一种透过率调制的机械调Q激光器的制作方法

本发明涉及调q激光器，具体涉及一种透过率调制的机械调q激光器。

背景技术：

在激光器技术领域，调q(调节品质因数，qswitching)技术是获得高峰值功率、窄脉宽激光的重要手段，并广泛应用于激光雷达、激光测距、全息摄影等领域。

调q技术的基本原理是通过控制谐振腔的q值按照一定规律变化，在泵浦激励刚刚开始时，先降低腔内q值，激光器由于阈值高而无法产生激光振荡，并在激光上能级积累大量反转粒子，然后在适当时刻迅速提高谐振腔的q值，谐振腔阈值随之降低，此时反转集居数大大超过阈值，于是在极短时间内，激光上能级存储的大部分粒子的能量转化为激光振荡输出，形成高峰值功率、窄脉宽的激光巨脉冲。

常用的调q方法有机械调q、电光调q和声光调q等。调q技术的关键元件是q开关。凡是能使谐振腔损耗发生突变的元件均可用作q开关。

电光调q是通过在谐振腔中加入电光晶体，利用晶体的电光效应(普克尔效应)实现q值突变的方法。作为目前使用最为广泛的一种q开关，电光q开关的主要特点是开关时间短。但电光晶体价格昂贵，增加了制造成本。不仅如此，电光晶体还很难获得大块晶体，损伤阈值也较低。

声光调q是利用晶体的声光效应控制谐振腔的q值变化。位于谐振腔内的声光调制器在超声场的控制作用下使激光发生衍射，从而改变光在腔内的损耗，实现调q激光输出。声光q开关的调制电压较低，对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调q激光器。并且，声光调q开关的插入损耗较大，导致激光器的效率不高。

相较于电光调q和声光调q，机械调q具有结构简单、成本低廉、技术成熟等优势。机械调q是通过转动腔内元件实现对谐振腔q值的调制。传统的机械调q技术包括转镜法和机械斩波法。转镜法是用马达带动谐振腔的一个反射镜旋转从而改变谐振腔的q值，而机械斩波法则是利用光闸不断斩断谐振腔内的光束达到调q的目的。

综上所述，如何提供一种透过率调制的机械调q激光器，同时具备装置结构简单、开关时间短、调q脉冲重复频率高、成本低廉、调q精度高是本领域研究人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种透过率调制的机械调q激光器，其装置结构简单、开关时间短、调q脉冲重复频率高、成本低廉、调q精度高。

(二)技术方案

本发明提供了一种透过率调制的机械调q激光器，包括：尾镜、工作介质、驱动装置、透过率调制片、输出镜；

沿着光轴方向，尾镜、工作介质、透过率调制片、输出镜依次排列，透过率调制片安装于驱动装置上；

所述透过率调制片用于改变光学谐振腔内的q值；

所述驱动装置用于控制透过率调制片的振转角δθ。

在本发明的一些实施例中，透过率调制片为两面抛光的平行光学镜片，抛光面与光轴具有旋转角θ，满足0°≤θ≤90°。

在本发明的一些实施例中，透过率调制片的透过率t随旋转角变化而改变，满足关系：

其中r表示透过率调制片抛光面的强度反射率，α表示透过率调制片材料的强度吸收系数，δ表示光在两个抛光面间往返一次的光程差所造成的相位差，s表示激光从透过率调制片前抛光面传播至后抛光面的距离，满足：

s＝d/sinθ(2)

其中d表示透过率调制片两抛光面之间的厚度。公式(1)中δ表示光在两个抛光面间往返一次的光程差所造成的相位差，满足：

其中n表示透过率调制片材料的折射率，λ表示出射激光波长。

在本发明的一些实施例中，优选地，透过率调制片材料为激光器输出波长对应的透过率60％以上的光学材料。

在本发明的一些实施例中，优选地，驱动装置为高速电机。

在本发明的一些实施例中，当所述机械调q激光器为co2激光器时，透过率调制片材料为砷化镓、锗或硒化锌。

在本发明的一些实施例中，透过率调制片的最大透过率大于0.97。

在本发明的一些实施例中，透过率调制片的最小透过率小于0.22。

在本发明的一些实施例中，优选地，尾镜为反射率90％以上的全反镜或高反镜。

在本发明的一些实施例中，优选地，输出镜的损伤阈值高于5j/cm²。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种透过率调制的机械调q激光器具有以下有益效果：

(1)利用透过率调制波形中任一相邻波峰波谷对应的旋转角作为透过率调制片的振转角，最小振转周期小于0.6°，因此透过率调制的机械调q激光器开关时间短、调q脉冲重复频率高；

