本发明属于光电子及激光技术领域，更具体地，涉及一种多通道声光复合调q光源及调q方法。
背景技术
调q技术的出现和发展是激光发展历史上的一个重要突破。它是将连续或者长脉冲的激光能量压缩到时间宽度极窄的脉冲并发射输出，从而实现峰值功率极高的一种激光脉冲调制技术。具体来说，调q技术是通过某种方法使谐振腔损耗δ按规定程序变化，在泵浦激励刚开始的时候，先使光腔有高损耗状态，激光器由于阈值太高，不能产生激光震荡，使得上能级粒子数可以大量积累，当积累到饱和值时，腔损耗突然降低，阈值也就突然降低，这时反转集居数大大的超过阈值，此时受激辐射迅速的增强。于是在短时间内大部分上能级粒子数储存的能量转变为激光能量，在输出端产生一个激光巨脉冲输出。
传统的调q技术主要采用声光调q、电光调q、转镜调q等方法。其中，声光调q和电光调q技术已经成为激光调q激光光源的主流，并广泛地应用到激光工业加工领域(激光标刻、激光刻蚀、激光毛化等)、激光测量领域等各种领域，尤其是声光调q技术在高重复频率的运行中存在明显的优势。然而随着激光工业加工对加工效率不断提升需求的快速发展，现有的固体激光器声光调q技术依然存在如下几个问题：(1)对于传统的激光调q方式，在注入功率不变的条件下，随着重复频率增加，输出的单脉冲能量会大幅减小，无法满足调q脉冲在高重复频率加工工艺参数的技术要求。(2)随着激光重复频率的提高，激光调q器件的电气开关速度已经无法满足实际应用的要求，因此需要寻求新的控制技术。可见，随着激光工业加工的快速发展，对高重复频率的新型激光调q技术的需求也愈发迫切。
技术实现要素：
针对实际应用的需求和现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出了一种新型的声光复合调q的方法及相关实现方案，旨在解决现有技术中在增加重复频率的同时，单脉冲能量降低的技术难题，满足激光工业加工中，对高重复频率脉冲能量不变的激光光源的迫切需求。
一种多通道声光复合调q光源，其特征在于，包括输出镜，设置在输出镜一侧的全反镜，增益介质设置在输出镜和全反镜之间，声光调制模块设置在输出镜和增益介质之间；所述全反镜包括第一全反镜和第二全反镜，所述输出镜和所述第一全反镜平行放置，与声光调制模块构成第一激光谐振腔，所述第二全反镜光轴与正一级或负一级布拉格衍射输出光方向重合，与输出镜和声光调制模块构成第二激光谐振腔。增益介质包括激光增益介质和激光增益介质，声光调制模块与第一全反镜的轴线上有激光增益介质，声光调制模块与第二全反镜的轴线上放置相同的激光增益介质。
一种多通道声光复合调q光源，其特征在于，包括输出镜，设置在输出镜一侧的全反镜，增益介质设置在输出镜和全反镜之间，声光调制模块设置在输出镜和增益介质之间；所述声光调制模块为多个，分别是第一声光调制模块，成对的第1-1声光调制模块、第1-2声光调制模块；成对的第2-1声光调制模块、第2-2声光调制模块；成对的第2-3声光调制模块、第2-4声光调制模块；……；成对的第n-(2n-1)声光调制模块、第n-2n声光调制模块；
所述增益介质多个，分别是成对的第n-1激光增益介质、第n-2激光增益介质；成对的第n-3激光增益介质、第n-4激光增益介质；……；成对的第n-(2n+1-1)激光增益介质、第n-2n+1激光增益介质；所述全反镜包括成对的第n-1全反镜、第n-2全反镜；成对的第n-3全反镜、第n-4全反镜；……；成对的第n-(2n-1)全反镜、第n-2n全反镜；其中n为正整数；所述第n-1声光调制模块和第n-1激光增益介质、第n-2激光增益介质构成第1个调制组件，第n-2声光调制模块和第n-3激光增益介质、第n-4激光增益介质构成第2个调制组件；……；第n-(2n)声光调制模块和第n-(2n+1-1)激光增益介质、第n-(2n+1)激光增益介质构成第n个调制组件。
在上述的一种多通道声光复合调q光源，所述输出镜(1)和所述第n-2n+1全反镜平行放置，并与第n-2n声光调制模块，与第n-2n+1激光增益介质构成第一激光谐振腔；所述第n-(2n+1-1)全反镜光轴与正一级或负一级布拉格衍射输出光方向重合，与输出镜、第n-(2n+1-1)激光增益介质和第n-2n声光调制模块构成第二激光谐振腔；……；所述第n-1全反镜光轴与正一级或负一级布拉格衍射输出光方向重合，与输出镜(1)、第n-1激光增益介质和第n-1声光调制模块构成第2n+1激光谐振腔。
