專利名稱：一種板條激光器熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種板條激光器熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償裝置。
背景技術(shù)：
激光器工作時(shí)激光介質(zhì)吸收的泵浦光能量，除一部分以激光方式輸出外，其他能量大多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闊岵⒊练e在激光工作物質(zhì)內(nèi)使其產(chǎn)生溫升，在不斷重復(fù)泵浦和熱傳導(dǎo)作用下，工作物質(zhì)內(nèi)溫度梯度不斷增加，工作物質(zhì)中溫度梯度的存在使原本折射率完全均勻的 工作物質(zhì)變?yōu)轭愅哥R介質(zhì)，光束通過(guò)工作物質(zhì)后發(fā)生聚焦，俗稱為熱自聚焦。熱自聚焦不但使激光束發(fā)散角迅速增加，不利于后續(xù)繼續(xù)利用，更為嚴(yán)重的是會(huì)在工作物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生實(shí)焦點(diǎn)，它將在材料內(nèi)部產(chǎn)生激光損傷。為了減輕熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器件的影響，目前廣泛采用將工作物質(zhì)端面磨成凹面以作補(bǔ)償，但只能對(duì)特定泵浦功率下的特定的熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)加工精確的凹面晶體會(huì)增大工藝成本。另外，在晶體外形一定的條件下，利用“基模熱穩(wěn)腔”思想設(shè)計(jì)諧振腔是一種常用方法，即當(dāng)激光的參數(shù)滿足一定條件時(shí)，能使基模參數(shù)在一定泵浦功率范圍內(nèi)保持不變或變化甚緩。這種方法通常要求激光介質(zhì)盡可能靠輸出耦合鏡一端，腔長(zhǎng)比激光晶體長(zhǎng)的多，同樣的這種形式的激光器只能在泵浦功率在較小范圍內(nèi)變化的情況下穩(wěn)定工作，如果泵浦功率范圍變化較大，這種穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)將會(huì)被打破，輸出光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角及束寬都會(huì)發(fā)生比較大的變化。為了實(shí)現(xiàn)較大泵浦功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)定工作，人們?cè)O(shè)法尋找外加的附加補(bǔ)償裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償。2003年8月27日公告授權(quán)的申請(qǐng)?zhí)枮?2266147. 6的中國(guó)實(shí)用新型專利說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)了一種新型的熱穩(wěn)腔，在固體激光介質(zhì)與輸出鏡之間設(shè)置一面由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)償透鏡，補(bǔ)償透鏡根據(jù)固體激光介質(zhì)功率的大小，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前后移動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償透鏡的位置。該補(bǔ)償裝置的所應(yīng)用的光學(xué)原理是使激光介質(zhì)與補(bǔ)償透鏡之間的距離始終保持為熱透鏡焦距與補(bǔ)償透鏡焦距之和，即使熱透鏡與補(bǔ)償透鏡形成開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，由此來(lái)達(dá)到補(bǔ)償固體激光介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，使不穩(wěn)定腔變?yōu)榉€(wěn)定腔，高功率的激光輸出具有較好的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量的目的。但是上述的補(bǔ)償裝置存在以下問(wèn)題該補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方法是使棒與透鏡之距離等于“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”即熱透鏡與透鏡形成開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，該補(bǔ)償裝置只有當(dāng)熱透鏡焦距很小時(shí)，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”可為實(shí)際激光器件采用，當(dāng)熱透鏡焦距較大(如幾米)時(shí)，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”相當(dāng)大，難于為實(shí)際激光器件采用；光學(xué)諧振腔內(nèi)插入腔鏡使激光損耗增加，會(huì)導(dǎo)致激光能量轉(zhuǎn)換效率下降。2007年8月15日公告授權(quán)200710067328. 