專利名稱:準(zhǔn)連續(xù)泵浦鈦氧磷酸鉀內(nèi)腔倍頻激光器的制作方法
本發(fā)明屬于激光器件技術(shù)領(lǐng)域：
使用內(nèi)腔倍頻YAG激光器是把近紅外光波(1.06微米)轉(zhuǎn)換到可見光波(0.53微米)的有效技術(shù)手段之一，也是激光頻率變換技術(shù)的重要內(nèi)容。
在連續(xù)YAG激光器的泵浦技術(shù)方面，普遍采用氪燈連續(xù)泵浦方式。欲獲得較高的輸出功率，必須提高諧振腔內(nèi)循環(huán)的基波功率，因此必然要增加輸入功率，即泵浦功率。由于YAG棒的熱透鏡效應(yīng)隨泵浦增強(qiáng)而加劇，導(dǎo)致YAG棒的熱焦距隨泵浦功率增加而變短，造成模體積減小和腔的不穩(wěn)定性增加，必然限制了輸出功率。
自從1964年首次實(shí)現(xiàn)倍頻現(xiàn)象以來，大多數(shù)內(nèi)腔倍頻YAG激光器采用的倍頻晶體是鈮酸鋰(LiNbO3)，碘酸鋰(LiIO3)和鈮酸鋇鈉(Ba2NaNb5O15)。由于上述晶體有的非線性系數(shù)低，有的使用條件苛刻，易于破壞，不能穩(wěn)定工作，所以綠光最大輸出平均功率在2至3瓦。1976年，美國杜邦公司(DUPONT Inc.)〔a〕首先制成一種新型晶體鈦氧磷酸鉀(KTiOPO4)，簡稱KTP。在1981年和1982年，美國通用電氣公司(GE)的劑(Y.S.LIU)〔b〕〔c〕等在電光Q開關(guān)脈沖釹玻璃激光器把KTP作為外腔倍頻晶體，分別提高了40%及60%的倍頻轉(zhuǎn)換效率。1982年4月，劉〔d〕在內(nèi)腔倍頻實(shí)驗(yàn)中獲得約5.6瓦功率輸出，發(fā)表在1984年“光學(xué)快報(bào)”〔e〕。1982年7月，本發(fā)明人在美國愛克?，敼?XMR Inc.)做內(nèi)腔倍頻實(shí)驗(yàn)曾獲得10瓦功率輸出，發(fā)表在1983年廣州國際激光會議上〔f〕。
本發(fā)明的目的在于突破常規(guī)泵浦技術(shù)的限制，減小工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，提高模體積，增強(qiáng)諧振腔的穩(wěn)定性，加大腔內(nèi)基波功率，從而提高倍頻平均輸出功率。
本發(fā)明的技術(shù)裝置可分為兩部分，一部分是采用對泵浦源準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)供能的激光電源，另一部分是經(jīng)過精確計(jì)算諧振腔結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔倍頻激光器。
準(zhǔn)連續(xù)泵浦技術(shù)明顯區(qū)別于脈沖泵浦和連續(xù)泵浦技術(shù)，同重復(fù)頻率脈沖泵浦也有本質(zhì)的區(qū)別，準(zhǔn)連續(xù)泵浦是使光泵的放電電流重復(fù)的處于“導(dǎo)通”和“關(guān)斷”兩個(gè)狀態(tài)，即光泵的放電電流波形圖如圖1。
由倍頻輸出功率P2ω與基波功率Pω的平方基本上成正比，即P2ωαP2ω，在相同平均輸入功率時(shí)，方波電流泵浦的平均輸出的基波功率大于連續(xù)泵浦輸出的基波功率。
圖2表示輸入平均功率指數(shù)為1，圖3表示連續(xù)泵浦基波輸出功率和倍頻輸出功率指數(shù)為1。圖4表示在不變的輸入平均功率條件，準(zhǔn)連續(xù)泵浦的輸入功率最大值指數(shù)為2，圖5表示倍頻輸出功率的最大指數(shù)為4，圖6表示準(zhǔn)連續(xù)泵浦平均功率輸出指數(shù)為2，由圖3和圖6比較，在輸入平均功率不變，準(zhǔn)連續(xù)泵浦光泵電流波形占空比1∶1時(shí)，準(zhǔn)連續(xù)泵浦比連續(xù)泵浦提高了倍頻輸出功率1倍。如果占空比改為1∶2，輸出功率提高2倍。在不發(fā)生基波功率飽和的條件下，可以類推出平均功率增加的數(shù)值。
由于使用準(zhǔn)連續(xù)泵浦，相當(dāng)程度地改善了器件的冷卻條件。圖7是在相同冷卻條件下，實(shí)測出工作物質(zhì)熱焦距fT隨泵浦功率P變化的關(guān)系圖。上部曲線是連續(xù)泵浦曲線，下部曲線是準(zhǔn)連續(xù)泵浦曲線，可以看出準(zhǔn)連續(xù)泵浦條件下熱焦距減小 1/3 至 1/2 。
為使光泵可靠實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)泵浦，采用的是LRC換流可控硅斬波器。圖8是電源原理圖。利用LRC暫態(tài)的響應(yīng)特性，通過二極管(8)的單向?qū)щ娮饔?，使電?7)充上適當(dāng)極性的電壓，達(dá)到換流的目的。使用條件是必須先開通可控硅(5)，使電容(7)充上足夠電壓，極性為左正右負(fù)，可控硅(5)因電容充電電流小于維持電流而自行關(guān)斷。當(dāng)重復(fù)頻率較高不能自行關(guān)斷時(shí)，可控硅(4)導(dǎo)通后，電容(7)的左正右負(fù)電壓加在電感(6)和二極管(8)上，電感(6)、電容(7)和電感串聯(lián)電阻R，構(gòu)成一暫態(tài)回路，承受一階躍響應(yīng)暫態(tài)過程。當(dāng)回路參數(shù)滿足R2＜ (4L)/(C) 的欠阻尼條件時(shí)，電路處于振蕩狀態(tài)。