(2)透过率调制片的最大透过率大于0.97，最小透过率小于0.22，调制深度可达0.75，因此透过率调制的机械调q激光器调q精度高；

(3)利用透过率调制片和控制电机实现调q功能，透过率调制的机械调q激光器成本低廉、装置结构简单。

附图说明

图1为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与透过率的变化曲线示意图；

图3为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与透过率的变化曲线图；

图4为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与周期的变化曲线图；

图5为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的振转角与透过率的变化曲线图；

图6为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与调制深度的变化曲线图

图7为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与透过率的变化曲线的局部放大图。

【符号说明】

1-尾镜；2-工作介质；3-驱动装置；4-透过率调制片；5-输出镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提供了一种透过率调制的机械调q激光器。如图1所示，图1为本发明实施例的一种透过率调制的机械调q激光器的结构示意图，该透过率调制的机械调q激光器包括尾镜1、工作介质2、驱动装置3、透过率调制片4、输出镜5。

沿着光轴方向，尾镜1、工作介质2、透过率调制片4、输出镜5依次排列，其中透过率调制片4安装于驱动装置3上。

泵浦光由尾镜1耦合进入由尾镜1、输出镜5组成的光学谐振腔，为工作介质2实现粒子数反转提供所需能量。驱动装置3用于控制透过率调制片4的旋转角θ，其中旋转角θ表示透过率调制片在光线传输方向上的表面与光轴的夹角。透过率调制片4通过旋转角θ的变化实现对光学谐振腔q值的改变，当q值很小时，激光器阈值很高，激光器上能级累积了大量的反转粒子；当q值突然增大，激光器阈值瞬间降低，激光上能级的反转粒子数远远超过激光器阈值，在短时间内激光上能级存储的大部分粒子的能量转化为激光能量，实现对激光增强、放大，放大后的激光由输出镜5输出。利用透过率调制片4和驱动装置3实现调q功能，透过率调制的机械调q激光器成本低廉、装置结构简单。

尾镜1为镀有高反膜或全反膜的镜子，可以为平面镜、凸透镜、凹透镜，尾镜1的反射率优选达到90％以上。

输出镜5可以为平面镜、凸透镜、凹透镜，输出镜5的输出镜的损伤阈值优选高于5j/cm²。。

驱动装置3可以为能够精确控制旋转角度的高速电机，如音圈电机、振镜电机等。

透过率调制片4为两面抛光的平行光学镜片，透过率调制片的材料为激光器输出波长对应的高透过率光学材料，其中透过率调制片材料的高透过率指透过率在60％以上，但这只是示例性说明，当透过率调制片材料的透过率在60％以上，透过率调制片的调q特性较好，但是当透过率调制片材料的透过率在60％以下时，透过率调制片仍有可能实现对光学谐振腔的调q。透过率调制片4置于光学谐振腔内，透过率调制片4在光线传输方向上的表面与光轴之间具有旋转角θ。透过率调制片可以是一个或多个透过率调制片共同对激光器的q值进行调节。

当激光沿着光轴的方向入射到调制片的前抛光面，透过率调制片4的透过率t满足公式：

其中r表示透过率调制片抛光面的强度反射率，α表示透过率调制片材料的强度吸收系数，δ表示光在两个抛光面间往返一次的光程差所造成的相位差，s表示激光从透过率调制片前抛光面传播至后抛光面的距离，满足：

s＝d/sinθ(2)

其中d表示透过率调制片两抛光面之间的厚度。公式(1)中δ表示光在两个抛光面间往返一次的光程差所造成的相位差，满足：

其中n表示透过率调制片材料的折射率，λ表示出射激光波长。

图2为本发明提供的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与透过率的变化曲线示意图。在光路中放置透过率调制片4，使其抛光面与光轴间的旋转角为θ0，驱动装置3驱动透过率调制片4在θ0附近小角度振转，透过率调制片4的透过率t变化如图2所示，当透过率调制片4的抛光面与光轴间的初始旋转角为θ0时，透过率调制片4的透过率t为极大值tmax；假设透过率调制片经驱动装置小角度振转后，透过率调制片的旋转角θ相对于透过率调制片初始旋转角θ0的差值称为振转角δθ，当振转角δθ逐渐增大或逐渐减小时，透过率调制片4的透过率t逐渐减小；当透过率调制片4的抛光面与光轴间的旋转角为θ0-δθmax时，透过率调制片4的透过率t为极小值tmin。

通过驱动装置3驱动透过率调制片4，使透过率调制片4与光轴的旋转角θ在(θ0-δθmax)＜θ＜θ0的范围内周期性振转，透过率调制片4的透过率t在tmin到tmax的范围内周期性变化。当透过率调制片4的透过率t小于ta时，光学谐振腔处于高损耗低q值状态，工作介质2中反转粒子数持续积累，积蓄能量；随着透过率t不断增大，工作介质2由于粒子数反转不断积蓄能量，光学谐振腔内q值不断增大，光学谐振腔内损耗不断降低；当透过率调制片4的透过率t大于tb时，光学谐振腔内q值很大，激光上能级的大部分粒子跃迁回基态，辐射出大量能量，产生激光，其中tmin＜ta＜tb＜tmax。因此透过率调制片4通过透过率的周期性改变实现调q功能。

