一种高偏振消光比双工作模式激光系统

1.本实用新型涉及一种激光系统，特别涉及一种高偏振消光比双工作模式激光系统。


背景技术：

2.1319nm波长nd:yag激光器因其波长的特殊性，被广泛应用于光电对抗、光纤通信、激光医疗及非线性频率变换等众多领域。特别地，在光电对抗领域，对输出激光的光束质量和功率有着很高要求，工作模式以大功率连续和准连续激光器为主。再有，在非线性频率变换应用领域，1319nm激光能够与1064nm合频产生589nm激光，用于地基天文望远镜的自适应光学系统，或作为二次谐波产生红光的基频源，这就要求输出激光具备极高的偏振消光比以提高合频或倍频效率和功率。
3.目前，国内外对于1319nm光源的研发主要以连续输出模式为主，效率只有8％-12％，原因在于nd:yag的最强发射峰在1064nm处，在1319nm处的增益较小。而且报道的光束质量普遍较差，这是由于腔型结构多采用对称平平腔的设计，对于热透镜效应的抑制有着较高要求。另一方面对于高功率纳秒脉冲系统成果少有报道，尤其输出激光的偏振消光比这一重要指标难以提升，虽然可以采用基于普克尔盒(pockels cells)的电光调制(eom)实现线偏振纳秒激光的输出，然而偏振消光比不高。
4.目前针对1319nm波段包括商用的激光器偏振消光比只能达到约100：1(20db)，未见有超过1000：1(30db)的报道，这极大限制了1319nm激光系统的应用。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高偏振消光比双工作模式激光系统，以达到实现1319nm连续和纳秒脉冲激光输出，同时保证线偏振消光比大于30db的目的。
6.为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
7.一种高偏振消光比双工作模式激光系统，按照光学路径依次包括平面反射镜、小孔光阑、第一激光模块、旋光器、第二激光模块、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、声光q开关和平面输出镜；所述平面反射镜、小孔光阑、第一激光模块、旋光器、第二激光模块、第一偏振分光棱镜位于一条直线上，所述第二偏振分光棱镜、声光q开关和平面输出镜位于一条直线上，所述第二偏振分光棱镜位于第一偏振分光棱镜的一侧，构成u型腔结构，所述第一激光模块和第二激光模块均包括二极管侧面泵浦源和激光晶体，所述二极管侧面泵浦源的波长为808nm；所述激光系统的输出波长为1319nm。
8.上述方案中，所述平面反射镜表面镀膜，镀膜中心波长为1319nm，在
±
5nm范围内反射率》99.9％，对1064nm和1338nm激光透过率》99％。
9.上述方案中，所述小孔光阑的孔径变化范围为0.5～3mm。
10.上述方案中，所述二极管侧面泵浦源输出光功率为250～500w，满功率下对应激光晶体热透镜焦距f为120～180mm。
11.上述方案中，所述激光晶体为nd:yag圆柱棒状晶体，长度65～80mm，端面直径3～5mm，nd
3+
的掺杂浓度为0.6％。
12.上述方案中，所述第一激光模块与平面反射镜之间距离为l1，l1长度为30～150mm，距离l1为激光晶体热透镜焦距f的0.2～1.2倍，所述第二激光模块与第一激光模块之间距离为l2，l2长度为50～250mm，l2长度为激光晶体热透镜焦距f的0.5～1.5倍，所述平面输出镜与第二激光模块之间的光路传播距离为l3，l3长度为150～300mm，l3长度为激光晶体热透镜聚焦f的1.2～2倍。
13.上述方案中，所述旋光器中心波长为1319nm，旋转角为90
°
，透过率》99.8％。
14.上述方案中，所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜的偏振消光比均为3000：1，损伤阈值高于15j/cm2。
15.上述方案中，所述声光q开关的工作波长为1319nm，通光孔径为3mm，重复频率为1～100khz。
16.上述方案中，所述平面输出镜表面镀膜，镀膜中心波长为1319nm，带宽10nm，反射率为60％～90％。
17.通过上述技术方案，本实用新型提供的一种高偏振消光比双工作模式激光系统具有如下有益效果：
18.1、本实用新型采用了两个激光模块串联的非对称稳定u型腔结构，在1319nm波段获得了较高的输出效率和功率，同时易于控制光束质量，提升激光器实际工作过程中的稳定性。
19.2、本实用新型通过在腔内依次设置两个高消光比的偏振分光棱镜，可以对输出激光偏振态进行调控，能够实现高消光比，并且在不同重复频率下保持较好的一致性。
20.3、本实用新型通过在腔内设置声光q开关，可以实现连续和纳秒脉冲两种工作模式的任意切换，操作简单，能够提升在光电对抗和非线性频率变换领域的实际应用效果。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
22.图1为本实用新型实施例所公开的一种高偏振消光比双工作模式激光系统示意图。
23.图2为本实用新型实施例实测的激光波长示意图；
24.图3为本实用新型实施例实测连续工作模式最大输出功率及稳定性数据图；
25.图4为本实用新型实施例实测的光斑轮廓示意图；
26.图5为本实用新型实施例光束质量测试数据图；(a)代表x方向光束质量测试结果，(b)代表y方向光束质量测试结果；
