一种切换输出连续光与脉冲光的装置和方法

1.本发明属于激光技术领域，涉及一种切换输出连续光与脉冲光的装置和方法，特别是一种基于自注入实现的切换输出连续光与脉冲光的装置和方法。


背景技术：

2.连续激光可以长时间地输出激光，可广泛应用于激光通信、激光手术等领域。虽然脉冲激光器每间隔一定时间才能工作，脉冲激光器具有较大的输出功率和峰值功率，可广泛应用于激光打标、切割、测距等领域。由此可见连续激光器和脉冲激光器在民用领域发挥着巨大作用。目前固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等已经很容易实现高功率连续激光，在此基础上采用调q技术(如主动调q和被动调q等技术)，可以实现巨脉冲的产生，但是对于单台激光器实现连续激光和脉冲激光实时切换还是十分少见。
3.2μm波段的激光，不仅位于大气光传输的低损耗窗口，还是可应用于相干多普勒测风雷达和激光雷达系统光源。另外oh-在该波段存在强烈的吸收，激光的热效应可以使人体组织汽化产生凝固效应，因此可用作手术刀应用在激光医学领域。然而根据不同的应用场景，需要对2μm波段激光器在连续波和脉冲之间进行实时切换。
4.目前针对连续光与脉冲激光切换的研究已经开始。《连续与脉冲可切换掺tm
3
光纤激光种子源的研究》中提出在掺tm
3
光纤激光种子源系统中采用声光调q方式进行两种激光之间的切换，即在掺tm
3
光纤激光器的谐振腔中加入声光调q开关。o.antipov等人采用声光调 q方式，利用拉曼位移铒光纤激光器在1670nm泵浦的tm:lu2o3实现高效激光振荡，并在高质量光束中实现了连续波和有源调q振荡[highly efficient 2μm cw and q-switched tm
3
:lu2o
3 ceramics lasers in-band pumped by a raman-shifted erbium fiber laser at1670nm]，然而这些研究都只是对光纤激光器脉冲与连续激光切换的研究，并且激光切换时间长不能瞬时完成切换。
[0005]
目前为止，固体激光器要实现偏振输出普遍采用偏振片或双布儒斯特镜等偏振器件，但是这只能实现单一偏振态输出，或者再次基础上采用分光棱镜分光后再实现不同偏振态输出，这分光会降低光功率同时复杂光路，例如专利号为cn201611253656.x的“一种激光偏振态控制稳定装置的控制稳定方法”中采用偏振控制器、起偏器、分束器等器件，增加成本并且添加了器件对光功率的损耗，而且增加了光路的复杂性。若以采用偏振开关进行偏振态的切换，但是在切换过程中存在时间延迟，这会极大地加剧相位不稳定度，极大地降低激光偏振特性。


技术实现要素：

[0006]
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于自注入实现的切换输出连续光与脉冲光的装置和方法，有效简化装置、降低装置费用、实现连续激光和脉冲激光精确实时切换。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明的一种切换输出连续光与脉冲光的装置，包括1.9μm
水平线偏振连续光激光器、第一光开关、谐振腔输入腔镜、布儒斯特镜、ho:llf激光晶体、2μm 半透射半反射镜、第一全反射镜、第二光开关、第二全反射镜、光延时器、第三全反射镜、光衰减器、谐振腔输出耦合镜、半波片、信号控制总开关；信号控制总开关控制第一光开关、第二光开关、光延时器和光衰减器；
[0008]
当信号控制总开关控制第一光开关闭合、第二光开关断开时，1.9μm水平线偏振连续光激光器产生的水平线偏振光通过第一光开关进入谐振腔输入腔镜，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜为ho:llf激光晶体提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体产生2μm水平线偏振光，2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜反射至谐振腔输出耦合镜，然后输出连续水平偏振激光；
[0009]