5號(hào)中國(guó)發(fā)明專利說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)了一種激光棒熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償方法，其特點(diǎn)是將激光器中光學(xué)諧振腔的腔鏡設(shè)置成向激光棒方向凸起的凸面鏡，在腔鏡上設(shè)置由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，步進(jìn)馬達(dá)由控制電腦控制驅(qū)動(dòng)，使腔鏡與激光棒之間的距離為a = f-R/2-d/2n，其中，R為腔鏡的曲率半徑，d為激光棒的長(zhǎng)度，n為激光棒的折射率，f為熱透鏡焦距，在確定了腔鏡的曲率半徑后，就可以利用電腦驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)球面鏡沿著光軸平移，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)補(bǔ)償。這種補(bǔ)償裝置存在以下問(wèn)題馬達(dá)帶動(dòng)球面鏡移動(dòng)時(shí)難以保證始終沿著光軸，對(duì)調(diào)節(jié)要求很高；諧振腔內(nèi)通常包含其他元件，這會(huì)限制補(bǔ)償?shù)姆秶?。上述的公布的發(fā)明都是建立在熱透鏡效應(yīng)軸對(duì)稱的情況下進(jìn)行的，當(dāng)激光諧振腔產(chǎn)生的熱效應(yīng)不是軸對(duì)稱，如板條激光器，需要在一維方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
為了提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配容易的在一維方向補(bǔ)償板條激光器熱透鏡效應(yīng)的裝置；以及進(jìn)一步維持在泵浦功率較大范圍變化時(shí)激光器的穩(wěn)定工作。本發(fā)明提供了一種板條激光器熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償裝置，包括底座以及安裝在所述底座上的腔鏡、激光介質(zhì)和輸出鏡，還包括連接桿機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)作用力均勻部件；

所述連接桿機(jī)構(gòu)通過(guò)所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件與所述腔鏡相連接，所述連接桿機(jī)構(gòu)用于在泵浦功率發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件對(duì)所述腔鏡外表面施加作用力，調(diào)節(jié)所述腔鏡的曲率半徑，在所述腔鏡的曲面方向補(bǔ)償激光器的熱透鏡效應(yīng)。其中，所述連接桿機(jī)構(gòu)包括連接桿、連接桿支座和連接桿驅(qū)動(dòng)單元，所述連接桿支座安裝所述底座上，所述連接桿安裝在所述連接桿支座上并垂直于所述腔鏡的外表面，所述連接桿一端與所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件相連接，另一端與所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元相連接，所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)所述連接桿在水平方向上移動(dòng)以調(diào)節(jié)所述連接桿對(duì)所述腔鏡外表面的作用力。其中，所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件安裝在所述腔鏡外表面豎直方向的中心線上，所述連接桿連接在所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件的中心，所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件用于使連接桿機(jī)構(gòu)施加的作用力沿腔鏡外表面垂直中線均勻分布。其中，所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件與所述腔鏡的連接方式為粘接或機(jī)械連接。其中，所述連接桿與所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件的連接方式為粘接或機(jī)械連接。其中，所述連接桿與所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元相連接端設(shè)有外螺紋，所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元設(shè)有與所述外螺紋相匹配的內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)動(dòng)所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元可以推動(dòng)所述連接桿在水平方向移動(dòng)。其中，所述連接桿為壓電陶瓷材料，所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元為壓電陶瓷電源，所述連接桿與所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)電纜相連接，所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)電壓的變化控制所述連接桿水平方向移動(dòng)。其中，所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元連接有激光泵浦反饋裝置，所述激光泵浦反饋裝置用于在泵浦功率發(fā)生變化時(shí)，控制所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元電壓，實(shí)現(xiàn)所述連接桿在水平方向的位置調(diào)整。其中，所述連接桿貫穿所述連接桿支座，所述連接桿與所述連接桿支座直接采用螺紋方式連接。其中，所述連接桿支座頂部有卡槽，所述連接桿安裝在所述卡槽內(nèi)，所述連接桿在所述卡槽內(nèi)可以在水平方向移動(dòng)。