一种基于磁光效应的激光调Q开关、调Q激光器及调Q方法与流程

本发明涉及的是激光技术领域，具体涉及磁光、激光材料领域，尤其涉及的是一种基于磁光效应的激光调q开关、调q激光器及调q方法。

背景技术：

调q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术。快速腔内光开关，简称q开关，是调q技术的基础。q开关关闭时，使谐振腔处于低q值状态，阻断激光振荡的形成，待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然打开q开关，激光器瞬间处于高q值状态，产生雪崩式的激光振荡，输出巨脉冲。最早的q开关是转镜调q，用高速旋转的全反镜代替固定全反镜，并绕垂直于谐振腔的轴线作周而复始的旋转，构成一个q值作周期变化的谐振腔，这种q开关无插入损耗，但是反射镜磨损严重，且要求较高的装配工艺，目前已不采用；电光调q是利用电光晶体的电光效应，即线偏振光通过加有电压的电光晶体时，振动方向会改变，同时在谐振腔内加入起偏器和检偏器，从而构成q开关。可以获得稳定的巨脉冲，开关时间小于脉冲建立时间，目前应用最广泛，但是其半波电压高，需要几千伏，对其他电子线路易造成干扰；声光调q是利用光通过介质中的超声场时的衍射，来改变谐振腔的q值，可以获得高重频的巨脉冲，但是其只能用于低增益的连续激光器上。也可以利用有机染料对光的吸收系数随光强变化的特性来达到调q的目的，这种q开关结构简单，但是染料易变质，输出不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于磁光效应的激光调q开关、调q激光器及调q方法，以利用磁光材料的磁光效应为可见和近红外激光调q，解决现有调q技术中存在的诸多问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种激光调q开关，设于激光器的谐振腔中，包括设于激光入射路径上的激光增益元件、偏振棱镜、磁光材料元件，以及磁场发生器，所述激光增益元件由激光增益工作物质材料制成，所述偏振棱镜垂直于激光入射方向、所述磁光材料元件设于磁场发生器发出的磁场内。其原理为：磁光材料具有磁致旋光效应，能使穿过磁光材料的线偏振光的偏振方向发生旋转，使得被反射回的激光不能再次通过磁光材料，从而通过在谐振腔内添加磁光材料和偏振棱镜，利用磁光材料旋光效应的性能，来控制谐振腔中振荡激光的开关状态，实现激光调q。

进一步地，所述激光增益元件与磁光材料元件为同一元件，为掺杂有pr³⁺、sm³⁺、eu³⁺、dy³⁺、er³⁺、ho³⁺、tm³⁺、yb³⁺、nd³⁺任一种离子的磁光材料，可使得磁光材料元件同时发挥磁光材料和激光增益材料的性能，实现“自调q”，大大简化谐振腔结构，可获得一种紧凑的调q激光器。

进一步地，所述磁光材料元件为磁光晶体、磁光玻璃或磁光透明陶瓷；它们的共同特征是通过控制施加在它们上面的磁场，可以控制激光通过它们时电矢量e发生偏转，通过磁场和磁光材料通光长度的配合，实现激光电矢量e所需角度的偏转，从而实现激光的单向导通或双向导通。

进一步地，所述磁光材料为tsag(tb3sc2al3o12)或tgg(tb3ga5o12)晶体；tb3sc2al3o12(tsag)和tb3ga5o12(tgg)晶体具有物理化学性质稳定、费尔德常数高、抗激光损伤阈值高和热导率高、在可见和近红外区域具有高透过率等优点，是比较优异的磁光材料，可以用于实现激光调q。同时，其也是较为优异的激光基质材料，当将pr³⁺、sm³⁺、eu³⁺、dy³⁺、er³⁺、ho³⁺、tm³⁺、yb³⁺、nd³⁺中的任意一种离子掺入到tsag或tgg中，部分取代tb³⁺时，可成为激光工作物质，实现激光输出。