当信号控制总开关控制第一光开关先断开，然后与第二光开关同时闭合，经2μm半透射半反射镜透射后的2μm水平线偏振光经半波片转换成垂直线偏振光，经第一全反射镜反射至第二光开关，在第二光开关闭合时，2μm垂直线偏振光依次经过第二全反射镜、光延时器、第三全反射镜、光衰减器和布儒斯特镜，布儒斯特镜将2μm垂直线偏振光反射至ho:llf激光晶体，经2μm半透射半反射镜输出垂直偏振态的脉冲激光。
[0010]
进一步的，在谐振腔输出耦合镜后放置横向电光调制晶体，当横向电光调制晶体未施加横向半波电压，输出的激光为连续水平偏振光或脉冲垂直偏振光；当横向电光调制晶体施加横向半波电压，输出的激光连续垂直偏振光或脉冲水平偏振光。
[0011]
本发明还包括一种切换输出连续光与脉冲光的装置，包括1.9μm水平线偏振连续光激光器、第一光开关、谐振腔输入腔镜、布儒斯特镜、ho:llf激光晶体、2μm半透射半反射镜、第一铌酸锂晶体、第二2μm半透射半反射镜、第二铌酸锂晶体、第二光开关、第二全反射镜、光延时器、第三全反射镜、光衰减器、谐振腔输出耦合镜、信号控制总开关；信号控制总开关控制第一光开关、第二光开关、光延时器和光衰减器；
[0012]
当信号控制总开关控制第一光开关闭合、第二光开关断开时，1.9μm水平线偏振连续光激光器产生的水平线偏振光通过第一光开关进入谐振腔输入腔镜，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜为ho:llf激光晶体提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体产生2μm水平线偏振光；当2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜反射至谐振腔输出耦合镜，然后输出2μm连续水平偏振激光；当2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜透射至第一铌酸锂晶体，对第一铌酸锂晶体施加横向半波电压，则2μm连续水平偏振光变成2μm连续垂直偏振光从第二2μm半透射半反射镜输出；
[0013]
当信号控制总开关控制第一光开关先断开，然后与第二光开关同时闭合，经第一2μm半透射半反射镜透射后的2μm水平线偏振光经过未加电压的第一铌酸锂晶体和第二2μm半透射半反射镜反射至第二铌酸锂晶体，对第二铌酸锂晶体施加横向半波电压，2μm水平线偏振光变成2μm垂直线偏振光，2μm垂直线偏振光依次经过闭合的第二光开关、第二全反射镜、光延时器、第三全反射镜、光衰减器和布儒斯特镜，布儒斯特镜将2μm垂直线偏振光反射至 ho:llf激光晶体，当2μm垂直线偏振光通过2μm半透射半反射镜反射至谐振腔输出耦合镜，然后输出2μm脉冲垂直偏振激光；当2μm垂直线偏振光通过2μm半透射半反射镜透射至第一铌酸锂晶体，对第一铌酸锂晶体施加横向半波电压，则2μm脉冲垂直偏振光变成2μm脉冲水平偏振光从第二2μm半透射半反射镜输出。
[0014]
采用第一种装置的切换输出连续光与脉冲光的方法，信号控制总开关控制第一光
开关(2) 闭合、第二光开关断开，1.9μm水平线偏振连续光激光器产生的水平线偏振光通过第一光开关进入谐振腔输入腔镜，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜为ho:llf激光晶体提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体产生2μm 水平线偏振光，2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜反射至谐振腔输出耦合镜，然后输出连续水平偏振激光；
[0015]
信号控制总开关控制第一光开关先断开，然后与第二光开关同时闭合，经2μm半透射半反射镜透射后的2μm水平线偏振光经半波片转换成垂直线偏振光，经第一全反射镜反射至第二光开关，在第二光开关闭合时，2μm垂直线偏振光依次经过第二全反射镜、光延时器、第三全反射镜、光衰减器和布儒斯特镜，布儒斯特镜将2μm垂直线偏振光反射至ho:llf激光晶体，经2μm半透射半反射镜输出垂直偏振态的脉冲激光。
[0016]