本实施例的透过率调制的机械调q激光器为co2激光器，co2激光器的输出波长为9.2-10.8μm，因此透过率调制片的材料可选用镓、锗、硒化锌等在9.2-10.8μm波段透过率高的红外光学材料。本发明实施例中co2激光器的输出波长为10.6μm，透过率调制片为锗，厚度为4mm，加工成双面抛光的平行光学镜片，锗的强度吸收系数为0.032cm^-1，锗材料折射率为4，锗材料制作的透过率调制片抛光面在垂直入射的情况下其强度反射率为0.36。但这只是示例性说明，激光器不仅限于co2激光器，可以为各种类型的激光器；透过率调制片的厚度亦不仅限于4mm，可以根据需要选择不同的透过率调制片厚度。

图3为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与透过率的变化曲线图，在图3透过率调制曲线的波峰用星号标识为透过率的极大值，透过率调制曲线的波谷用圆圈标识为透过率的极小值。当旋转角θ满足0°＜θ＜90°时，透过率t的极大值tmax均大于0.9，透过率t为极小值tmin均小于0.3。可以选取调制波形中任意一对相邻的透过率极大值与极小值对应旋转角的差值作为透过率调制片的振转周期。但这仅是示例性说明，透过率t的极大值并不仅限大于0.9，透过率t为极小值tmin并不仅限小于0.3；当某旋转角范围内调制深度以及任意一对相邻的透过率极大值与极小值对应旋转角的差值变化较小时，振转周期不仅可以为任意一对相邻的透过率极大值与极小值对应旋转角的差值，振转周期也可以是调制波形中某旋转角范围内任一透过率极大值与极小值对应的旋转角的差值。

图4为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与周期的变化曲线图，当旋转角θ为45°附近时透过率调制片的振转周期较小，且随着旋转角的变化振转周期变化极小，最小振转周期小于0.6°；当旋转角θ取0°＜θ＜10°或80°＜θ＜90°时，透过率调制片的振转周期较大，且随着旋转角的变化振转周期变化极大。因此可以根据调制后激光输出脉冲脉宽、能量及频率的需要以及驱动装置的驱动负载等因素，选择相应的旋转角θ以及振转角δθ。利用透过率调制波形中任一相邻波峰波谷对应的旋转角作为透过率调制片的振转角，最小振转周期小于0.6°，因此透过率调制的机械调q激光器开关时间短、调q脉冲重复频率高

当初始旋转角θ0＝45°，驱动装置驱动透过率调制片在-5°≤δθ≤5°范围内振转，振转角与透过率的变化关系如图5所示，图5为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的振转角与透过率的变化曲线图。透过率调制片的透过率t在0.22～0.97内周期性变化，振转周期基本保持在35′左右，振转周期变化极小。

定义透过率调制片的调制深度为旋转角与透过率的变化曲线图中相邻一对透过率极大值与透过率极小值的差值。图6为本发明实施例的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与调制深度的变化曲线图。co2激光器中，厚度为4mm的锗材料透过率调制片调制深度范围在0.5～0.85之间。但这仅是示例性说明，随着透过率调制片的厚度、材料折射率、材料吸收系数、旋转角以及出射激光波长等因素的改变，透过率调制片的调制深度并不仅限于实施例所述范围。

当透过率调制片的初始旋转角θ0＝44.65°，驱动装置驱动透过率调制片的振转角δθ在[-8′，8′]的范围内周期性变化时，透过率调制片的透过率从0.22增大至0.97，透过率随旋转角的变化如图7所示，图7为本发明提供的透过率调制的机械调q激光器的旋转角与透过率的变化曲线的局部放大图。当透过率调制片的旋转角为44.51°时，对应透过率极小值tmin＝0.22，此时光学谐振腔处于低q值状态，光学谐振腔内损耗很大，无激光输出；当透过率调制片的旋转角为44.78°时，对应透过率极大值tmax＝0.97，此时光学谐振腔处于高q值状态，光学谐振腔损耗为最小值；驱动装置驱动透过率调制片旋转角从44.51°快速振转至44.78°时，透过率调制片的透过率迅速增加，光学谐振腔的损耗值迅速减小，激光器实现调q脉冲输出。透过率调制片的最大透过率大于0.97，最小透过率小于0.22，调制深度可达0.75，因此透过率调制的机械调q激光器调q精度高。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的透过率调制的机械调q激光器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和步骤的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供的一种透过率调制的机械调q激光器装置结构简单、开关时间短、调q脉冲重复频率高、成本低廉、调q精度高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。