基于增益介质动态吸收特性的激光强度调节方法及装置与流程
本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种基于增益介质动态吸收特性的激光强度调节方法及装置。
背景技术：
随着激光技术的发展，对高强度的激光进行高效、快速的调制变得越来越重要。目前激光强度的调制主要分为机械调制，直接电调制，损耗调制器直接调制。
机械调制是对输出激光外加机械装置进行的调制。通常采用衰减片、斩波器等改变激光的透过率，以实现激光器的强度调制。很明显，机械调制的调制速率很慢，而且不适用于对高功率激光进行调制。
直接电调制是直接改变光源的外部电信号对激光的光强进行调制。当改变注入电流或电压的强度时，输出激光光强也会直接发生变化。通常情况，电信号加大时，输出激光光强增大，电信号减小时，输出激光光强减小。但直接电调制受限于电信号的响应速度慢的特性，难以实现高速的激光强度调制；而且，在调整高功率激光过程中，外部电信号的不断变化会降低激光器的寿命和可靠性；此外，直接电调制会降低输出激光的稳定性等。
损耗调制器直接调制是通过损耗调制器件对激光强度进行快速的调制。损耗调制器件包括电光器件、声光器件等。通过损耗调制器调制对激光进行调制时，对被调制激光的特性要求很多。一方面，声光损耗调制器件要求被调制激光具有高的光束质量，电光损耗调制器件对被调制激光的光束质量和偏振态都有要求，这极大地限制了其适用范围。另一方面，受损耗调制器的损伤特性限制，损耗调制器直接调制难以对高光强激光进行调制。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于增益介质动态吸收特性的激光强度调节方法及装置，旨在克服损耗调制器的损伤特性限制，解决激光强度调节速率低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于增益介质动态吸收特性的激光强度调节方法，包括以下步骤：
待调制的被调制光与设置在谐振腔内的增益介质相互作用后，部分被增益介质吸收，在谐振腔内产生自再现激光；
自再现激光与设置在谐振腔内的损耗调制器相互作用，通过调节损耗调制器的损耗，影响谐振腔的损耗，实现增益介质对被调制光的动态吸收；
未被增益介质吸收的被调制光从谐振腔出射，其强度受到损耗调制器的调制。
优选地，被调制光波长与增益介质满足零声子线泵浦机制，可使增益介质的热畸变小，保证被调制光在出射端的光束特性。
优选地，被调制光的波长应处于增益介质吸收光谱的吸收峰内-。
优选地，增益介质采用单程或者多程泵浦，使所述被调制光单次或者多次通过增益介质，提高增益介质与被调制光的相互作用。
优选地，损耗调制器件可采用声光调制器件或者电光调制器件，或者二者共同使用。
优选地，谐振腔为直腔、v型、w型腔等谐振腔腔型结构。
本发明的基本原理是通过调节谐振腔内损耗调制器的损耗来间接影响增益介质对被调制光光强的吸收效率，从而实现对被调制激光的快速调制。由于增益介质对被调制激光的光束质量要求低，因此本发明可对低光束质量的激光进行调制，具有普适性。当谐振腔的损耗较小时，激光器阈值较低，增益介质的反转粒子数密度较低，从而导致增益介质对被调制光的吸收效率较高，未被吸收的被调制光光强较小；当损耗较大时，激光器阈值较高，增益介质的反转粒子数密度较高，从而导致增益介质对被调制激光的吸收效率较低，未被吸收的被调制光光强提高。而且，通过监测谐振腔自再现激光的强度，就可实时反映被调制激光的光强变化。因此，通过调节谐振腔内的损耗就可以实现对被调制光输出端光强的快速调制。在这里要指出，被调制光与自再现激光的波长应该符合增益介质的能级跃迁要求。被调制光输出端的光强与损耗的关系如下：
当已知损耗调制器的损耗δ，根据增益等于损耗g＝gl＝δ，可得到增益系数g，其中l为增益长度。通过增益介质的能级结构特性可从增益系数g推断出吸收系数α。以yb:yag晶体为例，增益系数和吸收系数满足如下公式：
其中，nyb是晶体内yb的粒子数密度，
然后根据iabs＝ipαl可得到吸收的被调制激光的光强，其中ip为被调制激光的注入光强。被调制激光的输出光强表达式为iout＝ip-ipαl。
与直接电调制相比，本发明被调制光光强的响应速度与激光器反转粒子数变化的时间密切相关，而反转粒子数变化时间远快于电调制的时间，因此本发明可实现对激光光强的快速调制。
