專利名稱：主動q開關激光器的穩(wěn)定性的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及主動Q開關脈沖激光器。具體地，公開了具有產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換光輸出的腔內(nèi)非線性輸出耦合器的主動Q開關脈沖激光器。更具體地，依據(jù)本發(fā)明，可以在實質(zhì)上與激光器增益無關的大范圍上改變脈沖持續(xù)時間和重復頻率。
背景技術：
在科學的、安全的、檢測的和材料加工應用中廣泛使用具有近衍射極限TEM00束(near-diffraction-limited TEM00beams)和高的總效率的高重復率的、二極管泵浦的固體(DPSS)Q開關激光器。在所有情況中，理想的是使激光器輸出的波長、脈沖能量、脈沖寬度和重復頻率適應于該應用。
在材料加工中，例如切削率、切口質(zhì)量及間接的損害的這些重要方面可極大地取決于這些所有的變量。但是，由于眾所周知的基礎物理學，嚴格地限制了這些參數(shù)中可能調(diào)整的程度。輸出脈沖能量和重復頻率受限于激光器系統(tǒng)中可利用的泵浦水平和總提取功率，盡管諸如非線性頻率轉(zhuǎn)換的技術可相對有效的將這種功率傳送給其它波長。
激光器脈沖寬度取決于激光器的物理參數(shù)(增益介質(zhì)、腔往返時間等等)和初始反轉(zhuǎn)值，這些因素決定建立時間和能量抽取動態(tài)特性，因此激光器脈沖寬度與脈沖能量極大地相關。在移向更高脈沖重復頻率時，這種限制變得更成問題，因每個脈沖可利用的能量被減少，導致更長的建立時間、更長的脈沖、更低強度，并且最終導致更低的頻率轉(zhuǎn)換效率。
然而。對于很多應用來說，理想的是打破這種脈沖能量-脈沖寬度限制，以使脈沖寬度的選擇與脈沖能量無關。如果總效率還被保持，則這種激光器將是非常適用的器具，成為在寬的重復頻率范圍和脈沖寬度上可能的高效率的頻率轉(zhuǎn)換激光器。
本發(fā)明公開一種在寬的重復頻率范圍上獲得具有可變脈沖寬度和高效率的穩(wěn)定輸出的激光器及其操作方法。
腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換激光器相比于類似的外頻率轉(zhuǎn)換激光器具有的明顯優(yōu)點，該優(yōu)點在于對于其它波長的高效轉(zhuǎn)換、在非線性晶體上降低的峰值及平均強度以及減少的脈沖間噪聲值，但是一般展示出比具有外頻率轉(zhuǎn)換的激光器更長的脈沖。
這種脈沖變長歸因于兩種效果使用非線性耦合的低線性損耗和強度削減。內(nèi)部(腔內(nèi))頻率轉(zhuǎn)換激光器典型地具有低線性損耗，以使頻率轉(zhuǎn)換效率最大化。當循環(huán)強度衰減時，非線性損耗降低，以使脈沖衰減拉長。在該衰減期間，仍然從增益介質(zhì)中抽取能量，但是瞬時非線性效率逐漸降低，這降低了總轉(zhuǎn)換效率。通過增加非線性輸出耦合可以提高總效率，但通常僅在以進一步增加脈沖寬度為代價時才獲得，因為增加的非線性耦合更有效率地削減循環(huán)強度和能量抽取率。
可控脈沖寬度的激光器已經(jīng)通過各種技術被構造出來。其中最早使用增強非線性光(NLO)耦合，以將脈沖寬度加長，正如由Murray和Harris(J.E.Murray和S.E.Harris，“PulseLengthening via Overcoupled Internal Second-Harmonic Generation”，J.Appl.Phys.41，pp609-613，1970以及J.F.Young，J.E.Murray，R.B.Miles和S.E.Harris，“Q-switched Laserwith Controllable Pulse Length”，Appl.Phys.Lett.18，pp.129-130，1971)所分析和論證的。他們確定二次諧波耦合的最佳值，在該值處獲得諧波頻率的最大強度。對于低諧波耦合值，脈沖寬度近似為常數(shù)。對于大于最優(yōu)值的諧波耦合值，較大的NLO耦合有效地削減循環(huán)強度且加長了脈沖，而沒有效率的損失。然而，因為必須在毫秒時間標度上調(diào)整非線性材料溫度或角度，所以這種技術只可產(chǎn)生脈沖加長，以及只提供相對較慢的脈沖調(diào)整機制。
最近的研究利用自倍頻激光器(self-doubling laser)增益介質(zhì)以得到類似效果(P.Dekker，J.M.Dawes和J.A.Piper，“2.27-W Q-switched self-doubling YbYAB laser with controllablepulse length”，J.Opt.Soc.Am.B 22，pp.278-384，2005)。
在此公開的本發(fā)明引入一種對關于脈沖下降沿的Q開關削波的在先專利(Adams，USPatent 6,654,391)的改進。Adams專利的主要目的是在大多數(shù)頻率轉(zhuǎn)換脈沖結束之后閉合Q開關，使能量的某些部分在增益介質(zhì)中得到保持，否則這些能量會通過基波波長脈沖的后沿被抽取。
因此，更多的存儲的能量和增益可用于后面的脈沖，在轉(zhuǎn)換波長處產(chǎn)生更高強度的基波脈沖、更高的轉(zhuǎn)換效率以及更多功率。還可以獲得少量脈沖縮短，但是與Adams專利描述的一樣，當Q開關窗口變短且開始明顯地削減該脈沖的后沿時，脈沖寬度變得不穩(wěn)定。
這種不穩(wěn)定典型地采取該脈沖序列的周期倍增的形式，以代替一系列相等能量/強度的脈沖，該脈沖在大和小能量之間交替變換，它們之間的差異取決于由Q開關對后沿削波的程度。因此，不能通過Adams專利的方法來獲得實質(zhì)上的脈沖縮短。
另一種用于控制Q開關激光器的脈沖寬度的理論上可行的技術為在自然脈沖結束之前，使用積極的Q開關窗口終結，所述自然脈沖由激光腔的增益和能量抽取動態(tài)設置。打開Q開關以建立初始化脈沖，然后，Q開關將在某些點上被設定回高損耗狀態(tài)，快速降低循環(huán)強度，進而有效地削減脈沖的下降沿。這可以使用許多不同類型的Q開關來實現(xiàn)，包括電光和聲光類的。
對于低重復率激光器，該脈沖削波技術可有效地縮短脈沖，在所述低重復率激光器中脈沖重復頻率(PRF)比高能態(tài)壽命(upper state lifetime)的倒數(shù)小得多。由于存儲能量被遺留在增益介質(zhì)中，且長的重新泵浦的時間確保較少的或幾乎沒有遺留可用于后面的脈沖的能量，所以該方法相比于沒有脈沖削波的自激激光器更有效率。
