基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于脉冲激光整形技术领域，具体涉及一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法。本发明专利技术通过对双调Q脉冲激光器的速率方程理论分析，设计可饱和吸收体的掺杂浓度分布或形状，调控对脉冲激光施加的内腔损耗的空间强度分布，实现平顶分布窄脉冲激光输出。本发明专利技术基于简单的装置设计同步实现激光强度分布的整形和脉冲宽度的压窄，显著降低了由非均匀分布脉冲光束导致的谐振腔光学元件的光热损伤阈值，提升了脉冲激光器整体性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法


[0001]本专利技术属于脉冲激光整形
，具体涉及一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置及方法。

技术介绍

[0002]通常的激光光强空间分布为高斯分布，但是在激光打孔、激光清洗、激光焊接等工业应用中，这种非均匀的强度分布会导致处理精度差、边缘整齐度不好等问题。此外，在基于激光放大器的高功率激光的研制生产中，若脉冲激光为高斯光束，由于激光强度集中在中心部分，容易导致放大器中的激光晶体及其它光学元件的损伤，限制了光放大效率。
[0003]为了满足上述应用对强度均匀分布(平顶分布)的激光源的需求，目前常用的解决办法是将基模高斯分布的激光通过由一系列透镜或光栅构成的光束整形系统整形。但这种方法不仅增加了制作成本和调节难度，也增加了整个激光系统的尺寸和重量，而且基本只能在极有限的空间区域内实现光束的强度均匀分布，额外的整形器导致的损耗也会降低激光系统的能量转化效率。
[0004]传统的调Q技术是为了提高脉冲激光输出峰值功率，压缩更短的脉宽，其原理是，泵浦初期将激光器的振荡阈值调的很高(腔内具有较高的损耗)，抑制激光振荡的产生，激光上能级的反转粒子数不断增加。当反转粒子数达到最大时，突然降低振荡阈值(腔内具有很低的损耗)，此时，积累在上能级的粒子便雪崩式的跃迁到低能级，能量在极短时间被释放出来，从而获得脉冲宽度很窄、峰值功率极高的巨脉冲激光输出。但是这种普通调Q激光器输出的是高斯分布的光场，不能满足于一些应用，尤其是在高功率脉冲激光放大器下，由于光束中心部分的功率密度极高，可能导致激光晶体和光学元件的损伤。为解决这一问题，常采用光束整形方法对光强分布进行调控，使得光束能量均匀分布在整个光斑范围内。
[0005]目前已报道或已商用的整形系统主要有：(1)外腔光束整形(如：双折射透镜组、衍射光学元件、非球面透镜组)获得平顶分布光束，但是该方法整形系统庞大、成本较高且设计难度大。(2)光束合成法指将多个光束进行叠加从而产生平顶光束，如多模高斯光束合成法，但是该方法的实验实现难度大。(3)增益介质的饱和效应产生平顶光束是利用高斯光束的非均匀性，随着光强的增加，其增益介质中心部分先于边缘部分达到增益饱和，当泵浦光强达到一定值时，即可输出强度均匀的激光光束。
[0006]上述方法中，利用增益介质的饱和效应产生平顶光束的方法与本专利技术最为相似。两者的相似之处在于未加入额外的内腔光学元件用于光束整形。不同之处在于前者是利用增益介质的增益饱和效应，而后者是利用非均匀可饱和吸收体的吸收损耗。其原理上的区别在于，当谐振腔内的振荡光强增大到一定程度后，增益系数将随内腔光强的增大而减小。当光强达到增益介质的饱和光强时，增益系数将降低为小信号增益系数的一半，由于高斯光束的非均匀分布，位于中心位置附近的光束将先于边缘部分达到增益饱和。通过控制泵浦光强就可以使光强分布趋于均匀化，产生平顶光束。但是，该方法需要在激光器谐振腔内注入很高的能量密度才能产生增益饱和效应，获得的光束的空间强度分布不够均匀，动态
范围较窄(只能在有限的功率范围内获得近平顶光束)。使用增益介质的饱和吸收整形典型工作有：谭荣清等人利用对TEA CO2激光器研究，当注入能量54J，增益介质的饱和能量密度约为74mJ/cm2情况下，实现输出光光束宽度约为18.4mm典型的“平顶型”结构的激光光束。(参考文献：谭荣清，万重怡，谢文杰.TEA CO2激光输出的平顶型模式研究[J].中国激光,2001(07):580
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582.)本专利技术的原理是在主被动双调Q的基础上，利用非均匀掺杂浓度或不均匀形状的可饱和吸收体，调控激光光束在横截面上的损耗分布，最终实现平顶光束输出。本专利技术提供的方法可同步实现脉冲激光的时域脉宽压缩和空间整形。
[0007]已有的激光整形方法一般需要增加额外的光学透镜组或衍射元件，不仅增加了设计与调试难度、提高了制作成本，也可能导致输出光束相干性的退化。
[0008]因此，亟需一种结构简单、能量损耗低、有效整形空间区域范围大的脉冲激光空间整形方案。