与损耗调制器调制相比，损耗调制器直接调制激光过程中，被调制光减小的部分转化成器件内部热量，使器件容易受损伤，本发明被调制光减小的部分转化成自再现激光，从谐振腔输出，保证了器件不受损伤，因此，本发明是用小光强(自再现激光)调制大光强(被调制激光)。此外，损耗调制器是直接与被调制激光相互作用，损耗调制器对光束质量要求高，因此损耗调制器直接调制的方法只能对高光束质量的激光进行调制，而本发明被调制激光是与增益介质相互作用，增益介质对被调制激光的光束特性要求低，因此本发明还能对低光束质量的激光进行调制，适用范围广。
本发明是通过调节谐振腔内的损耗来实现增益介质对被调制光强度的动态吸收，从而实现快速调制激光光强。因此，可通过监测谐振腔产生的低强度的自再现激光，对高强度被调制激光进行实时反馈调整，具有更高的可靠性和实用性。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于增益介质动态吸收特性的激光强度调节装置，包括泵浦模块、增益介质、损耗调制器和谐振腔；所述泵浦模块采用单程或多程泵浦方式，所述增益介质设置于所述泵浦模块内，所述损耗调制器设置于所述谐振腔内；被调制光作为所述增益介质的泵浦光在所述泵浦模块内与所述增益介质相互作用，最后从泵浦模块出射。通过调节损耗调制器的损耗，改变增益介质对被调制激光的吸收强度，使得从泵浦模块输出的被调制激光的强度得到调节。
优选地，被调制光的波长应处于增益介质吸收光谱的吸收峰内。
优选地，损耗调制器为声光调制器或者电光调制器；声光调制器调制通过声光晶体内部超声场与谐振腔内激光场的相互作用发生布拉格衍射，通过调节超声场的频率等就可改变声光介质对腔内激光的衍射效率，从而实现对谐振腔损耗的调制；电光调制器调制通过电光效应实现对腔内激光偏振态的调制，当谐振腔内激光具有特定偏振态时，电光介质会调节腔内激光的透过率，从而达到对谐振腔内损耗进行调制的目的。
优选地，谐振腔为直腔、v型、w型腔等谐振腔腔型结构。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明通过调节谐振腔损耗直接影响谐振腔输出激光的光强，并最终影响增益介质对被调制激光的吸收效率，这是一种小光强(自再现激光)调节大光强(被调制激光)的方法，被调制光减小的部分转化成自再现激光输出，而不是转化成废热，这有效避免了直接对被调制激光进行调制，防止高强度激光对调制器件造成损伤，可对高光强的激光进行调制；
2、由于本发明被调制激光是以泵浦光的形式与增益介质相互作用，有效降低了被调制光所需的光束质量等特性，从而具有普适性，保证调制后的激光光强的光束特性与调制前的激光光强的光束特性一致，或略有降低，降低了对被调制激光的要求，使适用范围更广；
3、本发明通过损耗调制器对腔内损耗进行调制，从而实现增益介质对被调制光的动态吸收，这是一种光调制方法，极大提高了调制速度，可通过监测谐振腔产生自再现激光，对被调制激光进行实时反馈调整，具有更高的安全性、可靠性和实用性。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的激光强度调节装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1的调制光强随损耗的变化曲线；
图3是本发明实施例2提供的激光强度调节装置的结构示意图；
图4是本发明实施例2的调制光强随损耗的变化曲线；
图5是本发明实施例3提供的激光强度调节装置的结构示意图；
图6是本发明实施例3的调制光强随损耗的变化曲线；
图7是本发明实施例4提供的激光强度调节装置的结构示意图；
图8是本发明实施例4的调制光强随损耗的变化曲线；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、被调制光入射处，2、被调制光出射处，3、第一增益介质，4、第一损耗调制器，5、自再现激光输出端，6、第一泵浦模块，7、第二损耗调制器，8、第二增益介质，9、第二泵浦模块，10、起偏器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于增益介质动态吸收特性的激光强度调节方法，包括以下步骤：
待调制的被调制光与设置在谐振腔内的增益介质相互作用后，部分被增益介质吸收，在谐振腔内产生自再现激光；