进一步地，所述磁场发生器为一通电螺旋管，所述磁光材料设于通电螺旋管的中心轴线上。通电螺旋管中心可以产生均匀的磁场，通过控制电流的切换频率从而获得磁场的频率变换。

进一步地，所述激光器包括固体激光器、液体激光器和气体激光器。

本发明还提供了一种调q激光器，包括依次设置的泵浦源、聚焦透镜、输入耦合腔镜m1、激光调q开关和输出耦合腔镜m2，所述输入耦合腔镜m1、输出耦合腔镜m2垂直于激光入射方向；激光通过聚焦透镜垂直于m1入射，经m1聚焦于激光调q开关的磁光晶体端面，通过磁场发生器控制施加于磁光晶体上的磁场，实现谐振腔激光的单向通过或往返，即当磁场发生器产生磁场时，激光在谐振腔中无法实现来回震荡(谐振腔关闭，激光单向通过)，当撤去磁场后，激光产生振荡，实现激光输出(谐振腔开启，激光往返振荡)。

本发明还提供了一种利用磁光效应实现激光调q的方法，具体为利用上述自调q激光器实现激光调q，步骤包括：首先，给磁光材料施加磁场，此时，穿过磁光材料的线偏振光无法再次穿过偏振棱镜，此时谐振腔处于低q值状态(关状态)，激光只能单向通过，激光增益元件不断吸收泵浦能量并存储，使得更多的激活离子处于激光上能级；然后，当处于激光上能级的激活离子积累到一定数量时，解除磁光材料的控制磁场，谐振腔处于高q值状态(开通状态)，处于激光上能级的激活离子由于受激辐射将释放和激光同位相的光子，使得激光能量在短时间内得到放大，短时间内形成激光振荡，实现高能量的脉冲激光输出，从而实现一种新的调q方式—磁光调q。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种基于磁光效应的激光调q开关、调q激光器及调q方法，本发明使用磁光材料作为激光调q开关，丰富了激光调q开关的种类；利用这些掺杂的稀土离子的激光通道获得可见或者近红外激光输出，同时利用它们的磁光效应可实现调q激光输出，可实现激光增益介质和磁光调q器件一体化，有利于简化谐振腔结构，实现紧凑的调q激光输出，减小激光调q激光器的体积。整个调q过程中磁场施加与撤去的时间间隔较短，比谐振腔建立振荡的时间小。

附图说明

图1为实施例1的调q激光器的结构示意图；

图2为实施例2的自调q激光器的结构示意图；

图3为nd:tsag的荧光谱图；

图4为实施例3的调q激光器的结构示意图；

图5为实施例4的自调q激光器的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种自调q激光器，包括沿激光入射方向依次设置的泵浦源、聚焦透镜、输入耦合腔镜m1、激光调q开关和输出耦合腔镜m2，所述输入耦合腔镜m1、输出耦合腔镜m2垂直于激光入射方向。

所述激光调q开关包括设于激光入射路径上的激光增益元件、偏振棱镜、磁光材料元件，以及磁场发生器，所述偏振棱镜垂直于激光入射方向、所述磁光材料元件设于磁场发生器发出的磁场内。

所述激光增益元件和磁光材料元件为不同元件，如激光增益元件为激光增益介质制成，可以选择yag为激光增益介质的基质材料，掺杂nd³⁺、yb³⁺等离子，形成nd:yag、yb:yag等类型的激光增益介质，用于收集吸收泵浦能量，但不限于此，所述磁光材料元件为磁光晶体、磁光玻璃或磁光透明陶瓷等。