技术实现思路

[0009]针对上述问题，本专利技术提出一种可以在高效利用可饱和吸收体损耗、常规谐振腔长、易操作、不插入其它整形元件条件下实现不仅局限于平顶光束的脉冲光输出。本专利技术的核心为：在谐振腔内放置2个Q开关，前一个为电光调Q开关，后一个为非均匀可饱和吸收体，通过设计腔内可饱和吸收体的掺杂离子分布或形状，并设计谐振腔结构调控可饱和吸收体处的内腔光束尺寸，使得高斯光束通过可饱和吸收体后的吸收损耗呈现非均匀的径向分布。通过电光调Q结合被动调Q获得重复频率稳定、脉冲宽度窄、脉冲强度分布均匀的激光脉冲。
[0010]本专利技术适用于固体脉冲激光器系统，方法在于通过设计非均匀可饱和吸收体以及调控内腔光束尺寸，以此可实现包括平顶光束在内的不同空间强度分布的脉冲激光输出。
[0011]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0012]一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置，包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体、输出镜；
[0013]所述泵浦源作为泵浦光光源，泵浦光经过输入镜，并使激光增益介质粒子数反转，当反转粒子数密度最大时，电光Q开关打开，谐振腔内形成激光振荡，并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体，最后由输出镜输出脉冲激光。
[0014]一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置，包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、凸面高反镜、非均匀可饱和吸收体、输出镜；
[0015]所述泵浦源作为泵浦光光源，泵浦光经过输入镜并使激光增益介质粒子数反转，当反转粒子数密度最大时，电光Q开关打开，谐振腔内形成激光振荡，并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、经凸面高反镜反射通过非均匀可饱和吸收体，最后由输出镜输出脉冲激光。
[0016]一种基于非均匀形状可饱和吸收体的脉冲激光空间整形方法，包括以下步骤：
[0017]步骤1，选取目标脉冲激光的整形形状；
[0018]步骤2，根据目标脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或形状；
[0019]步骤3，基于设计的非均匀可饱和吸收体，利用程序调整激光器谐振腔的参数，并且满足谐振腔的稳定性、激光增益介质及非均匀可饱和吸收体处光斑尺寸适宜；
[0020]步骤4，根据理论设计的谐振腔参数，搭建脉冲激光空间整形装置，实现目标脉冲激光光束输出。
[0021]进一步，所述目标脉冲激光的整形形状为平顶光束、超高斯分布光束以及其它光束分布。
[0022]进一步，所述步骤2中根据目标脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或形状，具体为：首先根据目标脉冲激光的整形形状及腔型结构建立速率方程，非均匀可饱和吸收体基态粒子数密度的初始值定为总粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置，其特征在于，包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体、输出镜；所述泵浦源作为泵浦光光源，泵浦光经过输入镜，并使激光增益介质粒子数反转，当反转粒子数密度最大时，电光Q开关打开，谐振腔内形成激光振荡，并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、非均匀可饱和吸收体，最后由输出镜输出脉冲激光。2.一种基于非均匀可饱和吸收体的脉冲激光空间整形装置，其特征在于，包括泵浦源、输入镜、激光增益介质、薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、凸面高反镜、非均匀可饱和吸收体、输出镜；所述泵浦源作为泵浦光光源，泵浦光经过输入镜并使激光增益介质粒子数反转，当反转粒子数密度最大时，电光Q开关打开，谐振腔内形成激光振荡，并依次通过薄膜偏振片、电光调Q晶体、四分之一波片、经凸面高反镜反射通过非均匀可饱和吸收体，最后由输出镜输出脉冲激光。3.一种基于权利要求1或2所述装置的脉冲激光空间整形方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选取目标脉冲激光的整形形状；步骤2，根据脉冲激光的整形形状理论计算非均匀可饱和吸收体掺杂浓度分布或形状；步骤3，根据理论设计的非均匀可饱和吸收体，利用程序调整激光器谐振腔的参数，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：李渊骥，刘昆仑，冯晋霞，张宽收，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：