专利名称：自动跟踪选单纵模、调q与锁模方法
技术领域：
本发明是激光技术中的单纵模选择、Q开关与锁模技术。
已有技术中，美国利弗莫尔(Livemoce)实验室用共振反射器选激光单纵模，声光Q开关调Q、用腔长自动反馈补偿系统不断修正腔长来确保长时间单纵模运转，见图-(D.J.Kuizenga，IEEE J.Quant.Eletcon，Vol.QE-17，NO.9.P1694-1708，1981)。其缺点是结构复杂，它采用的腔长自动反馈补偿系统是一种高灵敏度，快响应的电子学系统。其不仅成本高，而且抗电干扰能力差。目前的锁模技术仍采用饱和吸收体或声光调制器为锁模元件，饱和吸收体的主要缺点是稳定性和可靠性差，它的分子无规涨落的特性，决定了锁模脉冲质量差稳定性差，而且在强光辐射之下，其分子容易分解，所以难以进行长期可靠的锁模激光输出，声光锁模调制器的主要缺点则是，调制深度太低，要求腔长匹配精度高。
本发明的目的为克服上述缺点，发明一种自动跟踪选单模、调Q和锁模的方法。
本发明的方法是采用光电导开关(包括它需要的高压电源)，电光开关(或称普克尔盒)和电阻构成一种快速的反馈回路，见图二。
当激光束照射光电导开关时，光电导开关的电阻值迅速减小，这时将产生一个电流脉冲，这个电流脉冲经过与光电导开关串联的电阻R形成反馈电压VR，这个反馈电压VR加到电光开关-普克尔盒的一个电极上，这时加在普克尔盒上的有效电压Vet将减少。因为加在普加尔盒上的有效电压Vet等于加在普克尔盒上的偏压Vb(加在另一电极上)减去反馈电压VR，即为加在普克尔合两个电极上的电压差，Vet＝Vb-VR。如果照射光越强，光电导开关的电阻值将越小，产生的电流脉冲将越大，反馈电压VR也就越大，加在普克尔盒上的有效电压Vet将越小，假设照射光电导开关光强相同，改变电阻R的阻值，则阻值越大的电阻产生反馈电压VR也越大，加在普克尔盒开关上的有效电压也越小，如果将电光开关放置在激光器的谐振腔内，用起偏振器反射出的光照射光电导开关，上述系统可实现单纵模自动选择和调Q，另外还可以实现锁模。
本发明最好应用于固体激光器中，其棒状工作物质的端面与棒轴垂直，而且两端面平行度之差＜α″(两端面最好不镀增透膜)，这样使得激光器工作时，各振荡纵模具有不同增益和起始振荡时间(这样的工作物质等效于F-P标准具)，当增益最大的纵模首先振荡时，由于起偏振器的反射，部分光将照射到光电导开关上，它产生反馈电压VR，使得加在普克尔盒上的有效电压Vef减小。由于Vef的减小，激光腔内损耗也减小，腔内净增益增加，这个振荡纵模的光强被放大，它的光强被放大后，起偏振器反射的光强也增加，这时照射在光电导开关上的光更强，反馈电压VR更大，加在普克尔盒上的有效电压Vet更小，腔内损耗进一步减小，这个纵模光强放大得更强。如此循环下去，一个正反馈回路形成。由于本发明所选用光电导开关的材料响应时间快(小于10ns)，所以正反馈回路能够自动跟踪此时产生的激光振荡纵模，至此单纵模选择完成。随着这个纵模功率不断增大，当反馈电压VR使得普克尔盒上的有效电压Vef减小到“零”电压(即VR＝Vb)时，这个纵模功率增长到它的最大值Pmax，则调Q脉冲形成，调Q脉冲宽度可以通过改变电阻R的阻值控制腔内增益变化的快慢来实现，如果将激光棒成小角度切割，设置腔长使激光脉冲与整个反馈控制系统时间上同步，并进一步减小电阻R的阻值，即可实现锁模。
当光电导开关上的反馈电压VR高于偏压Vb时，整个反馈回路将由正反馈状态自动过渡到负反馈状态，然后再由负反馈状态转变为正反馈状态，这样正负反馈不断地交替转换，最终使得整个反馈回路钳制在一个稳定状态，实现了稳态锁模。
本发明所采用光电导开关的材料其电阻值与所接收的光强成反比，即它所接收到光强越强，电阻值下降得越多，反之，它所接收到的光强越弱电阻值下降得越少。要求响应时间快，最好是小于10ns，灵敏度高，通常是当光强为1μj/mm2的光照射时，其电阻值下降至少为104倍。而且要求能够承受上千伏以上的直流高压。这除了与所选择材料本身性能有关，还与光电导开关的接收面尺寸有关，当材料选定以后，其接收面尺寸大，承受电压高，但灵敏度相对地降低了，若接收面尺寸小时，灵敏度提高，但承受电压低，所以接收面要选取恰当。
上述与光电导开关串联的电阻R应视需要(调Q或锁模)而定，通常情况下，电阻R的阻值选择为大于10Ω。
本发明的主要优点采用本发明的方法，可以同时实现选单纵模，调Q、锁模和准连续输出激光束。
第一、实现选模(单纵模)调Q本发明实现选模(单纵模)调Q一体化(选模、调Q两上过程同时完成)，而且自动跟踪选单纵模和调Q。不需要腔长自动反馈补偿系统而能长期稳定工作。
调Q脉冲宽度可调，激光器的工作点可远离激光器阀值，对激光器腔长无特殊要求。