所述激光增益元件和磁光材料元件也可为相同组件，为掺杂有pr³⁺、sm³⁺、eu³⁺、dy³⁺、er³⁺、ho³⁺、tm³⁺、yb³⁺、nd³⁺任一种离子的磁光材料制成，即激光增益元件直接用磁光材料元件代替，使得磁光材料元件同时发挥磁光材料和激光增益材料的性能。进一步优选地，所述磁光材料元件为tsag或tgg晶体，因其具有物理化学性质稳定、费尔德常数高、抗激光损伤阈值高和热导率高、在可见和近红外区域具有高透过率等优点，既是一种优异的磁光材料，也是一种优异的激光基质材料。当将pr³⁺、sm³⁺、eu³⁺、dy³⁺、er³⁺、ho³⁺、tm³⁺、yb³⁺、nd³⁺中的任意一种离子掺入到tsag或tgg中，部分取代tb³⁺时，可成为激光工作物质，实现激光输出，实现“自调q”，大大简化谐振腔结构，获得一种紧凑的调q激光器。

工作时，首先给磁光材料施加磁场，此时穿过磁光材料的线偏振光无法再次穿过偏振棱镜，此时谐振腔处于低q值状态(关状态)，激光只能单向通过，激光增益元件不断吸收泵浦能量并存储，使得更多的激活离子处于激光上能级；然后，当处于激光上能级的激活离子积累到一定数量时，解除磁光材料的控制磁场，谐振腔处于高q值状态(开通状态)，处于激光上能级的激活离子由于受激辐射将释放和激光同位相的光子，使得激光能量在短时间内得到放大，短时间内形成激光振荡，实现高能量的脉冲激光输出，从而实现一种新的调q方式—磁光调q。

下面结合具体实施方式对本发明的方案做进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种基于tsag磁光晶体及采用tsag晶体实现激光调q的技术(激光增益元件与磁光材料元件为不同元件)，它包括：

(1)tsag磁光晶体制备：采用tb4o7、sc2o3、al2o3为原料，按照化学计量比1.5:2:3进行配料，将原料充分混合均匀，将混合好的原料进行压制和烧结，在1500℃下烧结10-72h，获得多晶原料。把多晶原料放入铱坩埚内，通过加热使原料充分熔化，获得晶体生长初始熔体，然后采用提拉法来进行生长，获得tsag磁光晶体。

(2)采用tsag晶体实现激光调q工艺：如图1示，将tsag晶体元件放置于螺旋管中间，与nd:yag激光元件串联，两者中间放置偏振片，808nm激光二极管做泵浦源。采用平-平腔结构，腔镜由输入耦合腔镜m1和输出耦合腔镜m2组成，当螺旋管通电时，tsag晶体使激光的振动方向发生偏转，不能穿过偏振片，无法实现激光的来回振荡；当撤去电流时，激光的方向不发生偏转，实现激光振荡，输出激光。其中，所述的nd:yag激光元件还可用pr:yag、sm:yag、eu:yag、dy:yag、er:yag、ho:yag、tm:yag、yb:yag替代。

实施例2

本实施例提供了一种基于nd:tsag磁光晶体及采用nd:tsag晶体实现激光调q的技术(激光增益元件与磁光材料元件为同一元件)，它包括：

(1)nd:tsag磁光晶体制备：采用nd2o3、tb4o7、、sc2o3、al2o3为原料，按照化学计量比0.01:1.49:2:3进行配料，将原料充分混合均匀，将混合好的原料进行压制和烧结，在1500℃下烧结时间为10-72h，获得多晶原料。把多晶原料放入铱坩埚内，通过加热使原料充分熔化，获得晶体生长初始熔体，然后采用提拉法来进行生长，获得nd:tsag磁光晶体。

(2)采用nd:tsag晶体实现激光调q工艺：如图2示，选择808nm激光二极管作为泵浦源，进行激光实验时，采用平-平腔结构，nd:tsag元件置于螺旋管中心，串联偏振片，腔镜由输入耦合腔镜m1和输出耦合腔镜m2组成，根据所测的荧光谱对腔镜镀膜(图3)。m1对808nm激光高透、对1070nm激光高反，m2对1070nm激光部分透过，透过率为4-6％。808nm激光垂直于m1入射，经透镜聚焦于nd:tsag晶体端面，当螺旋管通电时，激光在谐振腔中无法实现来回振荡，当撤去电流时，激光产生振荡，实现激光输出。其中，所述nd:tsag磁光晶体中的nd离子还可用pr³⁺、sm³⁺、eu³⁺、dy³⁺、er³⁺、ho³⁺、tm³⁺、yb³⁺任一离子替代，组合成基于pr:tsag、sm:tsag、eu:tsag、dy:tsag、er:tsag、ho:tsag、tm:tsag、yb:tsag磁光晶体及采用该磁光晶体实现激光调q的技术。无论是nd:tsag，还是pr:tsag、sm:tsag、eu:tsag、dy:tsag、er:tsag、ho:tsag、tm:tsag、yb:tsag，均可同时发挥磁光材料和激光增益材料的性能，实现“自调q”，可大大简化谐振腔结构，获得一种紧凑的调q激光器。