本發(fā)明提供的一種板條激光器熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償裝置，安裝在激光器的腔鏡的外偵牝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于裝配，當(dāng)激光器的泵浦功率發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)連接桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)腔鏡的曲率半徑，腔鏡的曲率半徑的變形量可補(bǔ)償熱透鏡焦距的變化，使得輸出鏡的基模高斯光斑尺寸和光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角保持不變，維持激光系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，避免激光器內(nèi)部的材料發(fā)生激光損傷；進(jìn)一步地，采用壓電陶瓷材料和壓電陶瓷電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了腔鏡曲率半徑的連續(xù)變化，保證在泵浦功率較大變化范圍時(shí)激光器的穩(wěn)定工作。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例一的激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明曲率半徑調(diào)節(jié)原理圖；圖3是本發(fā)明等效諧振腔的示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的激光器熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I、底座；2、腔鏡；3、激光介質(zhì)；4、輸出鏡；5、連接桿機(jī)構(gòu)；2_1、夾持機(jī)構(gòu)；3-1、冷卻模塊；4-1、輸出鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；5-1、連接桿；5-2、連接桿支座；5-3、連接桿驅(qū)動(dòng)單元；a、外表面；b、內(nèi)表面；c、調(diào)節(jié)作用力均勻部件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。激光器包括底座I和依次安裝在底座I上的腔鏡2、激光介質(zhì)3和輸出鏡4。其中，腔鏡2通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)2-1固定安裝在底座I上，腔鏡2與夾持機(jī)構(gòu)2-1之間可采用緊固件等方式的機(jī)械連接，也可以采用粘結(jié)等方式的非機(jī)械連接；腔鏡2與作用力均勻分布部件c之間可采用機(jī)械連接，也可以采用粘結(jié)等方式的非機(jī)械連接；連接器5-1與作用力均勻分布部件c之間可采用機(jī)械連接，也可以采用粘結(jié)等方式的非機(jī)械連接；激光介質(zhì)3通過(guò)冷卻模塊3-1固定安裝在底座I上，輸出鏡4通過(guò)輸出鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)4-1固定安裝在底座I上，其中，腔鏡2為柱面鏡，柱面鏡2軸線方向?yàn)閥·軸，諧振腔軸線方向?yàn)閦軸，與y_z平面垂直的方向?yàn)閄軸，補(bǔ)償裝置可以調(diào)節(jié)柱面鏡2在x-z平面上的曲率半徑，以下的技術(shù)方案以x-z平面為例說(shuō)明。在激光器工作時(shí)，激光介質(zhì)3可等效成焦距為f的薄透鏡，因此激光器可以簡(jiǎn)化為如圖2所示模型，腔鏡2和輸出鏡4的曲率半徑分別為R、R2，腔長(zhǎng)L，內(nèi)含焦距為f的薄透鏡，該薄透鏡距腔鏡2和輸出鏡4的距離分別為屯、d2?？梢缘玫捷敵鲧R4上的基模高斯光束束寬
, 2 ,^rg:屮2=±一L^T--rrvJ
兀 g2^-glgl)其中
「 n^ L d7 (% d'、g =1----- I——L
1R /I RJ
._ L d' d7)S =1----L I—~-
2^ /I當(dāng)激光器的泵浦功率發(fā)生變化時(shí)，激光介質(zhì)3的等效熱透鏡的焦距f會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出鏡4上的高斯光束束寬《2發(fā)生變化，進(jìn)而影響激光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角及光束質(zhì)量，公式表明光束尺寸是與腔鏡2的曲率半徑R、激光介質(zhì)3的位置及熱透鏡的焦距f相關(guān)的。如圖3所示，石i =涵=及，腔鏡2的內(nèi)表面b的半寬lD = r ,當(dāng)腔鏡2發(fā)生微小
形變，其內(nèi)表面b的中心點(diǎn)由A移到A'由于該腔鏡2的邊緣固定，腔鏡2變形
后的曲面仍可看成球面，相應(yīng)球心由0移至0'，曲率半徑變?yōu)镽'二萬(wàn)7§ = 則當(dāng)曲面鏡發(fā)生微小形變Ax時(shí)，其曲率半徑R'為
權(quán)利要求