27.图6为本实用新型实施例实测脉冲工作模式不同重复频率对应能量数据图；
28.图7为本实用新型实施例实测的不同激光输出功率下的偏振消光比；
29.图中，1、平面反射镜；2、小孔光阑；3、第一激光模块；4、旋光器；5、第二激光模块；6、第一偏振分光棱镜；7、第二偏振分光棱镜；8、声光q开关；9、平面输出镜。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
31.本实用新型提供了一种高偏振消光比双工作模式激光系统，如图1所示，按照光学路径依次包括平面反射镜1、小孔光阑2、第一激光模块3、旋光器4、第二激光模块5、第一偏振分光棱镜6、第二偏振分光棱镜7、声光q开关8和平面输出镜9；平面反射镜1、小孔光阑2、第一激光模块3、旋光器4、第二激光模块5、第一偏振分光棱镜6位于一条直线上，第二偏振分光棱镜7、声光q开关8和平面输出镜9位于一条直线上，第二偏振分光棱镜7位于第一偏振分光棱镜6的一侧，构成u型腔结构，激光系统的输出波长为1319nm。
32.平面反射镜1作为激光器的腔镜，表面镀膜，镀膜中心波长为1319nm，在
±
5nm范围内反射率》99.9％，对1064nm和1338nm激光透过率》99％。
33.小孔光阑2作用是对腔内激光高阶模式进行限制，有利于提升输出激光光束质量，孔径大小根据不同腔长和激光晶体热透镜焦距在0.5～3mm之间调整。
34.第一激光模块3和第二激光模块5结构相同，均包括二极管侧面泵浦源和激光晶体，二极管侧面泵浦源的波长为808nm，二极管侧面泵浦源输出光功率为250～500w，满功率下对应激光晶体热透镜焦距f为120～180mm。二极管侧面泵浦源采用二极管巴条泵浦，共计12个巴条组成，每个巴条各自呈30
°
环绕分布在激光晶体的侧面。激光晶体为nd:yag圆柱棒状晶体，长度65～80mm，端面直径3～5mm，nd
3+
的掺杂浓度为0.6％。
35.旋光器4用来旋转线偏振光的偏振方向，用于提高输出激光功率，其中心波长为1319nm，旋转角为90
°
，透过率》99.8％。
36.第一偏振分光棱镜6和第二偏振分光棱镜7的偏振消光比均为3000：1，损伤阈值高于15j/cm2。腔内激光经过第一偏振分光棱镜6和第二偏振分光棱镜7变为s偏振光后折转前进，构成u型腔型结构，有利于缩减激光器体积，提高环境稳定性。
37.第一激光模块3与平面反射镜1之间距离为l1，l1长度为30～150mm，距离l1为激光晶体热透镜焦距f的0.2～1.2倍，第二激光模块5与第一激光模块3之间距离为l2，l2长度为50～250mm，l2长度为激光晶体热透镜焦距f的0.5～1.5倍，平面输出镜9与第二激光模块5之间的光路传播距离为l3，l3长度为150～300mm，l3长度为激光晶体热透镜聚焦f的1.2～2倍。
38.声光q开关8的工作波长为1319nm，通光孔径为3mm，重复频率为1～100khz。低电平(ttl电平)状态下，声光q开关8的驱动器不会输出载波信号，激光可正常通过，透过率》98％；高电平(ttl电平)状态下，通过外部调制信号可以对输出激光重复频率进行调制。
39.平面输出镜9为激光器的输出腔镜，表面镀膜，镀膜中心波长为1319nm，带宽10nm，反射率为60％～90％。
40.本实施例中，第一激光模块3和第二激光模块5均采用808nm二极管侧面泵浦源，泵浦功率均为400w，对应激光晶体的热透镜焦距为150mm；激光晶体的长度为78mm，端面直径为3mm；平面反射镜1与第一激光晶体间距l1为80mm；第一激光模块3与第二激光模块5间距l2为120mm；第二激光模块5与平面输出镜9间距l3为240mm；声光q开关8置于第二偏振分光棱镜7之后；平面输出镜9反射率为75％。
41.本实施例中，激光系统的输出波长为1319nm，如图2所示，采用yokogawa(aq6375b)
光谱分析仪实测激光中心波长为1319.1550nm。该激光系统有连续输出和纳秒脉冲输出两种工作模式：
42.当声光q开关8处于低电平(ttl电平)状态下，激光系统为连续工作模式，如图3所示，采用thorlabs公司s322c探头和pm100d表头测试平均功率最大可达64.7w，连续记录4小时以上功率稳定性《0.98％rms；采用duma optronics(m2 beam u3 vis-nir)光束质量分析仪测试输出激光光斑特性，在平均输出功率15～64.7w区间内，光束质量因子m2保持在1.2～2.1之间，如图4为光斑轮廓示意图，可以看出光斑形状圆整，且由于中心能量集中，亮度较高。图5中(a)和(b)分别为x和y方向上的数据测试图，在x和y方向上的光束质量因子分别为2.05和1.89。
43.当声光q开关8处于高电平(ttl电平)状态下，声光q开关8对输出激光重复频率进行调制，使用thorlabs公司es111c探头和pm100d表头对1～10khz下最大单脉冲能量进行了测试，如图6所示，最大可实现13.3mj单脉冲能量的激光输出，对应重复频率1khz，脉冲宽度130ns。同时对脉冲激光的偏振消光比进行了测试，不同重复频率下输出激光为s线偏振光，如图7所示，可以看出，偏振消光比从30.3～30.6db不等，但保证始终大于30db。
44.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。