采用第二种装置的切换输出连续光与脉冲光的方法，信号控制总开关控制第一光开关闭合、第二光开关断开，1.9μm水平线偏振连续光激光器产生的水平线偏振光通过第一光开关进入谐振腔输入腔镜，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜为ho:llf激光晶体提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体产生2μm水平线偏振光，2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜反射至谐振腔输出耦合镜，当横向电光调制晶体未施加横向半波电压，输出连续水平偏振激光；当横向电光调制晶体施加横向半波电压，输出连续垂直偏振激光；
[0017]
信号控制总开关控制第一光开关先断开，然后与第二光开关同时闭合，经2μm半透射半反射镜透射后的2μm水平线偏振光经半波片转换成垂直线偏振光，经第一全反射镜反射至第二光开关，在第二光开关闭合时，2μm垂直线偏振光依次经过第二全反射镜、光延时器、第三全反射镜、光衰减器和布儒斯特镜，布儒斯特镜将2μm垂直线偏振光反射至ho:llf激光晶体，当横向电光调制晶体未施加横向半波电压，经2μm半透射半反射镜输出垂直偏振态的脉冲激光；当横向电光调制晶体施加横向半波电压，经2μm半透射半反射镜输出水平偏振态的脉冲激光。
[0018]
采用第三种装置的切换输出连续光与脉冲光的方法，信号控制总开关控制第一光开关闭合、第二光开关断开，1.9μm水平线偏振连续光激光器产生的水平线偏振光通过第一光开关进入谐振腔输入腔镜，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜为ho:llf激光晶体提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体产生2μm水平线偏振光；当2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜反射至谐振腔输出耦合镜，然后输出2μm连续水平偏振激光；当2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜透射至第一铌酸锂晶体，对第一铌酸锂晶体施加横向半波电压，则2μm连续水平偏振光变成2μm连续垂直偏振光从第二2μm半透射半反射镜输出；
[0019]
信号控制总开关控制第一光开关先断开，然后与第二光开关同时闭合，经2μm半透射半反射镜透射后的2μm水平线偏振光经过未加电压的第一铌酸锂晶体和第二2μm半透射半反射镜反射至第二铌酸锂晶体，对第二铌酸锂晶体施加横向半波电压，2μm水平线偏振光变成 2μm垂直线偏振光，2μm垂直线偏振光依次经过闭合的第二光开关、第二全反射镜、光延时器、第三全反射镜、光衰减器和布儒斯特镜，布儒斯特镜将2μm垂直线偏振光反射至ho:llf 激光晶体，当2μm垂直线偏振光通过2μm半透射半反射镜反射至谐振腔输出耦合镜，然后输出2μm脉冲垂直偏振激光；当2μm垂直线偏振光通过2μm半透射半反射镜透射至第一铌
酸锂晶体，对第一铌酸锂晶体施加横向半波电压，则2μm脉冲垂直偏振光变成2μm脉冲水平偏振光从第二2μm半透射半反射镜输出。
[0020]
本发明的有益效果：基于自注入可实现单台激光器实现线偏振的连续激光和脉冲激光的切换，即一台激光器可以实现连续激光器和脉冲激光器的功能，降低激光器件的费用。精确的信号控制总开关可以实现连续激光和脉冲激光的精确实时切换，即可以根据需求自行调节。本发明输出的连续光为水平偏振态或脉冲为垂直偏振态，实现激光正交双偏振态输出。该自注入激光器不仅能够使单台激光设备实现连续光与脉冲光的实时切换，而且可分别输出两束相互垂直偏振的激光，根据需求可随时在连续水平光和脉冲垂直光间切换。
附图说明
[0021]
图1为本发明实施例1的装置光路图；
[0022]
图2为本发明实施例1的电路控制系统；
[0023]
图3为本发明实施例1的电路控制流程图；
[0024]
图4为本发明实施例3的装置光路图。
具体实施方式
[0025]
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0026]
实施例1：
[0027]