一种采用多通道声光复合调q光源进行声光复合调q的方法，其特征在于，包括：
步骤1、当加入超声场时，由布拉格衍射作用+1级衍射光方向的第二谐振腔打开，0级衍射光方向的第一谐振腔处于关闭的状态，第一谐振腔内损耗大，腔内激光增益介质开始进行反转粒子数的积累。
步骤2、当反转粒子数不断累积至最值δni时,声光调制模块内的超声场撤除,第一谐振腔内的损耗阈值降低，谐振腔内的光子数快速增加，实现了一个脉冲宽度为δτp的调q脉冲的输出。
步骤3、声光调制器向+1级衍射光的通道关闭，此时第二谐振腔内的阈值变高，第二谐振腔内激光增益介质开始进行粒子数的积累。
步骤4、当激光增益介质的反转粒子数累积至最值δni,声光调制器内超声信号打开，声光调制器向+1级衍射光的通道再次开启，相当于此时第二谐振腔内的阈值降低，脉冲宽度为δτp的调q脉冲经输出镜输出；
步骤5、当超声场的第二个开关周期的关闭周期时，相对于0级衍射光的通道再次开启，由于第一谐振腔内的损耗阈值突然降低，在0级衍射光方向形成脉冲宽度为δτp的巨脉冲，经输出镜输出，又得到一个φmax的巨脉冲。
步骤6、重复步骤1-5，最终形成了重复频率为传统调q激光器两倍的激光脉冲的输出，且在声光调“q开关”的“开”和“关”周期，均有高能量脉冲输出。
本发明较传统的声光调q方式存在以下优点：(1)利用一套声光调制模块实现了两路调q脉冲的激光输出，在单脉冲能量不变的基础上，将输出脉冲的重复频率提升了一倍。(2)极大的提高了声光调制模块在调q激光器的利用率，实现了调q信号在开关的同时，均有巨脉冲激光的输出。(3)利用该方法，采用多声光调制器级联的方式，可以实现2nf(f为声光调制器的重复频率)重复频率的快速的倍增，满足更高重频激光工业加工的要求。(4)本方法所实现的声光复合激光调q光源在实现单脉冲能量不变、重复频率提升的同时，光源结构更加紧凑，抗干扰能力强，性价比更高。
附图说明
图1是两通道声光复合调q激光光源的示意图。
图2是两通道声光复合调q工作特性原理图及时序图。
图3是四通道声光复合调q激光光源的示意图。
图4是四通道声光复合调q工作特性原理图及时序图。
图5是四通道高重频声光复合调q工作特性原理图及时序图。
具体实施方式
为了更进一步的说明本发明，实施例提供一种结构紧凑的声光复合调q光源，现结合附图和具体实例详述如下：
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种结构紧凑的声光复合调q的激光光源，具体实施参数包括：透过率为5％～60％的输出镜1，第一全反镜2，第二全反镜3，第一和第二全反镜可以是平面镜也可以是凹面反射镜。激光增益介质4，可以为nd:yag，yb:yag，nd:yvo4等标准的激光材料，声光调制模块5，包括射频驱动电源、ln晶体作压电换能器、采用熔石英/氧化碲作为声光互作用介质，并镀有对激光波长高增透的增透模。所述输出镜1和所述第一全反镜2平行放置，与声光调制模块5构成第一激光谐振腔6，同时，所述第二全反镜的光轴3与正一级布拉格衍射输出光方向重合，与输出镜1和声光调制模块5构成第二激光谐振腔7。声光调制模块5与第一全反镜2的轴线上有增益工作介质4-2，声光调制模块5与第二全反镜3的轴线上也有增益工作介质4-1。
基本工作原理描述如下：当外界加入频率为80mhz的射频信号，驱动信号源工作，在ln压电换能器位置实现电到机械运动的转化，当机械运动作用于熔石英为材料的声光互作用介质，形成具有“体光栅”性质的超声场。实现布拉格衍射的条件如下：当声波频率较高，声光互作用长度l较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在介质中要穿过多个声波面，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将相互抵消，只出现0级和+1级(或0级和-1级)(视入射角而定，本例假设只存在0级和+1级衍射光)的布拉格衍射。通过增加射频功率可实现近乎100％的衍射效率。