在PRF比1/高能態(tài)壽命大得多的情況下，脈沖削波可能有非常大的優(yōu)勢，但是還很復雜。由于在增益下降至損耗值之下之前通過Q開關消除該脈沖，且由于脈沖間的時間遠短于增益介質(zhì)的壽命，在縮短脈沖之后，削除脈沖的下降沿允許剩下的剩余純增益。由于該脈沖的低非線性光學(NLO)轉(zhuǎn)換效率尾部將被削減去，以及將節(jié)省的能量高強度及高效地存儲在隨后的脈沖中，對于腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換激光器，這在原理上可為一個重大的優(yōu)點。
然而，實際上，腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換激光器的這種另外的有吸引力的方案典型地僅僅允許在進入固有穩(wěn)定限制前最小脈沖縮短以及改進減緩效率。當建立的Q開關窗口(建立開始和脈沖削波之間的時間)逐漸減少以及在脈沖被削減之后剩下更多增益時，開發(fā)了一種用于脈沖間溝通的機制，該機制快速擾動該脈沖序列。因此，這種對增益間接不穩(wěn)定問題的解決方案對于Q開關脈沖削波成為有用的技術是必需的。
該激光器動力學的簡單模型說明了由于消除脈沖尾部而改變脈沖長度時出現(xiàn)的穩(wěn)定性問題。這種簡化的模型用于純粹的線性激光器，也就是，沒有非線性輸出耦合，但用于說明出現(xiàn)在線性和非線性輸出耦合激光器中的穩(wěn)定性問題。對于高PRF極限中線性激光器的循環(huán)功率P和增益g可考慮用兩個方程式(1)和(2)表示。為了簡化，我們假定該脈沖為足夠短的，以致于在脈沖期間的增益介質(zhì)的重復泵浦對于確定脈沖動態(tài)特性可以被忽略。
Eq.(1)TRTdPdt=(g-l)P]]>[21]Eq.(2)dgdt=-gP/Esat]]>[22]包含在這個模型中的激光器參數(shù)為腔往返時間TRT、腔損耗l和有效的增益介質(zhì)飽和能量Esat，所述增益介質(zhì)飽和能量依賴于增益介質(zhì)和與增益介質(zhì)相互作用的腔模型(通過數(shù)量、模型尺寸等)的飽和強度。
根本上，激光器脈沖序列穩(wěn)定性的最小條件要求關于特定脈沖的小擾動(比如，增益)在其對后續(xù)脈沖的影響上沒有被放大。如果這種放大出現(xiàn)，該擾動可最后導致諸如周期倍頻之類的不合需要的行為。如果在脈沖期間通過積極的短Q開關窗口削波該循環(huán)強度，則由上面耦合方程式描述的上述激光器顯示這種不穩(wěn)定性。如果不采取努力來穩(wěn)定下述的脈沖序列，則在腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換調(diào)Q激光器中出現(xiàn)同樣的行為。


圖1a、1b示出先前技術的一個事例，通過用于兩個略微不同初始增益條件的耦合方程式的數(shù)值解計算的作為時間函數(shù)的腔內(nèi)功率和增益值。以通過初始增益值、從增益介質(zhì)的抽取能量和在增益值最后降到腔往返損耗值以下時最終衰減所設定的速率建立該強度。圖1中其他曲線示出，在打開Q開關以開始該兩個初始條件的脈沖建立之后的時間T處瞬時增益的差異。在脈沖建立階段中初始增益差保持幾乎不變，但是一旦有效能量抽取開始，非常大的增益差存在于大多數(shù)脈沖持續(xù)時間中。在循環(huán)強度衰減后，瞬時增益差降落至低于在時間t＝0處的初始增益差的值。
如果我們假定Q開關被調(diào)整回在時間T的高損耗狀態(tài)，我們可以通過檢查存在那時的增益差推斷對穩(wěn)定性的影響。如果時間T有效出現(xiàn)在該脈沖強度被衰減之后，則時間T處的增益差將一直小于或等于原始增益值以及該激光器將至少在勉強的是穩(wěn)定的，由于任何擾動將及時衰減，盡管慢慢地。一旦時間T開始侵入脈沖下降沿，盡管，時間T處的增益差可明顯大于輸入增益差。然后，任何增益波動將在其對隨后脈沖波動的影響上被放大。將Q開關關閉時間t＝T處的增益差的比率限制至在小增益波動的界限中的t＝0處初始增益差，我們明白，具有脈沖削波的脈沖序列穩(wěn)定性要求根據(jù)方程式(3)的最小條件。
Eq.(3)|dg(T)dg(0)|<1]]>[27]在方程式3中的數(shù)值小于1時，任何增益波動對隨后脈沖的影響將衰減；數(shù)值越小，任意波動將衰減得越快，并且激光器將越穩(wěn)定。
檢查圖1c中增益差曲線，在時間t＝T比該脈沖長時滿足方程式(3)中的條件，但在該脈沖由Q開關明顯削波時被干擾。結果是，使用沒有脈沖序列擾動的Q開關，只有最小限度的脈沖縮短和控制是可能的。
在重復調(diào)Q激光器中，可以直觀地理解下面的方式。額外的增益用于第一脈沖，第一脈沖更快速地建立且抽取更多存儲的能量，剩下較少增益用于后續(xù)的脈沖。經(jīng)歷(seeing)較少增益，第二脈沖非常慢地建立且抽取更少的能量，剩下用于又一個大的第一較大脈沖的合適的初始條件。
圖2a和2b示出在傾向于這種不穩(wěn)定性的先前技術的激光器中Q開關削波時間對脈沖寬度的影響的數(shù)值模擬的結果的事例。當Q開關窗口(在時間0打開和在時間T閉合之間的時間)被減少且開始削減該脈沖的下降沿，出現(xiàn)了脈沖能量(圖2a)和脈沖寬度(圖2b)中的分叉，以使脈沖序列包含交互的大和小脈沖。當又進一步關閉窗口時，較小脈沖能量的能量快速歸零，以使激光器僅依靠交替的Q開關事件就達到閾值且重復頻率被減半。
在Q開關門減少時，在高重復率線性和非線性輸出耦合激光器中可以觀察到這種行為。實際上，脈沖穩(wěn)定性設定Q開關窗口的寬度的實用的下限，進而防止了積極的削波Q開關成為脈沖寬度控制的有用技術。
較大的增益差異和引起的不穩(wěn)定的原因主要為脈沖之間的定時延遲。對于圖1a～1c中繪出的兩條曲線，脈沖強度包絡和增益行為差別不是太大。如果它們能夠在某種程度上被偏移以及時恰當?shù)慕坏?，那么對于在任意時間T處削波，方程式(3)中的穩(wěn)定條件均可得到滿足。主要通過建立時間確定脈沖的定時，該建立時間與脈沖開始時可利用的增益成反比。
最終，因為能量抽取(脈沖期間)發(fā)生在相對于整個建立時間的短的時標上，所以出現(xiàn)這個穩(wěn)定性問題，以致于建立時間中小的波動在脈沖定時上產(chǎn)生足夠的偏移以剩下大的增益差異。如果建立時間足夠短(即循環(huán)強度在Q開關打開時已可辨別)，針對脈沖削波的穩(wěn)定性將顯著增強，因為任何增益波動將產(chǎn)生更小的定時偏移。
然而，由于接近激光閾值強度，在Q開關打開之前得到這樣一種穩(wěn)定的增強的循環(huán)強度是困難的。諸如前發(fā)射激光(pre-lasing)和種子注入(injection seeding)之類的技術可用于在Q開關脈沖之前提高循環(huán)強度，但兩者均存在顯著的局限性(單頻激光，環(huán)形激光等)。