自再现激光与设置在谐振腔内的损耗调制器相互作用，通过调节损耗调制器的损耗，影响谐振腔的损耗，实现增益介质对被调制光的动态吸收；
未被增益介质吸收的被调制光从谐振腔出射，其强度受到损耗调制器的调制。具体地，被调制光波长与增益介质满足零声子线泵浦机制，可使增益介质的热畸变小，保证被调制光在出射端的光束特性。
具体地，被调制光的波长应处于增益介质吸收光谱的吸收峰内-。
具体地，增益介质采用单程或者多程泵浦，使所述被调制光单次或者多次通过增益介质，提高增益介质与被调制光的相互作用。
具体地，损耗调制器件可采用声光调制器件或者电光调制器件，或者二者共同使用。
优选地，谐振腔为直腔、v型、w型腔等谐振腔腔型结构。
本发明还提供了一种基于增益介质动态吸收特性的激光强度调节装置，包括第一、第二增益介质、第一、第二泵浦模块、被调制光入射处、被调制光出射出、自再现激光输出端、第一、第二损耗调制器。
其中，第一增益介质与第一泵浦模块匹配，第二增益介质与第二泵浦模块匹配，第一、第二增益介质、第一、第二损耗调制器的中心处于同一平面，第一、第二损耗调制器的中心与谐振腔的光轴同轴，第一、第二损耗调制器位于谐振腔内部，损耗调制器可以是声光损耗调制器、电光损耗调制器等，谐振腔腔镜的镀谐振腔自再现激光波长所对应的膜系，第一、第二增益介质镀被调制激光和自再现激光波长所对应的膜系，第一、第二泵浦模块镀被调制激光波长的全反膜。
实施例1
基于增益介质对被调制激光的动态吸收特性，通过声光损耗调制器作为第一损耗调制器对调制激光进行强度调制。
声光损耗调制器调制损耗的原理是通过调制器内部的超声场与谐振腔内的激光场相互作用，使腔内自再现激光发生布拉格衍射，布拉格衍射效率越高，说明腔内激光偏离光轴的光强越多，损耗也就越多。因此可通过声光损耗调制器调制谐振腔内的损耗。
利用声光损耗调制器调节激光输出光强的装置如图1所示。其中，被调制激光的波长是1030nm，第一增益介质3是yb:yag，第一增益介质的厚度为6mm，自再现激光输出端5的波长是1050nm，第一损耗调制器4位于谐振腔靠近激光输出端5的位置，声光损耗调制器4的中心与谐振腔的光轴重合，第一泵浦模块6的泵浦次数为4次。
被调制激光从被调制光入射处1入射到第一泵浦模块6中，与第一增益介质3相互作用后，从被调制光出射处2出射。第一损耗调制器4位于谐振腔靠近自再现激光输出端5的位置，通过调节第一损耗调制器4的损耗，对谐振腔损耗的调制，实现对第一增益介质3内部增益的调制，从而影响第一增益介质3对被调制光光强的吸收，最终达到调节被调制激光输出光强的目的。
图2所示为被调制光输出端激光光强随腔内损耗的变化情况。被调制光输入端激光光强为8kw/cm2，随着损耗调制器4损耗的提高，第一增益介质3的增益变大，对被调制光的吸收减小，导致从被调制光输出端2输出的激光光强增大，随着损耗的进一步提高，增益小于损耗，使自再现激光输出端5的输出激光光强为0，被调制光的输出激光光强保持不变。
利用声光损耗调制器可实现对被调制激光的光强调制，具有较高的响应速度，而且有效避免了声光损耗调制器件的损伤。此外，通过控制自再现激光的强度可对被调制激光进行实时监测。
实施例2
基于增益介质对被调制激光的动态吸收特性，通过声光损耗调制器作为第一损耗调制器对调制激光进行强度调制。
声光损耗调制器调制损耗的原理是通过调制器内部的超声场与谐振腔内的激光场相互作用，使腔内自再现激光发生布拉格衍射，布拉格衍射效率越高，说明腔内激光偏离光轴的光强越多，损耗也就越多。因此可通过声光损耗调制器调制谐振腔内的损耗。
利用声光损耗调制器调节激光输出光强的装置如图3所示。其中，被调制激光的波长是969nm，第一增益介质3是yb:yag，第一晶体的厚度为0.2mm，自再现激光输出端5的波长是1030nm，第一损耗调制器4位于谐振腔靠近激光输出端5的位置，声光损耗调制器4的中心与谐振腔的光轴重合，第一泵浦模块6的泵浦次数为32次。
被调制激光从被调制光入射处1入射到第一泵浦模块6中，与第一增益介质3相互作用后，从被调制光出射处2出射。第一损耗调制器4位于谐振腔靠近自再现激光输出端5的位置，通过调节第一损耗调制器4的损耗，对谐振腔损耗的调制，实现对第一增益介质3内部增益的调制，从而影响第一增益介质3对被调制光光强的吸收，最终达到调节被调制激光输出光强的目的。
