[发明专利]用于激光辐射调制的方法和装置

说明书

本发明涉及声光技术和激光技术，尤其涉及声光(AO)激光谐振器Q开关(Q‑switch)，用于单模(准直)和多模(非准直)的单色和非单色激光辐射的腔外控制的AO装置，即，用于可见光波长至中红外波长(0.4–5.5μm)的AO调制器、AO移频器和色散延迟线。本发明的目的是提供激光谐振器Q开关中的声光(AO)相互作用的几何结构，从而根据取决于激光器的预期用途的激光器工作模式的系统要求，优化Q开关的预设参数，更具体地讲，提供较低的控制RF功率和不会因多模或非准直激光辐射而造成额外的效率损失的操作能力。

技术领域

本发明涉及声光技术和激光技术，尤其涉及声光(AO)激光谐振器Q开关(Q-switch)，用于单模(准直)和多模(非准直)的单色和非单色激光辐射的腔外控制的AO装置，即，用于可见光波长至中红外波长(0.4–5.5μm)的AO调制器、AO移频器和色散延迟线。

在具有高的声学各向异性和光弹各向异性的晶体中的光波和超声波的声光(AO)相互作用被认为是用于发展声光Q开关最有前途的工具之一。

声光Q开关或AO激光腔倒空器被广泛应用于激光谐振器中的损耗调制，旨在产生高能激光脉冲。当声光Q开关(腔倒空器)打开时，其产生的谐振器损耗的水平于高于每通过一次的增益，因而激光不会产生。损耗水平由Q开关效率决定，该Q开关效率在给定激发能级下推论应高于每通过一次的增益。高级固态脉冲1μm波长范围激光器的典型所需衍射效率(Q开关引入的损耗)是75％。当声光Q开关关闭时，对应于由通过Q开关中的激光束孔的声波前端通过时间确定的时间的谐振器损耗减小到静态水平，因此，在激光器中产生了巨大的脉冲。

声光开关的工作原理如下，声波被使用已经方法中的一种而被附着在晶体或无定形透明介质的声学表面的压电换能器激发，声波在透明介质中传播并产生介质材料的局部机械形变区域。由于光弹性效应，机械应力产生介电渗透率的局部不均匀性，从而产生介质的折射率的局部的不均匀性。在介质中产生不同折射率的周期层，这些层以声速移动。通过具有周期性空间结构折射率的介质传播的光产生衍射。通常，声光Q开关在布拉格衍射区起作用。如果衍射光谱由两个最大值组成，即直接透射的零阶最大值和在双倍的布拉格角偏转的一阶最大值，则发生布拉格衍射。-1阶和高阶衍射的最大值具有可忽略的低强度。当光以相对于声波波前的布拉格角入射时，第一最大值(即所谓的布拉格最大值)的强度最大。

用于Q开关的最广泛使用的材料是熔融硅石，较少使用石英晶体。这些材料具有高的激光诱导损伤阈值，但声光(AO)品质因数(效率)低。

背景技术

由现有技术(2003年5月13日公布的US6563844B1)已知典型的用于1.06μm波长的石英声光Q开关在30W的高频(HF)控制功率下的典型Nd：YAG激光谐振器中会产生75％的参考损耗水平。标准的技术方案是采用水冷却或利用激光腔倒空器的珀尔帖(Peltier)元件进行热电冷却。Q开关的操作实践表明，在高频功率不超过50-60w时强制冷却是有效的，而在更高功率时Q开关过热是不可避免的。

近年来已经研制出使用Q开关或具有Q开关的泵浦激光器的新的高功率中红外激光器(2–5.5μm)。例如，以Q开关模式操作的基于Er³⁺离子活化晶体(3μm波长)或Нo³⁺离子活化晶体(2μm波长)的脉冲激光器、掺杂二价过渡金属离子Cr²⁺和Fe²⁺的3-5μm半导体激光器。这些激光器广泛应用于光谱学、远程探测、医学等领域。这些激光器的谐振器Q开关由机械快门、多面镜、全内反射快门等提供。石英声光Q开关不用于中红外激光(2-5.5μm)，因为声光Q开关的效率(损耗水平)与波长的平方近似线性地成反比，因此，对于Er³⁺:YAG激光器(2.94μm)而言，使用典型的石英Q开关实现标准的75％的损耗水平理论上需要270W的高频功率，这实际上是难以实现的。