间的时间间隔足以使泵浦辐射将激光介质上下能级的反转粒子数达到最大值时，激光器输出激光单脉冲能量达到最大值，同样脉宽的调Q脉冲作用下，脉冲峰值功率也相应达到最大。相反，当两个调Q脉冲之间的时间间隔减小时，两相邻调Q脉冲所限定的泵浦作用时间不足以使激光介质上下能级反转粒子数达到最大值，因此，激光器输出的激光脉冲的单脉冲能量会减小，相应脉冲峰值功率会下降，图3中在泵浦脉冲1的作用下，调Q脉冲11对应宽泵浦脉冲的高频调Q脉冲的频率高于激光器产生最大单脉冲能量的最高调Q脉冲频率，所以相应的激光输出脉冲12中，高重频激光脉冲的单脉冲能量较低，对于相同宽度的泵浦脉冲，高重频激光脉冲对应的峰值功率比低重频脉冲低。另外，调Q脉冲之间的时间间隔越小，即调Q脉冲的重复频率越高，激光器输出的高重频激光脉冲的峰值功率就越低，相应的激光脉冲的单脉冲能量也就越小。利用这一原理，在宽泵浦脉冲作用下，可以通过加大调Q脉冲的重复频率，即缩短相邻两个调Q脉冲之间的时间间距，来降低激光器输出的高重频激光脉冲的峰值功率和单脉冲能量，从而实现在激光器的同一输出激光脉冲序列中，低重频的激光脉冲峰值功率较大、单脉冲能量较高，而高重频的激光脉冲的峰值功率较低、单脉冲能量较小的激光脉冲序列输出。

[0039] 本发明的方法可应用于现有的任意类型的调Q激光器，包括激光介质储能的机械调Q、电光调Q、声光调Q、可饱和吸收体被动调Q以及谐振腔存储能的“腔倒空”激光器等。

[0040] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。