值得注意的是脈沖定時不是脈沖不穩(wěn)定性的唯一來源。如果提供更高階的橫向模式，也能耦合隨后的脈沖，并被觀察到能產(chǎn)生相似的周期加倍不穩(wěn)定性。因此，這里的分析主要應用于單橫向模式激光器。
在此公開的本發(fā)明采取一種脈沖縮短的違反直覺的方法。在腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換激光器中增加非線性相結合(outcoupling)典型地導致更長的脈沖長度，所有其它各點都相同的情況下，因為強度被減少以及從增益介質(zhì)中的能量抽取快速減少。然而，增加非線性相結合還產(chǎn)生顯著的益處。
根據(jù)本發(fā)明在此公開的額外的非線性耦合與Q開關門寬度的減少相對使脈沖更加穩(wěn)定，該Q開關門寬度的減少將引起脈沖不穩(wěn)定。作為增加的非線性相結合的結果，門寬度在很大程度上可被減少，達到脈沖寬度主要由建立時間和Q-開關門寬度而不是僅僅由從增益介質(zhì)抽取能量的動態(tài)特性決定。由于能量抽取動態(tài)特性不再決定脈沖寬度，因此可減少脈沖寬度，使其遠低于通過優(yōu)化非線性輸出耦合和增益動態(tài)所可能達到的數(shù)值。這使得腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換激光器的操作能夠采取一種全新的脈沖寬度機制，該機制具有的脈沖比通過僅改變激光器參數(shù)所能獲得的脈沖更短。
現(xiàn)在考慮依據(jù)本發(fā)明的一個方面的情形，在該情形下激光器克服了先前表述的穩(wěn)定性問題，允許脈沖削波，并且根據(jù)脈沖能量和脈沖重復率實現(xiàn)脈沖寬度的退耦(等同于脈沖持續(xù)時間)。
本發(fā)明的關鍵是非線性耦合的適當選擇，以在該脈沖被在時間T處削波和循環(huán)強度衰減之后獲得在增益介質(zhì)中的增益的剩余值，該剩余值在脈沖建立開始之前與存在于增益介質(zhì)中的初始增益值無關。我們將這個點定義為增益波動不靈敏非線性耦合值。在理想增益波動不靈敏條件下，對于在脈沖強度峰之后的時間T的所有值，方程式(3)中的數(shù)值將近似為零，以使該脈沖序列將具有最大穩(wěn)定性，與諸如周期倍頻的行為相反，沒有引起不穩(wěn)定性地實現(xiàn)積極脈沖削波。然而，如根據(jù)方程式3清楚的是，只要方程式3中的數(shù)值的絕對值小于1，在非線性輸出耦合值的某些范圍上在理想增益獨立狀況下穩(wěn)定脈沖削減激光器操作是可能的，。因此，在理想增益波動不靈敏條件附近的操作是足以獲得依據(jù)本發(fā)明的益處的。
由于為了清楚起見必須簡化下面提出的以解釋和說明本發(fā)明的解析和數(shù)值模型以及要求的增益波動不靈敏條件，所以它們沒有采集激光器操作的所有方面。例如，簡化的模型不包括空間增益飽和效應，代替使用不變的有效飽和能量來描述該脈沖的能量抽取行為。類似地，不包含在頻率轉(zhuǎn)換過程中的復雜效應，諸如在高強度和高初始增益處的轉(zhuǎn)換效率的飽和。推入大的非理想效應的機制中，例如預計每往返大于100％轉(zhuǎn)換的非常高的循環(huán)強度，該簡化模型將明顯不足以用于增益波動不靈敏行為的預測。
然而，通過在初始增益值的寬且有用范圍上的數(shù)值計算，我們證明了增益波動不靈敏非線性輸出耦合條件是明顯可以確認的，，其中更復雜的效應沒有支配激光器脈沖行為。實際上，假定在圍繞理想增益獨立條件的范圍上穩(wěn)定操作是可以獲得的，則對于在某種程度上、甚至在超出包含在該簡化模型中的這些的效應是明顯的機制中，將可獲得在增益獨立條件附近的操作益處。為此，在某些脈沖重復率處，單個激光器可能獲得增益波動不靈敏非線性耦合的益處也是可能的，而在其它處由于這種的另外效應沒有獲得。
可分析地描述在建立和衰減階段期間的脈沖行為，用于二次諧波產(chǎn)生的情況下，該脈沖行為允許本領域技術人員估計必需用于增益強度和脈沖序列穩(wěn)定性的條件。隨后的數(shù)值分析將更精確地設置該條件。
為了可分析地估計用于非線性輸出耦合的二次諧波產(chǎn)生激光器的增益波動不靈敏度條件，我們使用除了增加的輸出耦合之外如上面一樣的相同的參數(shù)，該輸出耦合與循環(huán)功率(二次諧波產(chǎn)生)的平方成比例，由于這個激光器的輸出位于二次諧波以及如現(xiàn)有技術中已知的一樣可以最小化線性腔損耗，所以線性損耗可以被忽略。因此，方程式1和2可被分別重寫為方程式4和5。方程式4包含α，其通過二次諧波產(chǎn)生確定非線性耦合的振幅。
為了可分析地估計用于非線性輸出耦合的二次諧波產(chǎn)生激光器的增益波動不靈敏度條件，與上面一樣除了輸出耦合的增加之外，使用相同的參數(shù)，該輸出耦合與循環(huán)功率(二次諧波產(chǎn)生)的平方成比例，由于這個激光器的輸出位于二次諧波以及如現(xiàn)有技術中已知的一樣可以最小化線性腔損耗，所以線性損耗可以被忽略。因此，方程式1和2可被分別重寫為方程式4和5。方程式4包含α，其通過二次諧波產(chǎn)生確定非線性耦合的振幅。
方程式(4)TRTdPdt=gP-αP2]]>[46]方程式(5)dgdt=-gPEsat]]>[47]方程式(4)和(5)中定義的二階非線性系統(tǒng)具有解的一個參數(shù)族，該解可被寫為如方程式(6，7)一樣的閉合形式。
方程式(6，7)P(t)=Esatt-T0,]]>g(t)=αEsat-TRTt-T0.]]>[49]這些精確解是不實際的，其中當時間返回至積分常數(shù)T0時功率和增益無限增加。盡管，如果SHG耦合相比于TRT/Esat為大的，這個特定族漸進地逼近理想解的衰減行為。
在衰減期間，增益小于非線性損耗，以使g＜αP。該特定族具有g＝(α-TRT/Esat)P，以及因此在衰減期間該解滿足(α-TRT/Esat)P＜g＜αP。如果α＞＞TRT/Esat，則該解近似為有界限的，以及幾乎等于衰減期間的特定解。兩種初始情形適用小噪聲功率Pinitial和一些有限增益gi，它們將確定用于校正漸近衰減曲線的T0值。
在脈沖建立期間，功率如方程式(8)所述按指數(shù)規(guī)律地增長[52]方程式(8)P(t)＝Pinitialexp(git/TRT)，[53]因此，增益幾乎為常數(shù)。
在該建立和衰減之間為該脈沖的峰值部分-上升的最后部分和衰減的第一部分-其中微分方程中的所有項是重要的且一般公式是不可利用的。幸運地，這個峰值的持續(xù)時間是短的，以及相當小的增益在脈沖演變中的這個部分期間被耗盡。因此，對于最簡單的逼近，建立和衰減行為可被直接匹配，如方程式(9)中所述[55]方程式(9)tp=TRTgiln(Pp/Pinitial),]]>[56]其中Pp為峰值功率。根據(jù)衰減行為，峰值時間近似為[57]方程式(10)tp=αEsat-TRTgi+T0,]]>[58]其中T0為又一個特定族的自由參數(shù)。