因此，当加入超声场时，在输出镜1和声光调制模块5之间沿布拉格角传输的激光光束经声光调制模块5的衍射作用偏转到+1级衍射光方向继续传播，此时由输出镜1、声光调制模块5、增益介质4-1，第二全反镜3所构成的第二谐振腔7内损耗极小，光路畅通，受激辐射的激光脉冲形成振荡并从输出镜1输出出去。同时，由于声光调制模块5工作在衍射状态，激光能量完全衍射至第二谐振腔7内，其零级衍射光所对应的第一谐振腔6处于高损耗状态，激光增益介质4-2此时处于粒子数积累的状态。当第二谐振腔7内的巨脉冲形成并完成输出时，声光调制模块5中的超声被快速撤除，此时布拉格衍射效应消失，在输出镜1和声光调制模块5之间沿布拉格角传输的激光光束经声光调制模块5后将沿着0级衍射光方向继续传播，此时，由输出镜1、声光调制模块5、增益介质4-2，第二全反镜2所构成的第一谐振腔6内损耗突然变小，光路畅通，积累在增益介质4-2上能级的反转粒子数快速跃迁，雪崩式产生调q的巨脉冲，并从输出镜1输出出去。此时由于超声场消失，第二谐振腔7处于高损耗状态，激光增益介质4-2开始进行粒子数积累。当第一谐振腔6内的巨脉冲形成并完成输出时，声光调制模块5中的超声被快速加载，此时布拉格衍射效应出现，由输出镜1、声光调制模块5、增益介质4-1，第二全反镜3所构成的第二谐振腔7内损耗极小，光路畅通，受激辐射的激光脉冲形成振荡并从输出镜1输出出去。上述过程通过声光调制模块5周期性的开关，控制着激光巨脉冲在第一谐振腔和第二谐振腔内中不断的产生，此时输出调q激光脉冲的重复频率为两倍声光调制模块5的调制频率。
在本实施例中，当加入超声频率为80mhz的超声场时，此时求得布拉格衍射角
如图1所示，对于第一谐振腔6和第二谐振腔7内所放置的激光增益介质4-2和4-1为巨脉冲提供了有效的增益。声光调制模块5起到“q开关”的作用，当加入超声场时，由布拉格衍射作用+1级衍射光方向的第二谐振腔7打开，0级衍射光方向的第一谐振腔6处于关闭的状态，第一谐振腔6内损耗极大，腔内激光增益介质4-2开始进行反转粒子数的积累。如图2所示，反转粒子数不断累积至最值δni时,声光调制模块5内的超声场撤除,第一谐振腔6内的损耗阈值突然降低，谐振腔内的光子数快速增加，实现了一个脉冲宽度为δτp的调q脉冲的输出。于此同时，声光调制器5向+1级衍射光的通道关闭，此时第二谐振腔7内的阈值变高，第二谐振腔7内激光增益介质4-1开始进行粒子数的积累。当激光增益介质4-1的反转粒子数累积至最值δni,声光调制器5内超声信号打开，声光调制器5向+1级衍射光的通道再次开启，相当于此时第二谐振腔7内的阈值降低，脉冲宽度为δτp的调q脉冲经输出镜1输出；当超声场的第二个开关周期的关闭周期时，相对于0级衍射光的通道再次开启，由于腔6内的损耗阈值突然降低，在0级衍射光方向形成脉冲宽度为δτp的巨脉冲，经输出镜1输出，又得到一个φmax的巨脉冲。同理，上述过程不断的循环，最终形成了重复频率为传统调q激光器两倍的激光脉冲的输出，且在声光调“q开关”的“开”和“关”周期，均有高能量脉冲输出。
实施例2：
采用级联的思想，本实施例提供了一种结构紧凑的四通道声光复合调q激光光源，如图3所示。具体实施参数包括：透过率5％～60％的输出镜1，第一全反镜2，第二全反镜3，第三全反镜8,第四全反镜9，第一、第二、第三、第四全反镜可以是平面镜也可以是凹面反射镜。激光增益介质4，可以为nd:yag，yb:yag，nd:yvo4等标准的激光材料，声光调制模块5，5.1、5.2，包括射频驱动电源、ln晶体作压电换能器、采用熔石英/氧化碲作为声光互作用介质，并镀有对激光波长高增透的增透模。该激光光源结构如下：所述输出镜1与声光调制模块5的0级衍射光方向上声光调制器5.2的0级衍射光方向的激光增益介质4-4和第四全反镜9构成第一谐振腔6；所述输出镜1与声光调制模块5的0级衍射光方向上声光调制器5.2的+1级衍射光方向的激光增益介质4-3和第三全反镜8构成第二谐振腔7；所述输出镜1与声光调制模块5的+1级衍射光方向上声光调制器5.1的0级衍射光方向的激光增益介质4-1和第三全反镜3构成第三谐振腔10；所述输出镜1与声光调制模块5的+1级衍射光方向上声光调制器5.1的+1级衍射光方向的激光增益介质4-2和第三全反镜2构成第四谐振腔11；其中，声光调制模块5的开关周期是t1，(比如t1＝200μs)，声光调制模块5.1和5.2的开关周期与声光调制模块相同，但是占空比不同。声光调制模块5的占空比为1:1，而声光调制模块5.1和5.2的占空比为1:3。且声光调制模块5加载超声时，同步触发声光调制模块5.1超声的加载，声光调制模块5撤除超声时，同步触发声光调制模块5.2超声的加载，如图4所示。
