專利名稱：一種自適應(yīng)熱透鏡焦距變化的固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于固體激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及如何在熱效應(yīng)大幅度變化時使固體激光器能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器(DPSSL)，具有高效、緊湊等特點，在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，已成為年增長速度最快(30％-50％)的一種商品激光器，近年來一直受到激光產(chǎn)業(yè)和科研人員的極大重視。
與傳統(tǒng)的閃光燈泵浦的固體激光器相比，縱向泵浦的固體激光器內(nèi)，激光介質(zhì)的熱效應(yīng)有其自身的特點。當泵浦功率變化時，熱透鏡焦距變化很大，可從∞變化至10cm，從而使諧振腔的模參數(shù)發(fā)生明顯變化，嚴重地影響了激光運行特性。以常見的半導(dǎo)體激光泵浦的激光器(包括倍頻后的綠光激光器)為例，人們對于這種激光器的熱效應(yīng)進行了很多研究，提出了一些模型以及通過實驗來確定熱透鏡的大小。人們一般比較注意研究如何降低熱效應(yīng)的影響、提高激光效率，但是無論如何降低熱效應(yīng)，它總是存在著的，總是影響著激光輸出，熱效應(yīng)的影響并未得到根本解決。目前的方法，除了改善激光介質(zhì)的散熱外，只能根據(jù)一定的泵浦功率條件，設(shè)計一定條件下使用的結(jié)構(gòu)參數(shù)的諧振腔。當泵浦功率改變幅度較大時，熱效應(yīng)變化幅度也大，諧振腔就會變得不穩(wěn)定了。例如，在設(shè)計腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)時，若考慮到較小功率泵浦，則當泵浦功率提高到一定程度時，功率會出現(xiàn)飽和甚至下降；如果考慮大功率泵浦，則閾值往往很高。目前國際上，包括一些著名的從事此類激光器件生產(chǎn)和銷售的公司出售的該類商品激光器件同樣未能解決這個問題。因此在實際使用中是很不方便的(比如對于最大輸出功率為5W的綠光激光器，很難在1W或更低功率下運行)。
為了解決這種大幅度范圍內(nèi)能夠保證激光運轉(zhuǎn)，有的公司的產(chǎn)品設(shè)計了兩套諧振腔結(jié)構(gòu)，共用其中一些腔鏡。比如，對于直腔，有增益介質(zhì)、全反鏡、輸出鏡等主要元件?？梢圆捎脙蓚€輸出鏡，分別放置在不同的位置，當在低功率運轉(zhuǎn)時，采用其中輸出鏡I，而將輸出鏡II推離光路，這時候的諧振腔參數(shù)基本滿足低功率運轉(zhuǎn)需要。當功率上升到一定幅度，由于熱效應(yīng)的增大，原來的參數(shù)已經(jīng)不合適了，激光效率下降，乃至不出激光(其原理我們在下文會仔細分析)，此時，將輸出鏡I移走，而使用輸出鏡II，這樣可以基本滿足高功率運轉(zhuǎn)的需要。
但是，不同的泵浦功率下，熱效應(yīng)是不同的，而上述設(shè)計嚴格說來只能完全補償兩種泵浦功率下的熱效應(yīng)現(xiàn)象，對其它泵浦功率下的熱效應(yīng)，不能完全“適應(yīng)”，理論上說，必須采用無數(shù)多個腔型結(jié)構(gòu)以適應(yīng)無數(shù)種泵浦條件下的熱效應(yīng)現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明中，我們以LD泵浦Nd:YVO4激光器(

圖1)及其KTP倍頻綠光激光器(圖2)為研究對象。采用諧振腔變換圓的方法，提出了測量其熱透鏡焦距的新的方法，研究腔參數(shù)隨熱透鏡焦距變化的定量關(guān)系。進而提出并實現(xiàn)了能夠根據(jù)泵浦功率反饋自動改變輸出鏡的位置以自動適應(yīng)熱透鏡焦距變化的方法，在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計自動控制系統(tǒng)來三維控制輸出鏡的位置，實現(xiàn)激光器在熱焦距大幅變化時，通過自動調(diào)節(jié)，使激光輸出保持穩(wěn)定，最大，且以基模輸出。