激光腔内无专用的选模元件(如共振反射器，F-P标准具)。整个激光器未采用复杂的电子线路，抗干扰能力强，结构简单化。
第二、实现准连续的激光输出本发明可以容易地实现负反馈准连续激光输出，而不需超快响应的(约千兆赫)电子学控制电路或高精度的准连续电源，对脉冲泵浦电源的精度以及工作点也无特殊要求。
第三、实现锁模本发明可实现正反馈锁模，这种锁模机制，即克服了非线性饱和吸收体的统计和化学不稳定性，又克服了声光主动锁模调制器调制深度浅，驱动电源和腔长匹配精度过高的缺点，而且整个器件均由耐用元件组成，所以可长期稳定可靠地运转。
这种锁模还可进一步过渡为准连续稳态锁模，输出的锁模脉冲宽度可更窄。
由于选单纵模、调Q、锁模、准连续控制均由同一反馈回路实现，所以结构简单，实施成本极低，与同性能复杂的传统激光器相比，成本可降低10倍以上。
图1是美国利弗莫尔(Livemoce)NdYAG单纵模调Q振荡器结构图。其中
1-全反射腔镜，2-激光器工作介质NdYAG棒，3-小孔光栏，4-声光Q开关，5-2mm厚玻璃平板，6-9mm厚玻璃平板，7-6mm厚空气隙，8-8mm厚玻璃平板，9-压电陶瓷(接腔长自动反馈补偿系统)。
图2为本发明的自动跟踪选单纵模，调Q锁模方法结构示意图。其中10-光电导开关的高压直流电源(或脉冲电源)，11-光电导开关，12-电阻R，13-起偏振器，14-普克尔盒的高压直流电源，15-普克尔盒，16-激光输出腔片。
实施例1应用于NdYAG单纵模调Q激光器中。激光器结构示意图如图二所示。激光器腔长L-50cm;全反射腔镜1的反射率R≈100%(波长1.053μm);小孔光栏的孔径为φ1.5mm;激光工作介质为NdYAG棒，φ4×50mm，棒端面与棒轴垂直，两端面平行度之差＜α″;光电导开关高压直流电源的工作电压为3000V;光电导开关接收面的材料为砷化镓，响应时间小于10ns，灵敏度为当强度为1μj/mm2的激光照射它时，它的电阻下降106倍，接收面尺寸为2×3×0.5mm3;电阻R的阻值为100KΩ;起偏振器是镀膜偏振器，电光开关普克尔盒的直流高压电源的工作电压是2000V;普克尔盒的材料为KDP，尺寸为φ8×15mm;激光输出腔片反射率R＝50%(波长1.053μm)。
该激光器输出参数是调Q脉冲宽度35ns，能量30μj，输出脉冲宽度和能量起伏≤±5%，输出单纵模几率为100%，能长期稳定工作。
实施例2应用于NdYAG准连续激光器中。激光器结构示意图如图二所示。激光器腔长L＝150cm;激光工作物质为NdYAG棒，φ5×50mm，电光开关普克尔盒的直流高压电源的工作电压是3900V，电阻R的阻值为5KΩ，其它参数与实施例1基本相同。
该激光器输出参数是准连续脉冲波形的宽度为100μs(泵浦电源的放电波形仅为150ns)可长期稳定工作。
实施例3应用于NdYAG锁模激光器中。图2为激光器结构示意图，NdYAG为激光工作物质，棒尺寸为φ5×50mm，小角度(2)切割，电阻R的阻值为50Ω，其它参数均与实施例1相同，设置腔长与反馈回路同步。
激光器输出参数是锁模几率近似100%，锁模脉冲宽度～100Ps，锁模脉冲序列能量～10mj，序列能量稳定性±5%，可长期稳定工作。
权利要求
1.一种自动跟踪选单纵模、调Q与锁模方法，其特征在于光电导开关，接收激光束照射后产生电流脉冲经过与光电导开关串联的电阻R形成反馈电压VR，加于电光开关-普克尔盒上，构成反馈回路。
2.根据权利要求1所述的一种自动跟踪选单纵模调Q与锁模方法，其特征在于电光开关-普克尔盒的有效电压Vef＝Vb-VR，其中Vb由普克尔盒高压直流电源供给的称为偏压的电压值，VR-为与光电导开关串联的电阻R有电流脉冲经过时，产生的反馈电压值。
3.根据权利要求1所述的一种自动跟踪选单纵模调Q与锁模方法，其特征在于光电导开关的光电材料的电阻值与所接收的光强成反比、响应时间小于10nS，灵敏度当接收光强为1μj/mm2的光照时，电阻值下降至少为104倍。
4.根据权利要求1所述的一种自动跟踪选单纵模调Q与锁模方法，其特征在于光电导串联的电阻R的阻值大于10Ω。
全文摘要
本发明为激光技术领域中一种自动跟踪选单纵模、调Q与锁模方法。由光电导开关接收激光束照射后产生电流脉冲经过与光电导开关串联的电阻R形成反馈电压V
文档编号H01S3/107GK1065558SQ91107359
公开日1992年10月21日 申请日期1991年4月4日 优先权日1991年4月4日
发明者陈绍和, 陈韬略, 陈有明 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所