一般而言，這種聯(lián)系(tp的兩個表達式)將意味著依賴于gi、Pinitial，和激光器參數(shù)α、Esat和TRT的T0?，F(xiàn)將強條件(strong condition)施加至不依賴于gi初始增益的T0，以使所有脈沖沿與脈沖前的初始增益值無關的相同曲線衰減。這確保最后增益行為不依賴于初始增益，并且可以不存在脈沖間的聯(lián)系或相互作用。在T0必須一致為零的情況下，這意味著[60]方程式(11)αgfi≈TRTEsat[ln(Pp/Pinitial)-1].]]>[61]在Q開關打開之前，獲得增益波動不靈敏條件αgfi的非線性輸出耦合值依賴于腔內(nèi)的初始強度循環(huán)，同時對于較低初始強度值需要較高的非線性耦合。在峰值功率以下，由于在幾乎所有Q開關激光器中的前脈沖循環(huán)功率均是多階量級，因此方括號中的因式比1大得多，從而項“-1”可以被忽略。
在對非線性輸出耦合峰值功率、脈沖寬度和效率的分析中，Murray和Harris確定最佳耦合點α，[63]方程式(12)α≈TRT/Esat(在原稿中β＝1)，[64]其中獲得最高諧波峰值功率的地方，效率接近最大值，以及脈沖寬度在最小值上僅僅增加一小部分。在非線性輸出耦合被增加超過由Murray和Harris確定的最優(yōu)值時，脈沖寬度將只不過進一步變長。對于低于該值的非線性耦合值，非線性輸出耦合二次諧波產(chǎn)生激光器的脈沖寬度近似為常數(shù)，此處，在我們定義為特征最小脈沖寬度的值處，通過具有相同參數(shù)的激光器可以獲得所述特征最小脈沖寬度(不同于可變的非線性耦合)。
與如現(xiàn)有技術中Murray和Harris公開的優(yōu)化諧波峰值功率的非線性耦合值相比較，可以看出增益波動不靈敏性條件一般要求大于非線性輸出耦合的許多倍(20階次的因子)。
作為實現(xiàn)增益波動不靈敏性條件所要求的這個通常大的非線性耦合的結果，這里公開的激光器的自由振蕩脈沖寬度(沒有脈沖削波)將遠長于理想非線性耦合情況中的脈沖寬度。盡管，因為增強的脈沖序列的穩(wěn)定性，公開的激光器現(xiàn)將是穩(wěn)定的，與脈沖下降沿的Q開關削波相反，所以實現(xiàn)引人注目的輸出脈沖縮短是可能的。從而，工作在增益波動不靈敏條件且使用脈沖削波的激光器將能夠產(chǎn)生輸出諧波波長脈沖，所述輸出諧波波長脈沖比Murray和Harris確定的特征最小脈沖寬度短。
最大脈沖序列穩(wěn)定性的條件的更詳細的研究需要對耦合方程式進行數(shù)值模擬，以使所述建立與峰值非線性轉(zhuǎn)換區(qū)域中的脈沖衰減連接起來。對于另一個實施例的模擬，Esat采用3mJ，TRT采用5ns，以及初始噪聲輸入采用10μW，以近似模擬在下面部分陳述的試驗結果。
圖3示出幾個輸入增益值的循環(huán)紅外功率強度和增益時間函數(shù)曲線圖，而且α＝0.00166/kW，為“最佳”非線性耦合值，此值為現(xiàn)有技術中Murray和Harris確定的最大諧波峰功率。對于這些情形，非線性耦合值遠小于增益波動不靈敏性所要求的值。
具有較高初始增益值的脈沖在時間上較早地達到其峰值強度和衰減，如果該脈沖在強度峰之后不久被削波則引起大的后脈沖增益差異和脈沖序列不穩(wěn)定性。
依據(jù)本發(fā)明使用在增益波動不靈敏條件附近的非線性耦合值α＝0.035/kW。通過觀察時間上的曲線覆蓋憑經(jīng)驗確定這個值。為了對比，使用Pp＝10kW和Pinitial＝10μW的典型值、方程式(11)預計α＝0.033/kW。圖4a至4c示出依據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)生腔內(nèi)二次諧波輸出的激光器的數(shù)值模擬結果，同時顯示了幾個初始增益值的循環(huán)強度和增益的時間函數(shù)曲線圖，至于非線性耦合值α在圖4a中為0.0175/kW、圖4b中為0.035/kW(增益波動不靈敏度條件)和圖4c中為0.070/kW。
如圖4b中所示如增益波動不靈敏度條件處所期望的，對于略微晚于強度峰的時刻所有的獨立增益曲線落在單一通用曲線上，盡管初始增益值有相當大的差異(大約5倍的因子)。在此后較短時間上，強度曲線還落在相類似的通用衰減曲線上。重要的是注意到，盡管觀察到由于線性損耗的較大的相對重要性而在低初始增益值處與理想曲線存在一些偏差，如果線性損耗和重復泵浦被包括，則出現(xiàn)相同的基本行為。在圖4a和4c中，非線性耦合被降低且根據(jù)增益波動不靈敏度條件以2的因子增加，說明了在理想情況附近的一些范圍上可以獲得穩(wěn)定性，如方程式(3)所示。在脈沖強度峰值之后增益沒有出現(xiàn)大的差異，與圖3中所示的多個典型的現(xiàn)有技術狀態(tài)不一樣。
在通過Q開關削減脈沖下降沿且顯著增益滯后于該脈沖時，背景增益值將上升。當這個增益值上升時，建立時間將縮短，峰值強度將增加，以及向諧波轉(zhuǎn)化的效率降因此增加。在Q開關打開期間由非線性轉(zhuǎn)換所抽取的功率增加至等于(根據(jù)線性腔損耗以損耗的其他功率為模)在相應重復率處可利用的功率/脈沖時，將達到一個新的平衡。
來自單獨脈沖能量的背景增益值的退耦對激光器操作具有明顯的暗示。對于沒有脈沖削波的激光器，通過可用于特定脈沖的能量(增益)設定建立、峰值強度和非線性轉(zhuǎn)換效率，因為通過每個脈沖抽取所有凈增益。一般，在這種腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的激光器的重復頻率增加時，諧波處的輸出功率將下降。
相反地，當PRF增加時，具有增加的背景增益值的脈沖削波激光器原理上可保持相同的先前脈沖增益值，保持峰值強度、非線性轉(zhuǎn)換效率和諧波波長處的全部激光器輸出功率。因此，削波脈沖操作應當使重要的PRF獨立，尤其在非常高的PRF值處。
對于這種技術的實施顯而易見地有一些限制，如循環(huán)強度的周期腔衰減拋棄能量。在各個腔衰減事件中，因腔衰減更頻繁地發(fā)生，這種損耗隨重復頻率而增加，以及因更多能量在腔衰減中將損失，這種損耗隨增加的循環(huán)強度而增加。
理解這種增益波動不靈敏性條件的另一種直觀方法是觀察各個脈沖自動地精確移走合適數(shù)量的能量，進而留下與Q開關窗口寬度無關的相同剩余增益。因此，可通過單一脈沖去除任意擾動，并且不影響隨后的脈沖。