实施例3

本实施例提供了一种基于tgg磁光晶体及采用tgg晶体实现激光调q的技术，它包括：

(1)tgg磁光晶体制备：采用tb4o7、ga2o3为原料，按照化学计量比1.5:5进行配料，将原料充分混合均匀，将混合好的原料进行压制和烧结，在1450℃下烧结10-72h，获得多晶原料。把多晶原料放入铱坩埚内，通过加热使原料充分熔化，获得晶体生长初始熔体，然后采用提拉法来进行生长，获得tgg磁光晶体。

(2)采用tgg晶体实现激光调q工艺：如图4示，将tgg晶体元件放置于螺旋管中间，与nd:yag激光元件串联，两者中间放置偏振片，808nm激光二极管做泵浦源。采用平-平腔结构，腔镜由输入耦合腔镜m1和输出耦合腔镜m2组成，当螺旋管通电时，tgg晶体使激光的振动方向发生偏转，不能穿过偏振片，无法实现激光的来回振荡；当撤去电流时，激光的方向不发生偏转，实现激光振荡，输出激光。其中，所述的nd:yag激光元件还可用pr:yag、sm:yag、eu:yag、dy:yag、er:yag、ho:yag、tm:yag、yb:yag替代。

实施例4

本实施例提供了一种基于nd:tgg磁光晶体及采用nd:tgg晶体实现激光调q的技术(激光增益元件与磁光材料元件为同一元件)，它包括：

(1)nd:tgg磁光晶体制备：采用nd2o3、tb4o7、ga2o3为原料，按照化学计量比0.01:1.49:5进行配料，将原料充分混合均匀，将混合好的原料进行压制和烧结，在1450℃下烧结时间为10-72h，获得多晶原料。把多晶原料放入铱坩埚内，通过加热使原料充分熔化，获得晶体生长初始熔体，然后采用提拉法来进行生长，获得nd:tgg磁光晶体。

(2)采用nd:tgg晶体实现激光自调q工艺：如图5示，选择808nm激光二极管作为泵浦源，进行激光实验时，采用平-平腔结构，nd:tgg元件置于螺旋管中心，串联偏振片，腔镜由输入耦合腔镜m1和输出耦合腔镜m2组成。808nm激光垂直于m1入射，经透镜聚焦于nd:tgg晶体端面，当螺旋管通电时，激光在谐振腔中无法实现来回振荡，当撤去电流时，激光产生振荡，实现激光输出。其中，所述nd:tgg磁光晶体中的nd离子还可用pr³⁺、sm³⁺、eu³⁺、dy³⁺、er³⁺、ho³⁺、tm³⁺、yb³⁺任一离子替代，组合成基于pr:tgg、sm:tgg、eu:tgg、dy:tgg、er:tgg、ho:tgg、tm:tgg、yb:tgg磁光晶体及采用该磁光晶体实现激光调q的技术。无论是nd:tgg，还是pr:tgg、sm:tgg、eu:tgg、dy:tgg、er:tgg、ho:tgg、tm:tgg、yb:tgg，均可同时发挥磁光材料和激光增益材料的性能，实现“自调q”，可大大简化谐振腔结构，获得一种紧凑的调q激光器。

以上为本发明一种详细的实施方式和具体的操作过程，是以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。