圖3(a)是常用的LD泵浦固體激光器(圖1)的等效圖，其中熱透鏡代表了激光增益介質(zhì)，泵浦功率變化時，其焦距fT也變化。M1和M2分別是全反鏡和輸出鏡。根據(jù)諧振腔變換圓理論，M1鏡的σ1圓經(jīng)過激光介質(zhì)的熱透鏡fT后變換成σ1′圓，輸出鏡的σ圓(M2鏡，我們采用平面鏡，則σ2圓為一直線)必須與該圓相交才能保證諧振腔穩(wěn)定(如圖3(b)所示)。但是由于熱透鏡的焦距fT隨著泵浦功率不斷變化，導(dǎo)致了σ1′圓的大小以及位置也不斷變化，從而激光腔模參數(shù)不斷變化。這樣，在較低泵浦功率下調(diào)整好的諧振腔，激光輸出穩(wěn)定，效率較高，但是在逐漸提高泵浦功率時，激光輸出效率會降低，此時可以通過微調(diào)輸出耦合鏡M2的位置而獲得最佳輸出。但是隨著泵浦功率的進一步增加，可能不再有激光了，無論如何微調(diào)M2，都無濟于事。
根據(jù)激光變換圓理論，為確保諧振腔穩(wěn)定，σ2圓必須和σ1′圓相交。也就是說，腔鏡M2和熱透鏡之間的距離(在我們舉出的例子圖3中，由于腔鏡1貼近激光介質(zhì)放置，這個距離也就是諧振腔長度)小于fT，諧振腔才是穩(wěn)定的。設(shè)交點分別為F1a和F1b(稱之為側(cè)交點)，F(xiàn)1aF1b的長度為2b，它決定了M2鏡上的束腰w2=bλ/π---(1)]]>因此，當兩個側(cè)交點的長度2b固定，輸出光斑大小就固定了，激光功率才有可能穩(wěn)定。
某一泵浦功率下的熱透鏡焦距是一定的，輸出鏡M2的位置確定后，也就是L2確定后，長度2b也就確定了。如圖3(b)所示，當泵浦功率改變，即熱來輸出光斑大小就變了，激光功率也不穩(wěn)定了。如果改變諧振腔的長度，從而保證2b不變，就可以保證輸出光斑不變，從而保證激光輸出穩(wěn)定可靠。
如果采用如圖2所示的折疊腔包括V型腔、Z型腔(折疊鏡常用凹面鏡)等，比如倍頻綠光激光器就常采用這種腔型，考慮到凹面折疊鏡或KTP在不均勻受熱時產(chǎn)生的透鏡效應(yīng)時，則等效光路含有兩個透鏡，如圖4(a)所示。同樣的，根據(jù)諧振腔變換圓理論，可以得到如下結(jié)論泵浦功率小，熱透鏡焦距fT大，σ1″圓較小，位于臨界直線的左邊，例如σ1a″。當泵浦功率增大，fT變小，σ1″圓的直徑越來越大(如σ1b″)，直至成為一條臨界直線(此時fT＝L1-f)，即σ1c″。當fT＜L1-f時，σ1″圓位于臨界直線的右邊了。熱透鏡焦距越小，則圓的直徑越小。如σ1d′。參見圖4(b)。這樣當我們調(diào)整諧振腔時，會發(fā)現(xiàn)這種情況在較低泵浦功率下，激光輸出穩(wěn)定，效率較高，逐漸提高泵浦功率，激光輸出效率會降低，此時可以通過微調(diào)輸出耦合鏡M2的位置而獲得最佳輸出。但是隨著泵浦功率的進一步增加，可能不再有激光了，無論如何微調(diào)M2，都無濟于事。其原因就在于此時由于熱透鏡焦距很小，σ1″跑到臨界直線的另一邊去了。
由上面的分析可見，熱透鏡的變化改變了激光參數(shù)，導(dǎo)致了激光諧振腔的不穩(wěn)定，從而輸出也不穩(wěn)定，表現(xiàn)在激光功率下降乃至熄滅、激光模式發(fā)生改變等等。如果我們知道了不同泵浦下的熱透鏡焦距，并將之用于激光諧振腔的設(shè)計，使腔的參數(shù)能夠隨著熱透鏡焦距的變化而實時地自動地改變，則可以得到穩(wěn)定的激光輸出。本發(fā)明正是基于這種理念。下面是我們的具體做法。
(1)首先，要知道對于所采用激光介質(zhì)在不同泵浦強度下的熱透鏡焦距離。我們采用如下原理和方法進行測量。
為簡單起見，我們以圖3所示的情況為例，給出具體的理論分析。圖4所示情況分析過程類似，可以參考我們發(fā)表在Chinese Physics Letter上的論文(Vol17.(3)p203-5，2000)。參照圖3，M1鏡的σ1圓經(jīng)過激光介質(zhì)的熱透鏡fT后變換成σ1′圓，與光軸相交于S1α′和S1β′點，兩點與熱透鏡的距離分別為s1α′和s1β′。我們采用大寫字母S來代表點，用小寫字母代表距離，用下標1和2代表變換圓，用下標α和β來區(qū)分不同的交點。根據(jù)模象理論，我們有 式中fT是熱透鏡焦距。
這表明S1β′點總是在熱透鏡的焦點處，σ1′圓的直徑等于fT。利用這個原理，可以非常簡單方便地測量不同泵浦功率下的激光熱透鏡焦距。
