一种基于参数优化实现激光器单纵模输出的方法与流程

1.本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于参数优化实现激光器单纵模输出的方法。


背景技术：

2.纵模选择的基本思想是设法操控不同纵模净增益的相对大小，使得在增益带宽内只有一个纵模满足阈值条件。可饱和吸收染料被动调q开关的选模作用在很早之前就被提出，并提出了相应的模式选择理论。
3.脉冲从噪声中建立起来的过程，实际上就是激光器纵模自然选择的过程；在这段建立时间内，净增益大的纵模在振幅上增长得更快，抑制了其它弱增益纵模，在被动调q开关开启临界点的纵模强度即决定了最终输出的模式特性。此外，纵模脉冲从噪声建立过程中，荧光在腔内来回传播的次数也对激光频率特性有显著影响；模式间的强度差将随着该来回次数的增大而加剧，相当于选模效果越好，当强度比大到一定程度(通常认为大于10)时，可以认为弱增益纵模被完全抑制，系统实现单纵模运转。同时，光学腔长会影响腔内纵模间隔，腔长越小，纵模间隔越大，相邻纵模增益差越大，当纵模间隔大到只有一个纵模落在增益曲线的时候，即可实现单纵模输出。腔长、被动调q晶体初始透过率和输出镜反射率会影响脉冲从噪声中建立起来的时间，在这段时间内，净增益高的纵模幅度增长更快。脉冲从噪声中建立起来的时间越长，纵模间的振幅差就会越大，相邻纵模建立的时间差大于一定参数时，先建立的模式会消耗所有的反转粒子束，对后建立的模式形成抑制，从而使激光器工作在单纵模状态。泵浦率对单纵模的形成也是至关重要的，泵浦率的值影响腔内反转粒子数密度变化的速率，合适的泵浦率既能保证可饱和吸收体早于增益介质达到饱和，又能保证光子在腔内足够的往返传播次数，从而影响单纵模的输出。然而，目前的激光器很难确定被动调q晶体初始透过率、输出镜反射率、光学腔长这三个关键参数，不能获得稳定的单纵模脉冲激光器输出。