基本工作原理，
对于图3，声光调制模块5起到第一级“q开关”的作用，当声光调制模块5.1和5.2起到第二级“q开关”的作用。当声光调制模块5加载超声时，声光调制模块5.1所控制的支路被选择打开，声光调制模块5.2所控制的支路被关段。此时激光增益介质4-3和激光增益介质4-4所处的第一谐振腔7和第二谐振腔6损耗极大。在此阶段，激光上能级粒子在不断积累。而对于声光调制模块5.1所控制的第三谐振腔10和第四谐振腔11所工作的状态将有声光调制模块5.1所决定。当声光调制模块5.1加载超声信号时，第四谐振腔11被打开，第三谐振腔10被关段，腔内损耗极大。激光增益介质4-1开始不断的积累上能级反转粒子数，当反转粒子数达到δni时，声光调制模块5.1快速撤除超声场，此时第三谐振腔10内的激光脉冲快速建立并形成脉宽为δτp的巨脉冲从输出镜1输出。于此同时，第四谐振腔11内的激光增益介质4-2，开始进行上能级粒子数的积累。
当第三谐振腔10内的激光脉冲形成并完成输出时，声光调制模块5中的超声场撤除，第三谐振腔10也被关段，激光增益介质4-1开始进行上能级粒子数的积累。于此同时，由于声光调制模块5并处于“q开关”的打开状态，声光调制模块5.2所控制的支路被选通。声光调制模块5.2所控制的第一谐振腔6和第二谐振腔7所工作的状态将有声光调制模块5.2所决定。当声光调制模块5.2加载超声信号时，第二谐振腔7被打开，贮存在激光增益介质4-3内部的上能级反转粒子数迅速的跃迁，形成脉宽为δτp的巨脉冲从输出镜1输出。此时，第一谐振腔6依然处于关段状态，当声光调制模块5.2的超声信号撤除时，第一谐振腔6被打开，贮存在激光增益介质4-4内部的上能级反转粒子数迅速的跃迁，形成脉宽为δτp的巨脉冲从输出镜1输出。而第二谐振腔7被关段，激光增益介质4-3开始进行上能级粒子数的积累。
当完成第一谐振腔6和第二谐振腔7内脉冲的输出后，声光调制模块5再次加载超声，由声光调制模块5.2所控制的第一谐振腔6和4第二谐振腔7被关段，对应的激光增益介质4-3和激光增益介质4-3进入上能级反转粒子数积累的状态；由声光调试模块5.1所控制的第三谐振腔10和第四谐振腔11再次处于被选通的状态。随后的过程不断的重复，激光谐振腔在声光调制模块5，声光调制模块5.1，声光调制模块5.2所控制的第一谐振腔6、第二谐振腔7、第三谐振腔10、第四谐振腔11之间不断切换，实现高重复频率的巨脉冲的激光输出。图4给出了声光调制模块5，5.1，5.2以及各谐振腔内激光增益介质粒子书反转及输出调q脉冲的时序图。
按此过程，声光调制器5和声光调制器5.1、5.2因加入超声场作用实现布拉格衍射，此时的布拉格衍射作用起到一个类似声光“q开关”的作用，相对于传统的声光调q设备，调q激光器的重复频率提升了四倍。
进一步，如果上述实施例中采用的激光增益介质上能级寿命较短比如:nd:yvo4,yb:yvo4，nd:ylf等激光材料，可以通过提高声光调制5.2和声光调制器5.3的重复频率来进一步提升输出调q激光脉冲的重复频率。如图5所示，比如声光调制器5的开关频率为f，声光调制模块5的占空比为1:1，可以在声光调制器5的超声场加载选通声光调制器5.1时，在该支路上，声光调制器5.1高速开关n次，形成更高重复频率的激光脉冲输出。同理，在声光调制器5的超声场撤除时，声光调制器5.2被选通，在该支路声光调制器5.2高速开关n次，形成更高重复频率的激光脉冲输出。最终可形成单脉冲能量不变，重复频率为2nf的激光调q脉冲的输出。
进一步，如果要保持单脉冲能量不变的条件下，进一步的提升输出激光的重复频率，也可采用前面所述级联的思想，构建2n个通道的复合激光调q方式，其中n给级联的阶数。
综上所述，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的最佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。