图4所示为被调制光输出端激光光强随腔内损耗的变化情况。被调制光输入端激光光强为8kw/cm2，随着损耗调制器4损耗的提高，第一增益介质3的增益变大，对被调制光的吸收减小，导致从被调制光输出端2输出的激光光强增大，随着损耗的进一步提高，增益小于损耗，使自再现激光输出端5的输出激光光强为0，被调制光的输出激光光强保持不变。
利用声光损耗调制器可实现对被调制激光的光强调制，具有较高的响应速度，而且有效避免了声光损耗调制器件的损伤。此外，通过控制自再现激光的强度可对被调制激光进行实时监测。
实施例3
基于增益介质对被调制激光的动态吸收特性，通过电光损耗调制器作为第一损耗调制器对调制激光进行强度调制。
电光损耗调制器调制损耗的原理是通过调制器内部的电光晶体与谐振腔内的偏振激光相互作用实现的。在腔内加一个起偏器，使腔内激光具有指定的偏振方向，电光晶体通过外加电场可改变对该偏振方向的自再现激光的透过率，从而实现对腔内自再现激光光强的损耗调制。因此可通过电光损耗调制器结合起偏器共同调制谐振腔内的损耗。
利用电光损耗调制器调节激光输出光强的装置如图5所示。其中，被调制激光的波长是1030nm，第一增益介质3是yb:yag，第一增益介质3的厚度为2mm，激光输出端5的波长是1050nm，第一损耗调制器4位于谐振腔靠近自再现激光输出端5的位置，起偏器10放置在第一损耗调制器4与第一增益介质3之间，起偏器10、声光损耗调制器4的中心与谐振腔的光轴重合，第一泵浦模块6的泵浦次数为32次。
被调制激光从被调制光入射处1入射到第一泵浦模块6中，与第一增益介质3相互作用后，从被调制光出射处2出射。第一损耗调制器4位于谐振腔靠近自再现激光输出端5的位置，腔内激光通过起偏器10后具有特定偏振方向，然后偏振激光通过第一损耗调制器4实现损耗调制，从而实现对第一增益介质3内部增益的调制，从而影响第一增益介质3对被调制光光强的吸收，最终达到调节被调制激光输出光强的目的。
图6所示为被调制光输出端激光光强随腔内损耗的变化情况。被调制光输入端激光光强为8kw/cm2，随着损耗调制器4损耗的提高，第一增益介质3的增益变大，对被调制光的吸收减小，导致从被调制光输出端2输出的激光光强增大，随着损耗的进一步提高，增益小于损耗，使自再现激光输出端5的输出光强为0，被调制光的输出激光光强保持不变。
利用电光损耗调制器可实现对被调制激光的光强调制，具有较高的响应速度，而且有效避免了电光损耗调制器件的损伤。此外，通过控制自再现激光的强度可对被调制激光进行实时监测。
实施例4
基于增益介质对被调制激光的动态吸收特性，通过第一、第二损耗调制器对调制激光进行强度调制。其中，损耗调制器采用声光损耗调制器或者电光损耗调制器。
利用第一、第二损耗调制器调节激光输出光强的装置如图7所示。其中，被调制激光的波长是969nm，第一增益介质3、第二增益介质8是yb:yag，第一增益介质3、第二增益介质8的厚度为0.4mm，自再现激光输出端5的波长是1030nm，第一损耗调制器4、第二损耗调制器7位于谐振腔靠近自再现激光输出端5的位置，第一损耗调制器4、第二损耗调制器7的中心与谐振腔的光轴重合，第一泵浦模块6、第二泵浦模块9的泵浦次数为32次。
被调制激光从被调制光入射处1入射到第一泵浦模块6中，与第一增益介质3相互作用，然后进入到第二泵浦模块9中，与第二增益介质8相互作用后，从被调制光出射处2出射。第一损耗调制器4、第二损耗调制器7位于谐振腔靠近自再现激光输出端5的位置，二者共同对谐振腔的损耗进行调制，从而影响第一增益介质3和第二增益介质8对被调制光光强的吸收，最终达到调节被调制激光输出光强的目的。
图8所示为被调制光输出端激光光强随腔内损耗的变化情况。被调制光输入端激光光强为8kw/cm2，随着第一损耗调制器4和第二损耗调制器7损耗的提高，第一增益介质3和第二增益介质8的增益变大，对被调制光的吸收减小，导致从被调制光输出端2输出的激光光强增大，随着损耗的进一步提高，增益小于损耗，使自再现激光输出端5的输出激光光强为0，被调制光的输出激光光强保持不变。
利用电光损耗调制器和声光损耗调制器可实现对被调制激光的光强调制，具有较高的响应速度，而且有效避免了损耗调制器件的损伤。此外，通过控制自再现激光的强度可对被调制激光进行实时监测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！