结合图1和图2，1为1.9μm水平线偏振连续光激光器；2为第一光开关；3为谐振腔输入腔镜(1.9μm波段抗反射，2μm波段全反射)；4为布儒斯特镜；5为ho:llf激光晶体；6 为2μm半透射半反射镜；7为第一全反射镜；8为第二光开关；9为第二全反射镜；10为光延时器；11为第三全反射镜；12为光衰减器；13为谐振腔输出耦合镜；14为半波片；15为信号控制总开关。
[0028]
本发提供一种基于自注入实现连续光与脉冲光切换的装置和方法，该激光器主要包括折叠激光腔和自注入两部分。其中自注入光回路主要采用三块全反射镜和布儒斯特镜组成，通过同时控制两个光开关以及调整腔内光延时器和光衰减器实现连续激光与脉冲光的切换。激光器组件依次为1.9μm水平线偏振连续光激光器1、第一光开关2、谐振腔输入腔镜3、布儒斯特镜4、ho:llf(ho
3
:liluf4)激光晶体5、2μm半透射半反射镜6、半波片14、第一全反射镜7、第二光开关8、第二全反射镜9、光延时器10、第三全反射镜11、光衰减器12、谐振腔输出耦合镜13。折叠激光腔：折叠激光腔依次包括折叠激光腔依次包括1.9μm水平线偏振连续光激光器1、第一光开关2、谐振腔输入腔镜3、布儒斯特镜4、ho:llf激光晶体5、 2μm半透射半反射镜6、谐振腔输出耦合镜13。自注入腔：自注入腔依次包括2μm半透射半反射镜6、半波片14、第一全反射镜7、第二光开关8、第二全反射镜9、光延时器10、第三全反射镜11、光衰减器12、布儒斯特镜4、ho:llf激光晶体5；
[0029]
方法包括以下步骤：
[0030]
1)折叠激光腔装置：将1.9μm水平线偏振连续光激光器1产生的水平线偏振光，通过第一光开关2进入谐振腔输入腔镜3，其中谐振腔输入腔镜3镀1.9μm增透膜，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜4为ho:llf激光晶体5提供泵浦能量。通过控制泵浦源的泵浦功率，
使1.9μm的线偏振光通过ho:llf激光晶体5产生2μm线偏振光。2μm线偏振光通过2μm 半透射半反射镜6反射至谐振腔输出耦合镜13，输出连续水平偏振激光(谐振腔单程光路 3-4-5-6-13)；
[0031]
2)自注入腔装置：在激光稳定输出后，经2μm半透射半反射镜6透射后的2μm水平线偏振光经半波片14转换成垂直线偏振光，其在被第一全反射镜7反射至第二光电开关8，在 8闭合时，2μm垂直线偏振光依次经过第二全反射镜9、光延时器10、第三全反射镜11、光衰减器12、布儒斯特镜4，其中布儒斯特镜4会将2μm垂直线偏振光反射至ho:llf激光晶体5完成一次自注入光回路(自注入光回路6-14-7-8-9-10-11-12-4-5-6)；
[0032]
3)脉冲激光与连续激光输出电路控制：
[0033]
结合图3，信号控制总开关15分别控制第一光开关2、第二光开关8、光延时器10、光衰减器12，信号控制总开关15分别控制第一光开关2、第二光开关8实现连续激光输出。信号控制总开关分别控制第一光开关2、第二光开关8、光延时器10、光衰减器12实现脉冲激光输出。通过信号控制总开关15精密控制可实现脉冲激光与连续激光的实时切换。信号控制总开关15采用高度集成控制电路，能够根据需求自动切换激光脉冲输出或连续输出，能够保证各个器件的延迟和同步进行。
[0034]
当第一光开关2闭合、第二光开关8断开时，2μm水平连续偏振光在折叠腔内振荡，实现水平偏振态连续激光输出。
[0035]
首先第一光开关2先断开，并迅速与第二光开关8同时闭合，此时水平偏振光经半波片 14变成垂直偏振光，其经过微调过的光衰减器10和光延时器12，既可实现垂直偏振激光自注入，产生垂直偏振态的脉冲激光输出。
[0036]
实施例2：
[0037]
结合图1所示，在谐振腔输出耦合镜13后放置横向电光调制晶体，可实现2μm的连续式正交偏振态的输出或者脉冲式正交偏振态的输出。当横向电光调制晶体未施加横向半波电压时，输出的激光为连续的水平偏振光即p偏振光或脉冲的垂直偏振光即s偏振光；当横向电光调制晶体施加横向半波电压后，输出的激光连续的垂直偏振光即s偏振光或脉冲的水平偏振光即p偏振光。通过在横向电光调制晶体上施加半波电压的开断，可实现连续/脉冲中的 s/p偏振态异步输出。
[0038]