用于三次諧波產(chǎn)生的增益波動不靈敏性耦合的例子不是那樣經(jīng)得起檢驗分析的，因此必須使用數(shù)值方法來研究。我們模擬了一個具有與前面數(shù)值例子相類似參數(shù)的激光器，但現(xiàn)在包含二次諧波和三次諧波產(chǎn)生項，以使方程式(4)必須由方程式(13)所取代以解決另外的非線性轉(zhuǎn)換階段。注意到，在二次和三次諧波波長中產(chǎn)生的所有射線被從激光器腔中耦合輸出。
方程式(13)TRTdPdt=gP-αP2-αP2sin2(βP),]]>[79]在方程式(13)中，α也為二次諧波非線性輸出耦合，以及β現(xiàn)設置從基頻和二次諧波至三次諧波的耦合值。至于三次諧波產(chǎn)生的簡化模型，非線性輸出耦合的增益波動不靈敏值可通過數(shù)值模擬來清楚地識別，如圖8a、8b和8c中所示。圖8b中增益對時間曲線清楚地示出，已經(jīng)得到增益波動不靈敏非線性輸出耦合，作為在基頻強度峰值之后立刻將增益曲線連接“通用”增益衰減曲線，正如被觀察用于前面研究的二次諧波產(chǎn)生情況。在這種情況中，沒有用于增益波動不靈敏條件的單一參數(shù)，由于二次諧波耦合系數(shù)和三次諧波耦合系數(shù)均影響增益行為。圖8b中所示增益波動不靈敏條件例子，α＝0.0175/kW，而β＝0.2/kW。圖8a和8c示出具有以2的因子減少(α＝0.00875)和增加(α＝0.035)的α。因此，在通過三次諧波產(chǎn)生的非線性輸出耦合的情況中可以獲得增益波動不靈敏操作，并且以類似方式通過積極Q開關脈沖削波允許脈沖寬度減少。
應當認識到，由本發(fā)明實現(xiàn)的激光器可被用于許多不同應用中且以多種不同方式改進，同時保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。由本發(fā)明實現(xiàn)的激光器可被用于材料加工、醫(yī)療、遙測和安全應用。該激光器的具體部分可被改進，諸如象固體、液體或離子之類的增益介質(zhì)的類型和使用在激光器分離增益媒介的數(shù)量。用于實現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)換的非線性材料的類型或分離非線性材料或晶體的數(shù)量可以被改變。在從該激光器輸出耦合之后實現(xiàn)激光器輸出束的外部頻率轉(zhuǎn)換可被進一步用于改變激光發(fā)射的頻率。泵浦的方法可改變以包含激光二極管、燈或電子放電。使用本發(fā)明可以構造單個和多個橫向激光器和單個或多個縱向型號激光器。最后，與本發(fā)明相聯(lián)系的加晶種技術(seeding technique)可以被使用，以改變脈沖建立時間和增益獨立條件。
發(fā)明概述[81]本發(fā)明公開了一種具有腔內(nèi)非線性耦合器的主動Q開關激光器，在其中產(chǎn)生穩(wěn)定的光頻率轉(zhuǎn)換的輸出。用幾個例子來定義和描述增益波動不靈敏條件。即使當Q開關削減該脈沖時，具有滿足這種條件的耦合值的非線性輸出耦合器允許穩(wěn)定的激光器操作，同時伴隨脈沖間的最小相互作用。因此，公開的激光器的輸出脈沖持續(xù)時間和重復頻率可以在基本上獨立于激光器增益值和動態(tài)特性的大范圍上被改變。本發(fā)明演示了二次和三次級諧波光頻率轉(zhuǎn)換，當然此公開的激光器還可應用至其它光頻率轉(zhuǎn)換機制中。
附圖的簡要描述[82]結合下面的附圖，現(xiàn)在將描述本發(fā)明的示例特征。
圖1a至1c為現(xiàn)有技術激光器的循環(huán)腔內(nèi)功率(圖1a)、增益值(圖1b)和增益差(圖1c)的曲線，所述循環(huán)腔內(nèi)功率、增益值和增益差作為兩個初始增益條件的時間函數(shù)，由兩個略為不同初始增益條件的耦合方程式的數(shù)值解計算得到。
圖2a和2b為現(xiàn)有技術激光器的作為Q開關窗口函數(shù)的脈沖能量和寬度的曲線，分別說明脈沖振幅不穩(wěn)定性和分叉。
圖3是作為在非線性耦合值為α＝0.00166/kW時，針對幾個初始增益值的循環(huán)強度和增益的時間函數(shù)的數(shù)值模擬曲線，對應于如由Murray和Harris在這些條件下所公布的現(xiàn)有技術值，所述現(xiàn)有技術值被優(yōu)化，用于最大諧波峰值功率。
圖4a至4c示出依據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)生腔內(nèi)二次諧波輸出的激光器的數(shù)值模擬結果，具有針對幾個初始增益值的循環(huán)強度和增益的時間函數(shù)的曲線，其中，圖4a中非線性耦合值α＝0.0175/kW、圖4b中α＝0.035/kW(增益波動不靈敏條件)和圖4c中α＝0.070/kW。
圖5為該激光器的測得的功率和脈沖寬度的曲線，作為用于增益波動不靈敏條件的在100kHz PRF的Q開關窗寬度的函數(shù)。
圖6示出用于5個不同輸出脈沖FWHM值的脈沖的隨時間演化的示波器描跡，(對應于圓括號中的RF窗寬度)用于100kHz PRF，圖6說明在Q開關窗口被減少時脈沖尾部如何被削減。
圖7為在范圍100kHz-200kHz上作為PRF的函數(shù)的激光器的輸出功率的曲線，輸出脈沖FWHM在40ns、55ns和65ns處近似保持為常數(shù)。在每個PRF值處，調(diào)整RF窗口寬度以獲得理想的脈沖寬度。
圖8a至8c示出依據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)生腔內(nèi)三次諧波輸出的激光器的數(shù)值模擬結果，具有針對幾個初始增益值的循環(huán)強度和增益的時間函數(shù)曲線，其中，圖8a中非線性耦合值設定為一個初始增益值的一半、圖8b中的等于該值和圖8c中的是該值的雙倍，以獲得增益波動不靈敏條件(Gain Fluctuation Insensitivity Condition)。
圖9說明公開的激光器的一個實施例，用于產(chǎn)生二次諧波輸出脈沖。
圖10說明公開的激光器的另一個實施例，用于產(chǎn)生三次和更高次諧波輸出脈沖。
優(yōu)選實施例的詳細描述[93]圖9示意性示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，類似于這樣的激光器，其被用于通過實驗方法檢驗腔內(nèi)非線性輸出耦合激光器中的增益波動不靈敏性、脈沖寬度可變性和優(yōu)良的PRF獨立性，所述腔內(nèi)非線性輸出耦合激光器運行于二次諧波產(chǎn)生機制中。
該激光器的諧振腔采用三個鏡子的折疊結構。一個端鏡90對該激光器的基頻具有高反射率。折鏡95對基頻為高反射，但是對感興趣的所有產(chǎn)生的光諧波為高透射。另一端鏡100對基頻和諧波頻率均為高反射。