技术实现要素：

4.本发明为一种基于参数优化实现激光器单纵模输出的方法，该方法通过确定激光器中输出镜反射率、激光器光学腔长和被动调q晶体的初始透过率的最佳且互相匹配的值，可增大模式之间的增益差，从而获得稳定的单纵模脉冲激光器输出。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于参数优化实现激光器单纵模输出的方法，该方法包括以下步骤：
7.s1、根据增益介质的增益线型、增益系数和激光器的光学腔长计算腔内相邻纵模受激发射截面比；
8.s2、基于相邻纵模间增益差异，计算出相邻纵模强度比与纵模脉冲建立前荧光在腔内往返次数的关系曲线；
9.s3、基于激光速率方程组，考虑腔内损耗和增益，数值求解相邻纵模脉冲的建立过
程；
10.s4、定量分析初始参数对单纵模形成的影响，确定互相匹配的初始参数，使激光器输出单纵模脉冲激光。
11.优选地，步骤s1中所述激光器包括位于同一轴线上并依次光连接的泵浦光源、激光输入元件、激光增益介质、被动调q晶体和激光输出镜；所述激光输入元件与被动调q晶体间设置有薄膜；所述薄膜对泵浦光增透且对激光高反。
12.优选地，所述激光输入元件为激光腔输入镜或激光腔输入膜系。
13.优选地，所述泵浦光源和激光输入元件之间设置有聚焦装置。
14.优选地，步骤s1中所述初始参数包括输出镜反射率、激光器光学腔长和被动调q晶体的初始透过率。
15.优选地，步骤s1中所述腔内相邻纵模受激发射截面比的计算公式为：
[0016][0017]
g＝δn
·
σ(v，v0)
[0018]
其中，增益线型为f(v)，增益系数为g，纵模频率为v0，相邻纵模间隔为δv，相邻纵模频率为v＝v
0-δv，计算出腔内相邻纵模受激发射截面比σ(v，v0)。
[0019]
优选地，步骤s2的具体计算过程为：
[0020]
根据纵模功率和时间的关系表达式
[0021]
pn(t)＝p
0n
exp[kn(t-tn)2]
[0022]
其中，p
0n
为第n个纵模刚开始建立时的噪声功率，tn为第n个纵模增益等于损耗的时间，kn表示单位时间内第n个纵模的增益系数；相邻的n 1模与n模在腔内经历q次往返后，相应的功率p
n 1
和pn的关系有如下的近似：
[0023][0024]
其中，δ
n 1
和δn代表n 1模和n模在腔内往返一次的损耗，g
n 1
代表第n 1个纵模的增益系数，gn，代表第n个纵模的增益系数。
[0025]
优选地，步骤s3中所述激光速率方程组为：
[0026][0027][0028][0029]ngs
n
es
＝n
s0
[0030]
其中，φ为初始光子密度数，n为增益介质反转粒子数密度，tr为光在谐振腔内往返一周时间，c为真空中的光速，r为激光输出镜反射率，l和ls分别为增益介质长度和可饱
和吸收体的长度，σ为表增益介质的受激发射截面，σ
gs
和σ
es
分别为可饱和吸收体的基态吸收截面和激发态吸收截面，τ
gs
和τ分别为可饱和吸收体的基态恢复时间和增益介质的上能级寿命，γ表示增益介质的反转衰减因子，四能级系统中γ＝1，n
gs
、n
es
、n
s0
分别为可饱和吸收体基态粒子数密度、激发态粒子数密度和总粒子数密度。
[0031]
优选地，所述泵浦光源可发出波长为808纳米的激光；所述激光输入元件靠近聚焦装置一侧镀有对泵浦光的增透膜，激光输入元件靠近激光增益介质一侧镀有对泵浦光增透、对1064纳米激光高反的膜系；所述激光增益介质靠近激光输入元件一侧镀对泵浦光增透、对1064纳米光高反的薄膜；所述激光增益介质为nd:yag。
[0032]
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：通过确定激光器中输出镜反射率、激光器光学腔长和被动调q晶体的初始透过率的最佳且互相匹配的值，可增大模式之间的增益差，从而获得稳定的单纵模脉冲激光器输出。
附图说明
[0033]
图1为本发明的流程框图；
[0034]
图2为本发明的激光器的结构示意图；
[0035]
图3为本发明的法布里-珀罗扫描干涉仪的检测结果图。
具体实施方式
[0036]
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。
[0037]
在本发明中需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“竖直”“水平”“内”“外”等均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示本发明的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。
[0038]
参见图1至图3，一种基于参数优化实现激光器单纵模输出的方法，该方法包括以下步骤：
[0039]
s1、根据增益介质的增益线型、增益系数和激光器的光学腔长计算腔内相邻纵模受激发射截面比；
[0040]
s2、基于相邻纵模间增益差异，计算出相邻纵模强度比与纵模脉冲建立前荧光在腔内往返次数的关系曲线；
[0041]
s3、基于激光速率方程组，考虑腔内损耗和增益，数值求解相邻纵模脉冲的建立过程；
[0042]
s4、定量分析初始参数对单纵模形成的影响，确定互相匹配的初始参数，使激光器输出单纵模脉冲激光。
[0043]
步骤s1中所述激光器包括位于同一轴线上并依次光连接的泵浦光源1、激光输入元件3、激光增益介质4、被动调q晶体5和激光输出镜6；所述激光输入元件3与被动调q晶体5间设置有薄膜；所述薄膜对泵浦光增透且对激光高反。
[0044]
所述激光输入元件3为激光腔输入镜或激光腔输入膜系。
[0045]
所述泵浦光源1和激光输入元件3之间设置有聚焦装置2。
[0046]
步骤s1中所述初始参数包括输出镜反射率、激光器光学腔长和被动调q晶体5的初始透过率。
[0047]
步骤s1中所述腔内相邻纵模受激发射截面比的计算公式为：
[0048][0049]
g＝δn
·
σ(v，v0)
[0050]
其中，增益线型为f(v)，增益系数为g，纵模频率为v0，相邻纵模间隔为δv，相邻纵模频率为v＝v
0-δv，计算出腔内相邻纵模受激发射截面比σ(v，v0)。
[0051]
步骤s2的具体计算过程为：
[0052]
根据纵模功率和时间的关系表达式
[0053]
pn(t)＝p
0n
exp[kn(t-tn)2]
[0054]
其中，p
0n
为第n个纵模刚开始建立时的噪声功率，tn为第n个纵模增益等于损耗的时间，kn表示单位时间内第n个纵模的增益系数；相邻的n 1模与n模在腔内经历q次往返后，相应的功率p
n 1
和pn的关系有如下的近似：
[0055][0056]
其中，δ
n 1
和δn代表n 1模和n模在腔内往返一次的损耗，g
n 1
代表第n 1个纵模的增益系数，gn，代表第n个纵模的增益系数。
[0057]
步骤s3中所述激光速率方程组为：
[0058][0059][0060][0061]ngs
n
es
＝n
s0
[0062]
其中，φ为初始光子密度数，n为增益介质反转粒子数密度，tr为光在谐振腔内往返一周时间，c为真空中的光速，r为激光输出镜反射率，l和ls分别为增益介质长度和可饱和吸收体的长度，σ为增益介质的受激发射截面，σ
gs
和σ
es
分别为可饱和吸收体的基态吸收截面和激发态吸收截面，τ
gs
和τ分别为可饱和吸收体的基态恢复时间和增益介质的上能级寿命，γ表示增益介质的反转衰减因子，四能级系统中γ＝1，n
gs
、n
es
、n
s0
分别为可饱和吸收体基态粒子数密度、激发态粒子数密度和总粒子数密度。
[0063]
所述泵浦光源1可发出波长为808纳米的激光；所述激光输入元件3靠近聚焦装置2一侧镀有对泵浦光的增透膜，激光输入元件3靠近激光增益介质4一侧镀有对泵浦光增透、对1064纳米激光高反的膜系；所述激光增益介质4靠近激光输入元件3一侧镀对泵浦光增透、对1064纳米光高反的薄膜；所述激光增益介质4为nd:yag。
[0064]
通试验和仿真发现，在nd:yag与激光输入元件3的距离是5mm，nd:yag与cr:yag的距离为46mm，cr:yag与激光输出镜的距离为2mm，激光输出镜的透过率为40％，并且泵浦功率为7.7w，入射在nd:yag泵浦光斑尺寸为330μm的情况下，激光器工作在单纵模运转状态。法布里-珀罗扫描干涉仪的检测结果如图2所示，在两个自由范围内，出现了两个脉冲，证实了激光器工作在单纵模状态。
[0065]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。