(2)激光功率或能量的最大輸出我們使用功率計(或能量計)探測激光輸出功率(或能量)，并將所得值與理論計算出的最大值(也可以預(yù)先通過實驗測量得到)進行比較，然后根據(jù)比較的結(jié)果通過信號處理控制系統(tǒng)控制步進電機前后移動輸出鏡以改變腔長，直到激光輸出功率(或能量)達到最大值為止，至此，我們得到輸出達到最大功率(或能量)的激光光束。
(3)腔鏡的穩(wěn)定和激光基模輸出熱透鏡的焦距的變化會影響激光輸出的質(zhì)量。此外在實際應(yīng)用中，我們常常需要基模激光。為保證腔鏡的穩(wěn)定和基模輸出，我們采用了如下方法用光強分布測量系統(tǒng)測量輸出激光的圖樣，將之傳到信號處理控制系統(tǒng)中進行計算分析，得到激光光強的橫向強度分布，如果此時激光以基模輸出，那么得到的光強分布在一定的誤差范圍內(nèi)應(yīng)該是高斯型的；如果分析得到的結(jié)果并非是高斯型的，說明有高階模的存在，我們通過程序向步進電機發(fā)出指令，調(diào)節(jié)輸出鏡的俯仰，水平及腔長(主要是腔長的調(diào)節(jié))，同時實時采集激光光強分布，進行分析，如此反復(fù)，直到得到的光強分布為高斯分布為止。至此，我們得到了基模分布的激光輸出。
在實際應(yīng)用中，上述兩步驟(2)，(3)將反復(fù)進行，使光強分布為高斯型，且輸出為最大功率。其操作流程如圖7所示。
實驗裝置如圖5所示，預(yù)先測定在不同泵浦功率下的熱焦距，通過信號處理控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的測量比較，然后控制輸出鏡的前后移動以及俯仰水平調(diào)節(jié)以實現(xiàn)激光參數(shù)的穩(wěn)定，從而使得激光輸出最大并穩(wěn)定。
具體實施例第一套實驗裝置如圖5所示，預(yù)先測定在不同泵浦功率下的熱焦距，通過微機控制系統(tǒng)進行相應(yīng)的測量比較，然后控制輸出鏡的前后移動以及俯仰水平調(diào)節(jié)以實現(xiàn)束參數(shù)的穩(wěn)定，從而使得激光輸出最大并穩(wěn)定。
圖6為裝配示意圖。我們將光學元器件、制冷部分、電控部分都裝配在機箱里面，大的電源(包括激光二極管的驅(qū)動電源、冷卻系統(tǒng)、電動導(dǎo)軌的控制電源等)等放置在機箱外面。
第二套實驗裝置如圖8所示，通過微機控制系統(tǒng)進行圖像分析，控制輸出鏡的三維移動以達到激光輸出的要求，即基模輸出，輸出功率最大，并使這種狀態(tài)處于穩(wěn)定。
圖9為裝配示意圖。我們將光學元器件、制冷部分、電控部分、拍照部分都裝配在機箱里面，微機控制系統(tǒng)，大的電源(包括激光二極管的驅(qū)動電源、冷卻系統(tǒng)、電動導(dǎo)軌的控制電源等)等放置在機箱外面。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)熱透鏡焦距變化的激光器系統(tǒng)，其特征在于包括激光器主體，激光參數(shù)檢測系統(tǒng)，信號處理控制系統(tǒng)，電機及平移導(dǎo)軌系統(tǒng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)熱透鏡焦距變化的激光器系統(tǒng)，其特征在于所述的激光參數(shù)檢測系統(tǒng)可以根據(jù)信號處理控制系統(tǒng)發(fā)出的指令實時檢測激光輸出參數(shù)，并反饋給信號處理系統(tǒng)，經(jīng)運算、分析、判斷后發(fā)布指令給電機及平移導(dǎo)軌系統(tǒng)，改變激光器主體中的輸出鏡的位置，從而改變激光器腔長，補償熱透鏡效應(yīng)引起的激光參數(shù)的變化，從而保證激光器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。整個系統(tǒng)實時、自動，可以自動適應(yīng)因為熱透鏡效應(yīng)而引起的激光參數(shù)的變化。
3.按照權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)熱透鏡焦距變化的激光器系統(tǒng)，其特征在于激光器主體可以閃光燈泵浦或激光二極管泵浦，可以連續(xù)或脈沖運轉(zhuǎn)，可以是液冷，或風冷，或TEC制冷，可以是端泵，或者側(cè)泵激光器。激光諧振腔內(nèi)除了激光增益介質(zhì)外可以有其它光學元件如倍頻晶體、色散元件等。