1.ー種板條激光器熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償裝置，包括底座以及安裝在所述底座上的腔鏡、激光介質(zhì)和輸出鏡，其特征在于，還包括連接桿機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)作用力均勻部件； 所述連接桿機(jī)構(gòu)通過(guò)所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件與所述腔鏡相連接，所述連接桿機(jī)構(gòu)用于在泵浦功率發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件對(duì)所述腔鏡外表面施加作用力，調(diào)節(jié)所述腔鏡的曲率半徑，在所述腔鏡的曲面方向補(bǔ)償激光器的熱透鏡效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求I所述的補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述連接桿機(jī)構(gòu)包括連接桿、連接桿支座和連接桿驅(qū)動(dòng)單元，所述連接桿支座安裝所述底座上，所述連接桿安裝在所述連接桿支座上并垂直于所述腔鏡的外表面，所述連接桿一端與所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件相連接，另一端與所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元相連接，所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元用于驅(qū)動(dòng)所述連接桿在水平方向上移動(dòng)以調(diào)節(jié)所述連接桿對(duì)所述腔鏡外表面的作用力。
3.如權(quán)利要求I所述的補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件安裝在所述腔鏡外表面豎直方向的中心線上，所述連接桿連接在所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件的中心，所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件用于使連接桿機(jī)構(gòu)施加的作用力沿腔鏡外表面垂直中線均勻分布。
4.如權(quán)利要求I或3所述的補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件與所述腔鏡的連接方式為粘接或機(jī)械連接。
5.如權(quán)利要求2或3所述的補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述連接桿與所述調(diào)節(jié)作用カ均勻部件的連接方式為粘接或機(jī)械連接。
6.如權(quán)利要求2所述的補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述連接桿與所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元相連接端設(shè)有外螺紋，所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元設(shè)有與所述外螺紋相匹配的內(nèi)螺紋，轉(zhuǎn)動(dòng)所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元可以推動(dòng)所述連接桿在水平方向移動(dòng)。
7.如權(quán)利要求2所述的補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述連接桿為壓電陶瓷材料，所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元為壓電陶瓷電源，所述連接桿與所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元通過(guò)電纜相連接，所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元通過(guò)電壓的變化控制所述連接桿水平方向移動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的補(bǔ)償裝置，其特征在干，所述連接桿驅(qū)動(dòng)單元連接有激光泵浦反饋裝置，所述激光泵浦反饋裝置用于在泵浦功率發(fā)生變化時(shí)，控制所述連接桿驅(qū)動(dòng)単元電壓，實(shí)現(xiàn)所述連接桿在水平方向的位置調(diào)整。
9.如權(quán)利要求2所述的補(bǔ)償裝置，其特征在于，所述連接桿貫穿所述連接桿支座，所述連接桿與所述連接桿支座直接采用螺紋方式連接。
10.如權(quán)利要求2所述的補(bǔ)償裝置，其特征在干，所述連接桿支座頂部有卡槽，所述連接桿安裝在所述卡槽內(nèi)，所述連接桿在所述卡槽內(nèi)可以在水平方向移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種板條激光器熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償裝置，包括底座以及安裝在所述底座上的腔鏡、激光介質(zhì)和輸出鏡，還包括連接桿機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)作用力均勻部件；所述連接桿機(jī)構(gòu)通過(guò)所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件與所述腔鏡相連接，所述連接桿機(jī)構(gòu)用于在泵浦功率發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)所述調(diào)節(jié)作用力均勻部件對(duì)所述腔鏡外表面施加作用力，調(diào)節(jié)所述腔鏡的曲率半徑，在所述腔鏡的曲面方向補(bǔ)償激光器的熱透鏡效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01S3/136GK102684042SQ20121015142
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者鞏馬理, 張海濤, 柳強(qiáng), 胡震岳, 閆平, 黃磊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)