諸如在實驗中使用的雙Nd:YAG棒之類的增益介質(zhì)96，僅僅被定位在基礎光頻率的通路中的端鏡90和折鏡95之間，所述增益介質(zhì)96以適當波長被高功率光束94側泵浦，所述適當波長如來自泵浦源93的808nm，所述泵浦源93包括發(fā)射功率240瓦特的6個半導體激光二極管條。盡管，在這個具體實施例中Nd:YAG材料被用作增益介質(zhì)，但是其他固體材料諸如Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG或Nd:GdxY1-xVO4原理上可以被使用，或單獨或以組合形式被使用。增益材料的選擇沒有被限定于固態(tài)，而是還可以為液體或蒸氣狀態(tài)，如在現(xiàn)有技術中別的地方所使用的。
20mm長的LBO晶體切片97用于1型相位匹配，以將1064nm的基頻波長轉(zhuǎn)變?yōu)?32nm的二次諧波，LBO晶體切片97提供非線性輸出耦合值為～0.04/kW，其接近于該激光器腔的增益波動獨立條件(Gain Fluctuation Independence Condition)，所述激光器腔具有5ns往返時間和3mJ有效飽和能量。
在端鏡90和折鏡95之間該激光器腔還配置有聲光Q開關92，該開關92的RF“關”窗口或門寬度可被改變，以變化通過激光器腔查看的Q開關低損耗窗時間。在信號發(fā)生器91中產(chǎn)生具有適當?shù)拿}沖重復頻率(PRF)的RF門信號。
圖5示出該激光器的測得的功率和脈沖寬度，所述功率和脈沖寬度作為PRF為100kHz處的Q開關窗寬度的函數(shù)。通過對聲RF“關”窗口長度的直接調(diào)諧，該脈沖寬度是可變的，同時在寬范圍上沒有脈沖穩(wěn)定性的損耗。大概由于與較高腔強度的周期衰減相關的總損耗的增加，在較短的門寬度，觀察到一些功率的減少。
圖6示出了五個不同F(xiàn)WHM脈沖寬度的脈沖的瞬時演變的示波器描跡，以及100kHz的脈沖重復頻率的RF窗口寬度(在圓括號內(nèi))，圖6說明當減少Q(mào)開關窗口時脈沖尾部如何被削去。在每一種情況下，調(diào)整示波器上的縱坐標，以容納較短脈沖的較高峰值功率。
從示波器描跡可以明顯看出，沒有觀察到實質(zhì)性的分叉和周期倍頻。因此，消除了使用低非線性輸出耦合得到的不穩(wěn)定性。由示波器描跡明顯顯示出低脈沖間噪聲值，在示波器描跡中許多脈沖被一個疊加在另一個頂部，即使是使用光嵌接夾來保持該激光器的光部件也是這樣。
在這里描述的實驗中，是在秒的時間尺度上手動改變脈沖長度，但是，并沒有表明更快地改變時間會有問題。事實上，在物理上可接受的“增益歷程(gain history)”和重復泵浦率的限制內(nèi)，在這個激光器實施例中產(chǎn)生非常復雜的脈沖序列應當是可能的，所述脈沖序列包含的每一個脈沖具有不同脈沖能量和寬度，所述脈沖不會引起不穩(wěn)定性。
圖7示出對于三個不同的FWHM脈沖寬度，在PRF范圍100kHz-200kHz上，該激光器的性能，所述三個不同F(xiàn)WHM脈沖寬度在40ns、55ns、和65ns處近似保持不變。在各個PRF值處，調(diào)整RF窗口寬度以獲得期望的脈沖寬度?？梢钥闯?，在532nm的波長處平均激光器功率輸出在給定的PRF范圍上幾乎為常數(shù)，僅僅改變～10％，盡管在相同范圍上輸出脈沖能量以2的因子改變。
本發(fā)明的另一個示范實施例被示意性地示出在圖10中，其尤其適用于產(chǎn)生更高階諧波或執(zhí)行光頻率求和或相減的各種組合。它與前面實施例相類似，但是具有附加的非線性耦合器，如下面所略述。
這種激光器的諧振腔也采用了三個鏡子的折疊結構。一個端鏡90對該激光器的基頻具有高反射率。折鏡95對基頻為高反射，但是對感興趣的所有產(chǎn)生的光諧波為高透射。另一端鏡100對基頻和諧波頻率均為高反射。
通過增益介質(zhì)96提供光增益，該增益介質(zhì)96僅僅被定位在基礎光頻率的通路中的端鏡90和折鏡95之間，它可由固體材料制造，諸如Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG或Nd:GdxY1-xVO4，所述固體材料單獨使用或與其它材料之間適當組合使用。與前面一樣，增益材料的選擇不被限制于固態(tài)材料，而是還可以從以液體或氣相的介質(zhì)中選擇，如在現(xiàn)有技術中別的地方使用的。
以從泵浦源93發(fā)射的適當波長的高功率光束94來泵浦增益介質(zhì)96。
在端鏡90和折鏡95之間該激光器腔還配置有聲光Q開關92，該開關92的RF“關”窗口或門寬度可被改變，以變化通過激光器腔查看的Q開關低損耗窗時間。在信號發(fā)生器91中產(chǎn)生具有適當?shù)拿}沖重復頻率(PRF)的RF門信號。
非線性耦合器被定位在在折鏡95和端鏡100之間的諧振腔中。它可包括一個或多個部件。例如，一個用于二次諧波產(chǎn)生的晶體97和另一個用于三次諧波產(chǎn)生的晶體107可被如圖10所示布置。盡管在這個例子中僅顯示兩塊晶體，但是數(shù)量沒有被限制為兩個。諸如LiB3O5、BiB3O6、KTiOPO4、LiNbO3、KTiOAsO4或beta-BaB2O4之類的固體材料可被使用，以單獨或與其它之間適當組合形式。
一般地，耦合器材料不限于晶體或固態(tài)材料，而是也可以使用具有適當?shù)姆蔷€性光性能的液體和蒸氣。
本領域技術人員能夠認識到，還有本發(fā)明的其它可替換實施例。最重要的可替換實施例包括延及其他波長，例如產(chǎn)生三次和四次諧波的實施例。這些延伸應用將典型地需要附加的晶體來執(zhí)行進一步的頻率轉(zhuǎn)換步驟，以使一個激光器能夠首先具有二次諧波產(chǎn)生階段，隨后有三次諧波階段，以將基頻輻射和二次諧波輻射相混合而產(chǎn)生三次諧波輻射。
可以以兩種方法獲得四次諧波產(chǎn)生。首先，可以將第三轉(zhuǎn)換步驟增添至三次諧波產(chǎn)生激光器，以將基頻輻射和三次諧波輻射相混合以產(chǎn)生四次諧波輻射?？蛇x擇地，第二頻率加倍(倍頻)晶體可被添加至二次諧波產(chǎn)生激光器，以將二次諧波輻射直接轉(zhuǎn)換為四次諧波輻射。
另外的實施例可以基于其它頻率轉(zhuǎn)換方法，所述其它頻率轉(zhuǎn)換方法可利用諸如總混頻的短脈沖長度。在所有情況中，在任何單個階段的頻率轉(zhuǎn)換可使用一個或多個晶體，以獲得用于該階段的非線性輸出耦合的正確值，以優(yōu)化系統(tǒng)，用于諸如雙折射離散(walk-off)等其他情況。
