[发明专利]一种脉冲激光时空分布调控激光器及方法

说明书

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种脉冲激光时空分布调控激光器及方法。为解决技术实现难度大、无法精细调控、能量利用率低等问题，本发明在注入长波斯托克斯光时，它作为种子光被放大，脉冲激光被消耗，当注入短波泵浦光时，它被消耗，脉冲激光被放大，通过控制长波斯托克斯光、短波泵浦光在拉曼晶体中的空间分布，任意调控脉冲激光的空间分布。利用电光调Q腔倒空技术实现脉冲激光的时间整形，同时在光束整形阶段，由于拉曼过程的阈值性，当利用短波泵浦光对光束进行放大时，脉冲上升沿和下降沿均相对缩短。利用长波斯托克斯光则可对光束进行可控的衰减裁割，进一步压窄脉宽。将两种整形机制结合在一起，实现对脉冲激光的时‑空域同时整形。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种脉冲激光时空分布调控激光器及方法。

背景技术

传统脉冲激光器的输出光束为峰值强度位于光束中心、横截面强度呈高斯型非均匀分布的高斯光束。在激光材料处理及相互作用研究、光纤注入、光学数据及图像处理、光刻、生物医学和军事等领域，激光能量的空间非均匀分布会引起材料局部温度升高而破坏材料特性、时间非均匀分布会导致加工效率降低以及余热导致的形变。此外，基于光放大器的高功率激光系统中，种子光束的不均匀性会导致非线性效应而引起光束质量变差以及激光介质的损伤，而且高斯光束较低的填充因子也制约了激光放大和倍频系统的能量提取效率。

另一方面，在微米级甚至是纳米级粒子的激光旋转与导引操作，冷原子束的激光准直、原子光刻术、激光制导和激光测距或测速等领域，已有工作证明利用空心光束可获得相比于基模高斯光束更好的加工和测量效果。

基于上述事实，对激光光束的时间域、空间域强度分布调控在材料加工、光学信息处理、激光医疗、科研、国防等领域均有重要的应用需求

2001年张少军等人提出了一种时-空域同时整形的激光器设计，采用变反射率镜腔，即格兰棱镜(GL)与电光调Q晶体(P.C)，高反镜构成一个变反射率系统来实现光波场空间截面上的分布变换即光束的空间整形；采用慢调Q腔倒空技术，即在电光晶体上所加电压即V_P.C不是一次跳变，而是一个按预定曲线规律变化的，并在20～100ns内完成。由于电光晶体所加电压值与光腔Q值有一一对应的关系，通过控制V_P.C的变化规律来控制光腔Q值的变化规律以实现光脉冲的时间整形。两种整形机制在同一台激光器中结合，实现激光束的时-空域整形。(参考文献：黄骝,张少军,李延廷.一种时-空域同时整形的激光器设计[J].激光技术,2001,25(3))

上述方案是与本发明最接近的技术方案。二者相似之处为：均实现了光场的时空分布调控，均采用了腔倒空技术，利用电光调Q晶体实现光脉冲的时间整形。区别之处为：张少军等人的方案采用非均匀反射镜腔将光波场空间截面上的分布变换为平顶分布，光束的空间整形不可自由调控。而本发明利用基于受激拉曼散射的全光调控技术实现对脉冲激光的空间整形，即通过控制长波斯托克斯光、短波泵浦光的空间分布，任意调控脉冲激光的空间分布和时间分布(注入长波斯托克斯光消耗内腔振荡脉冲激光，注入短波泵浦光增强内腔振荡脉冲激光)。相比张少军等人的方案，本方案不仅可以实现激光强度的空间分布和时间分布的自由操控和精细调节，并且通过拉曼过程可以将脉冲激光的脉冲宽度进一步压窄。此外，本发明可应用于需要环形强度分布等类型的光场的其他应用场景，具有极高的应用价值和实用价值。

除此之外，其它的相关工作没有涉猎光场时空域强度分布的同步操控，仅聚焦于光束的空间强度分布调控、时间分布调控之一。其中，光束空间强度分布调控方法主要包括光束整形法、光束合成法、激光介质增益饱和效应法等，但是相关方法均存在技术实现难度大、无法精细调控、能量利用率低等问题。光束的时间分布调控方法主要有慢调Q腔倒空技术，受激布里渊散射脉冲压缩技术等，但是相关方法均无法兼顾高能量利用效率和脉宽压窄的需求。

总之，现有的激光光束的空间强度分布调控、时间分布调控存在一些实用性问题，为满足在材料加工、光学信息处理、激光医疗、科研、国防等领域的应用需求，亟需一种结构简单、能量损耗低、可将光束的空间分布整形成任意模式的脉冲激光时空整形方案。