具体方法包括：信号控制总开关15控制第一光开关2闭合、第二光开关8断开，1.9μm 水平线偏振连续光激光器1产生的水平线偏振光通过第一光开关2进入谐振腔输入腔镜3， 1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜4为ho:llf激光晶体5提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体5产生2μm水平线偏振光，2μm 水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜6反射至谐振腔输出耦合镜13，当横向电光调制晶体未施加横向半波电压，输出连续水平偏振激光；当横向电光调制晶体施加横向半波电压，输出连续垂直偏振激光；
[0039]
信号控制总开关控制第一光开关2先断开，然后与第二光开关8同时闭合，经2μm半透射半反射镜6透射后的2μm水平线偏振光经半波片14转换成垂直线偏振光，经第一全反射镜7反射至第二光开关8，在第二光开关8闭合时，2μm垂直线偏振光依次经过第二全反射镜9、光延时器10、第三全反射镜11、光衰减器12和布儒斯特镜4，布儒斯特镜4将2μm 垂直线偏振光反射至ho:llf激光晶体5，当横向电光调制晶体未施加横向半波电压，经2μm 半透射半
反射镜6输出垂直偏振态的脉冲激光；当横向电光调制晶体施加横向半波电压，经 2μm半透射半反射镜6输出水平偏振态的脉冲激光。
[0040]
实施例3：
[0041]
结合图4，在图1中1.9μm水平线偏振连续光激光器1采用的是侧面泵浦模式，对于端面泵浦也可同样适用。若将第一全反射镜7换成第二2μm半透射半反射镜17，去掉半波片 14并在第二2μm半透射半反射镜17两侧换成两个有横向半波电压控制的铌酸锂晶体分别为第一铌酸锂晶体16和第二铌酸锂晶体18，如图4所示。
[0042]
信号控制总开关15控制第一光开关2闭合、第二光开关8断开，1.9μm水平线偏振连续光激光器1产生的水平线偏振光通过第一光开关2进入谐振腔输入腔镜3，1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜4为ho:llf激光晶体5提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使 1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体5产生2μm水平线偏振光。当2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜6反射至谐振腔输出耦合镜13，然后输出2μm连续水平偏振激光；当2μm水平线偏振光通过2μm半透射半反射镜6透射至第一铌酸锂晶体16，对第一铌酸锂晶体16施加横向半波电压，则2μm连续水平偏振光变成2μm连续垂直偏振光(即p偏振光) 从第二2μm半透射半反射镜17输出，即可以实现双端口输出的连续式正交偏振输出。
[0043]
信号控制总开关15控制第一光开关2先断开，然后与第二光开关8同时闭合，1.9μm水平线偏振连续光激光器1产生的水平线偏振光通过第一光开关2进入谐振腔输入腔镜3， 1.9μm水平线偏振光通过布儒斯特镜4为ho:llf激光晶体5提供泵浦能量，通过控制泵浦源的泵浦功率，使1.9μm水平线偏振光通过ho:llf激光晶体5产生2μm水平线偏振光。经2μm 半透射半反射镜6透射后的2μm水平线偏振光经过未加电压的第一铌酸锂晶体16和第二2μm 半透射半反射镜17反射至第二铌酸锂晶体18，对第二铌酸锂晶体18施加横向半波电压则2μm 水平偏振光(即p偏振光)变成2μm垂直偏振光(s偏振光)即。2μm垂直线偏振光依次经过闭合的第二光开关8、第二全反射镜9、光延时器10、第三全反射镜11、光衰减器12和布儒斯特镜4，布儒斯特镜4将2μm垂直线偏振光反射至ho:llf激光晶体5。当2μm垂直线偏振光通过2μm半透射半反射镜6反射至谐振腔输出耦合镜13，然后输出2μm脉冲垂直偏振激光；当2μm垂直线偏振光通过2μm半透射半反射镜6透射至第一铌酸锂晶体16，对第一铌酸锂晶体16施加横向半波电压，则2μm脉冲垂直偏振光变成2μm脉冲水平偏振光(即s偏振光)从第二2μm半透射半反射镜17输出，即可以实现双端口输出的脉冲式正交偏振输出。