還有另外的實施例可包括取代單橫向模式操作的多橫向模式操作。在上述實施例以及本領域其它類似的例子中，增益波動強度非線性輸出耦合的選擇將允許獲得與本發(fā)明相同的益處。
總之，依據(jù)本發(fā)明，Q開關激光器包括諧振腔，包含在其內(nèi)的增益介質(zhì)；泵浦所述增益介質(zhì)的裝置，以在所述增益介質(zhì)內(nèi)增加光增益，從而在所述諧振腔內(nèi)在腔往返時間內(nèi)產(chǎn)生光循環(huán)功率，所述光循環(huán)功率具有基礎光頻率；信號發(fā)生器，其產(chǎn)生具有門寬度的門信號，而且以脈沖重復頻率調(diào)制；在所述諧振腔內(nèi)的光開關，其響應從所述信號發(fā)生器接收到的門信號以將所述光開關在所述門寬度的持續(xù)時間內(nèi)從高損耗狀態(tài)切換至低損耗狀態(tài)，從而產(chǎn)生具有光脈沖寬度的光脈沖；其中在高損耗狀態(tài)中，能量積累在所述增益介質(zhì)中以產(chǎn)生初始光增益，同時所述光循環(huán)功率趨向于初始光循環(huán)功率；其中在低損耗狀態(tài)中，光循環(huán)功率增加至峰值光循環(huán)功率，此后當積累在所述增益介質(zhì)內(nèi)的能量減少和所述光增益被耗散時，所述光循環(huán)功率衰減；在所述諧振腔內(nèi)的非線性耦合器，其用于以基礎光頻率將所述光循環(huán)功率的一部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換光功率，以及所述非線性耦合器具有非線性耦合值以提供增益波動不靈敏條件，其中轉(zhuǎn)換光功率具有一個具有轉(zhuǎn)換光脈沖寬度的轉(zhuǎn)換光頻率；以及用于將轉(zhuǎn)換光功率耦合出所述諧振腔的裝置。
所述轉(zhuǎn)換光頻率可以為基礎光頻率的二次、三次、四次或更高次諧波。
對于二次諧波的產(chǎn)生，由α表示的有用的非線性耦合值可根據(jù)以下關系式估算αgi/2＜α＜2αgi，或根據(jù)以下關系式估算
αgi/3＜α＜3αgi，其中由αgi表示的近似增益不靈敏非線性耦合值由以下關系式限定αgi＝TRT/Esat*(loge(Pp/Pinit)-1)定義，其中TRT為腔往返時間；Esat為有效飽和能量；Pp為峰值光循環(huán)功率；以及Pinit為初始光循環(huán)功率。
在增益波動不靈敏條件下，可以獲得小于特征最小脈沖持續(xù)時間的大約80％的轉(zhuǎn)換頻率脈沖寬度；門信號的門寬度是可調(diào)整的，從而在大約40ns和大約300ns之間的范圍內(nèi)光脈沖寬度是可變的；脈沖重復率在大約50kHz和大約300kHz之間是可調(diào)整的；當脈沖重復頻率被調(diào)整時，轉(zhuǎn)換光頻率處的平均輸出功率改變量小于±15％；當脈沖重復頻率被調(diào)整時，轉(zhuǎn)換光脈沖寬度改變量小于±5％；或者，在恒定脈沖重復頻率下，門信號的門寬度是可調(diào)的，從而在從大約40ns至大約300ns之間的范圍內(nèi)輸出脈沖寬度是可變的。
非線性耦合器包括從由LiB3O5、BiB3O6、KTiOPO4、LiNbO3、KTiOAsO4和beta-BaB2O4組成的組中選擇的一種或多種材料。
增益介質(zhì)包括從由Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG和Nd:GdxY1-xVO4組成的組中選擇的一種或多種材料。
一種操作上面Q開關激光器的方法，包括步驟a)泵浦所述增益介質(zhì)以增加增益介質(zhì)內(nèi)的光增益；b)將Q開關從高損耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低損耗狀態(tài)，從而以啟動所述基礎光頻率的光脈沖，從而啟動光增益的損耗，所述光增益的損耗積累在所述增益介質(zhì)內(nèi)；c)在光脈沖的峰值強度之后將Q開關轉(zhuǎn)換至高損耗狀態(tài)，從而結束光脈沖和停止光增益的損耗；d)使用非線性耦合器，將基礎光頻率的光脈沖轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換光頻率的輸出脈沖；e)將轉(zhuǎn)換頻率的輸出脈沖耦合出腔外；并且f)重復步驟b)至e)。
本發(fā)明公開了一種Q開關激光器的實施例，其包括諧振腔，包含在其中的增益介質(zhì)，該增益介質(zhì)包括Nd:YAG的一個或多個棒；信號發(fā)生器，其能夠產(chǎn)生具有可調(diào)整脈沖寬度和可調(diào)整脈沖重復率的RF信號；多個二極管條，其能夠發(fā)射用于泵浦增益介質(zhì)的光功率，以在其中產(chǎn)生光增益；在所述諧振腔內(nèi)的聲光Q開關，其中，使用從信號發(fā)生器接收的RF信號，以使聲光Q開關在低損耗狀態(tài)和高損耗狀態(tài)之間變化，使得在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)基礎光頻率的光脈沖，該光脈沖響應于對RF信號作出的調(diào)整而具有大約40ns和大約300ns之間的脈沖寬度和大約50kHz和大約300kHz之間的脈沖重復率；以及在所述諧振腔內(nèi)的LBO晶體，其適用于由光脈沖產(chǎn)生二次諧波輸出脈沖，以及具有大約0.02/kW至0.08/kW的非線性輸出耦合值，從而提供一種增益波動不靈敏條件。
權利要求
1.一種Q開關激光器，其包括a)諧振腔，所述諧振腔包含在其內(nèi)的增益介質(zhì)；b)用于泵浦所述增益介質(zhì)的裝置，以在所述增益介質(zhì)內(nèi)增加光增益，從而在所述諧振腔內(nèi)在腔往返時間內(nèi)產(chǎn)生光循環(huán)功率，所述光循環(huán)功率具有基礎光頻率；c)信號發(fā)生器，其產(chǎn)生具有門寬度的門信號，并且以脈沖重復頻率調(diào)制所述門信號；d)在所述諧振腔內(nèi)的光開關，其響應從所述信號發(fā)生器接收到的門信號以將所述光開關在所述門寬度的持續(xù)時間內(nèi)從高損耗狀態(tài)切換至低損耗狀態(tài)，從而產(chǎn)生具有光脈沖寬度的光脈沖；其中，在所述高損耗狀態(tài)中，能量積累在所述增益介質(zhì)中以產(chǎn)生初始光增益，同時所述光循環(huán)功率趨向于初始光循環(huán)功率；和其中，在所述低損耗狀態(tài)中，所述光循環(huán)功率增加至峰值光循環(huán)功率，此后當積累在所述增益介質(zhì)內(nèi)的能量減少和所述光增益被耗散時，所述光循環(huán)功率衰減；e)在所述諧振腔內(nèi)的非線性耦合器，其用于以基礎光頻率將所述光循環(huán)功率的一部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換光功率，以及所述非線性耦合器具有非線性耦合值以提供增益波動不靈敏條件；其中所述轉(zhuǎn)換光功率具有轉(zhuǎn)換光頻率，所述轉(zhuǎn)換光頻率具有轉(zhuǎn)換光脈沖寬度；以及f)用于將所述轉(zhuǎn)換光功率耦合出所述諧振腔的裝置。