4.按照權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)熱透鏡焦距變化的激光器系統(tǒng)，其特征在于所述的激光參數(shù)檢測系統(tǒng)可以測量到激光的一些參數(shù)(功率或能量，模式分布等)，并可以通過USB接口或RS232接口與權(quán)利要求1所述的信號處理控制系統(tǒng)(微機系統(tǒng)或單片機系統(tǒng))相連接，進行信號處理。
5.按照權(quán)利要求4所述的激光參數(shù)檢測系統(tǒng)，其特征在于可以通過能量計或功率計來實時測量激光輸出功率或能量(對于脈沖激光，為能量計，對于連續(xù)或準連續(xù)運轉(zhuǎn)激光，為功率計)，也可以是光強分布測量系統(tǒng)，還可以二者同時使用(測量功率或能量，同時測量光強分布)，或者是其它參數(shù)測量方法。測量到的參數(shù)(功率或能量，或者光強分布)實時傳輸?shù)叫盘柼幚砜刂葡到y(tǒng)進行分析處理。
6.按照權(quán)利要求5所述的激光參數(shù)檢測系統(tǒng)中的光強分布測量系統(tǒng)，其特征在于可以是CCD，或CMOS組成的拍攝系統(tǒng)，可以是M2測量系統(tǒng)，也可以是波前測量系統(tǒng)。
7.按照權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)熱透鏡焦距變化的激光器系統(tǒng)，其特征在于所述的信號處理控制系統(tǒng)可以是微機或單片機，其中具有預(yù)先編寫的高斯算法、參數(shù)測量系統(tǒng)控制程序、電機及平移導(dǎo)軌控制程序，它將控制激光參數(shù)檢測系統(tǒng)測量激光參數(shù)，并根據(jù)測量到的參數(shù)，進行處理，進而自動控制電機來調(diào)節(jié)輸出鏡的三維移動。
8.按照權(quán)利要求1所述的電機及平移導(dǎo)軌系統(tǒng)，其特征在于輸出鏡固定裝在平移導(dǎo)軌上，電機可以為一到三個，控制輸出鏡的前后運動和準直調(diào)節(jié)。每個電機都是通過單片機控制，信號處理控制系統(tǒng)根據(jù)測量到的參數(shù)分析處理后，發(fā)出信號控制單片機操縱電機動作。第一個電機控制平移導(dǎo)軌移動，從而使輸出鏡前后移動，改變激光器諧振腔長。另外兩個裝在調(diào)節(jié)激光器輸出鏡俯仰和水平的螺絲上，控制輸出鏡的俯仰和水平，以保證與激光光軸準直，輸出激光。電機通過兩個金屬盤與俯仰水平螺絲連接，金屬盤可以是圓形、方形，或多邊形，一個中心開孔套在調(diào)節(jié)俯仰的螺絲上，離軸處開孔通過棒與另一個盤套緊，后者中心開孔連接電機，保持電機轉(zhuǎn)軸與螺絲中心同軸。
9.按照權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)熱透鏡焦距變化的激光器系統(tǒng)，其特征在于該激光器系統(tǒng)根據(jù)功率或能量反饋信息，通過電機控制輸出鏡的三維移動，而使輸出功率或能量在熱焦距大幅變化時，保持最大，且穩(wěn)定的激光輸出；或者根據(jù)功率能量反饋信息，和輸出激光模式信息，通過電機控制輸出鏡的三維移動，而使輸出功率在熱焦距大幅變化時時，保持最大、且以TEM00模式輸出。
全文摘要
用諧振腔變換圓理論分析固體激光器熱效應(yīng)，設(shè)計反饋系統(tǒng)，自動監(jiān)測激光輸出參數(shù)(功率、能量和模式)，通過計算判斷，調(diào)節(jié)激光腔的長度及腔鏡的俯仰，以自動適應(yīng)熱透鏡焦距引起的變化，使得激光器能在較低和較高功率泵浦時都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，并根據(jù)需要可以在基橫模(TEM
文檔編號H01S3/109GK1905290SQ20061001458
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月3日
發(fā)明者宋峰, 伍雁雄, 張鑫, 覃斌, 田建國 申請人:南開大學