2.如權利要求1中所述的Q開關激光器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換光頻率為所述基礎光頻率的二次諧波。
3.如權利要求2中所述的調(diào)Q激光器，其特征在于由α表示的所述非線性耦合值滿足關系式αgi/2＜α＜2αgi其中，由αgi表示的近似增益不靈敏非線性耦合值由如下關系式所限定αgi＝TRT/Esat×(loge(Pp/Pinit)-1)，其中，TRT為所述腔往返時間；Esat為有效飽和能量；Pp為所述峰值光循環(huán)功率；以及Pinit為所述初始光循環(huán)功率。
4.如權利要求2中所述的調(diào)Q激光器，其特征在于由α表示的非線性耦合值滿足關系式αgi/3＜α＜3αgi，其中，由αgi表示的近似增益不靈敏非線性耦合值由如下關系式所限定αgi＝TRT/Esat×(loge(Pp/Pinit)-1)，其中，TRT為所述腔往返時間；Esat為有效飽和能量；Pp為所述峰值光循環(huán)功率；以及Pinit為所述初始光循環(huán)功率。
5.如權利要求2中所述的Q開關激光器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換頻率脈沖寬度比特征最小脈沖持續(xù)時間的大約80％還小。
6.如權利要求1中所述的Q開關激光器，其特征在于所述門信號的門寬度是可調(diào)整的，從而在大約40ns和大約300ns之間的范圍內(nèi)所述光脈沖寬度是可變的。
7.如權利要求1中所述的Q開關激光器，其特征在于在大約50kHz和大約300kHz之間所述脈沖重復頻率是可調(diào)整的。
8.如權利要求7中所述的Q開關激光器，其特征在于當脈沖重復頻率被調(diào)整時，在轉(zhuǎn)換光頻率處的平均輸出功率改變，其改變量小于±15％。
9.如權利要求7中所述的Q開關激光器，其特征在于當脈沖重復頻率被調(diào)整時，所述轉(zhuǎn)換光脈沖寬度改變，其改變量小于±5％。
10.如權利要求7中所述的Q開關激光器，其特征在于所述門信號的門寬度在恒定脈沖重復頻率下是可調(diào)的，從而所述輸出脈沖寬度在從大約40ns至大約300ns之間的范圍內(nèi)是可變的。
11.如權利要求1中所述的Q開關激光器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換光頻率是所述基礎光頻率的三次諧波。
12.如權利要求1中所述的Q開關激光器，其特征在于所述轉(zhuǎn)換光頻率是所述基礎光頻率的四次或更高次諧波。
13.如權利要求1至12中任意一項所述的Q開關激光器，其特征在于所述非線性耦合器包括從由LiB3O5、BiB3O6、KTiOPO4、LiNbO3、KTiOAsO4和beta-BaB2O4組成的組中選擇的一種或多種材料。
14.如權利要求1至12中任意一項所述的Q開關激光器，其特征在于所述增益介質(zhì)包括從由Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Yb:YAG和Nd:GdxY1-xVO4組成的組中選擇的一種或多種材料。
15.一種操作如所述在權利要求1至12中任意一項的Q開關激光器的方法，包括如下步驟a)泵浦所述增益介質(zhì)以增加所述增益介質(zhì)內(nèi)的光增益；b)將所述Q開關從所述高損耗狀態(tài)轉(zhuǎn)換為所述低損耗狀態(tài)，從而以啟動所述基礎光頻率的光脈沖，從而啟動光增益的損耗，所述光增益的損耗積累在所述增益介質(zhì)內(nèi)；c)在所述光脈沖的峰值強度之后將所述Q開關轉(zhuǎn)換至所述高損耗狀態(tài)，從而結束所述光脈沖和停止所述光增益的損耗；d)使用非線性耦合器，將所述基礎光頻率的光脈沖轉(zhuǎn)換為所述轉(zhuǎn)換光頻率的輸出脈沖；e)將所述轉(zhuǎn)換頻率的輸出脈沖耦合出所述腔外；并且f)重復步驟b)至e)。
16.一種Q開關激光器，其包括諧振腔，所述諧振腔包含位于其中的增益介質(zhì)，所述增益介質(zhì)包括一個或多個Nd:YAG棒；信號發(fā)生器，其能夠產(chǎn)生具有可調(diào)整脈沖寬度和可調(diào)整脈沖重復頻率的RF信號；多個二極管條，其能夠發(fā)射用于泵浦增益介質(zhì)的光功率，以在其中產(chǎn)生光增益；在所述諧振腔內(nèi)的聲光Q開關，其中，使用從信號發(fā)生器接收的RF信號，以使聲光Q開關在低損耗狀態(tài)和高損耗狀態(tài)之間變化，使得在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)基礎光頻率的光脈沖，該光脈沖響應于對RF信號作出的調(diào)整而具有大約40ns和大約300ns之間的脈沖寬度和大約50kHz和大約300kHz之間的脈沖重復率；以及在所述諧振腔內(nèi)的LBO晶體，其適用于由光脈沖產(chǎn)生二級諧波輸出脈沖，并且具有大約0.02/kW至0.08/kW的非線性輸出耦合值，從而提供一種增益波動不靈敏條件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有腔內(nèi)非線性耦合器的主動Q開關激光器，在所述非線性耦合器中產(chǎn)生穩(wěn)定的光頻率轉(zhuǎn)換輸出。對幾個例子的增益波動不靈敏條件進行定義和描述。即使當使用Q開關削減該脈沖時，具有滿足這種條件的耦合值的非線性耦合器允許穩(wěn)定的激光器操作，所述穩(wěn)定的激光器操作具有脈沖間最小的相互作用。因此，公開的激光器的輸出脈沖持續(xù)時間和重復頻率可以在基本上與激光器增益值和動態(tài)特性無關的大范圍上被改變。盡管公開的激光器還可被應用于其它光頻率轉(zhuǎn)換機制，本發(fā)明只演示了二次和三次諧波光頻率轉(zhuǎn)換。
文檔編號H01S3/127GK1848557SQ20061006746
公開日2006年10月18日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權日2005年3月29日
發(fā)明者洛倫·艾爾斯, 杰弗里·格雷戈, 沃納·H.·威茨曼, 詹姆士·J.·摩爾何德 申請人:Jds尤尼弗思公司