由于二極管(8)的作用，在電容(7)充上左負(fù)右正的電壓，振蕩停止。此時(shí)電容(7)電壓在可控硅(5)接到“關(guān)”信號時(shí)，通過可控硅(5)將可控硅(4)關(guān)斷，并開始另外一個(gè)周期。電路處于關(guān)斷的時(shí)間應(yīng)大于2πLC]]>，以使電容(7)充上足夠電壓?？煽毓?4)和可控硅(5)由一定重復(fù)頻率，一定相位關(guān)系的觸發(fā)脈沖來控制?？煽毓?2)使泵浦光源工作在強(qiáng)予電離狀態(tài)，使激光器低于閾值運(yùn)轉(zhuǎn)?？煽毓?2)由一個(gè)降壓電路輔助工作，降壓電路的觸發(fā)脈沖與可控硅(2)的“關(guān)斷”信號同步，最終實(shí)現(xiàn)圖1的光源放電波形。以上所有元件參數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)泵浦電源的特性來選定。
本發(fā)明的另一部分技術(shù)裝置，是根本發(fā)明人提出的類高斯分布理論〔g〕以及實(shí)測的工作物質(zhì)熱透鏡數(shù)據(jù)，計(jì)算出選用直腔結(jié)構(gòu)的最佳腔長的激光器。由本發(fā)明人關(guān)于內(nèi)腔倍頻的理論計(jì)算〔h〕，可知在討論高轉(zhuǎn)換效率情況下，可視倍頻過程產(chǎn)生的二次諧波功率輸出為一種隨基波功率變化的可變損耗，由Q開關(guān)速率方程可進(jìn)行數(shù)值解，由此可求出最佳晶體長度和最佳腔長。
本發(fā)明所具有的技術(shù)特征帶來了積極的效果。準(zhǔn)連續(xù)泵浦技術(shù)顯著地減小了工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，模體積增加，光束發(fā)散角減小，基波的輸出功率成倍增長，又大大提高了倍頻轉(zhuǎn)換效率。
圖8顯示的是一臺實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)連續(xù)泵浦聲光Q開關(guān)KTP內(nèi)腔倍頻YAG激光器，圖中(13)是全反鏡，(14)是聲光Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，(15)是聲光Q開關(guān)，(16)是聚光腔，(17)是氪燈，(18)是YAG棒，(19)是準(zhǔn)連續(xù)泵浦電源，(20)是小孔光欄，(21)是諧波反射鏡，對1.06微米波長高透，對0.53微米波長高反，(22)是KTP倍頻晶體，(23)是輸出鏡。
上述激光器最佳腔長計(jì)算數(shù)值為540～560毫米，雙氪燈泵浦φ5×100YAG棒，聲光Q開關(guān)驅(qū)動(dòng)頻率35～45兆赫芝，驅(qū)動(dòng)功率1～15瓦可調(diào)，倍頻晶體KTP尺寸為4×4×5毫米，按最佳相位匹配角度切割加工，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中修磨，KTP晶體表面鍍以1.06微米增透膜。準(zhǔn)連續(xù)泵浦重復(fù)頻率10次/秒～60次/秒，連續(xù)可調(diào)，矩形波放電電流占空比連續(xù)可調(diào)。
本發(fā)明所述的激光器，在學(xué)術(shù)上，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上有很大意義。由于該激光器可達(dá)0.53微米波長10瓦級的輸出，達(dá)到中功率水平，進(jìn)入實(shí)用化階段，它將在國民經(jīng)濟(jì)中有廣泛的應(yīng)用，達(dá)到能夠開發(fā)一系列新產(chǎn)品的水平，為激光金屬及半導(dǎo)體微加工、激光焊接、水下照明及顯示，激光醫(yī)療手術(shù)器械，激光高速攝影提供了理想的可見光綠光光源。本發(fā)明在激光器件品種內(nèi)，一定程度可以取代氬離子激光器，成為染料激光器的一種優(yōu)良的泵浦源。本發(fā)明還將在非線性光學(xué)、頻率變換技術(shù)，相位共軛技術(shù)方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種泵浦激光器的方法，其特征是激光器的泵浦源是處于準(zhǔn)連續(xù)狀態(tài)工作，該泵浦源的放電電流是重復(fù)率可調(diào)，占空比可調(diào)的矩形波。
2.按照權(quán)項(xiàng)1所說的方法，其特征在于該激光器是固體激光器，該泵浦源是光泵浦源。
3.按照權(quán)項(xiàng)2所說的方法，其特征在于該固體激光器的工作物質(zhì)是YAG晶體，該光泵浦源是氪燈。
4.按照權(quán)項(xiàng)3所說的方法，其特征在于激光器帶有聲光Q開關(guān)。
5.按照權(quán)項(xiàng)3和權(quán)項(xiàng)4所說的方法，其特征是該激光器使用鈦氧磷酸鉀(KTP)晶體作為倍頻元件。
6.一種固體激光器，其特征在于該固體激光器的電源是準(zhǔn)連續(xù)泵浦電源。
7.按照權(quán)項(xiàng)所說的，其特征在于所說的準(zhǔn)連續(xù)泵浦電源由主電壓電路(1)，可控硅(2)，電阻(3)，可控硅(4)，可控硅(5)，電感(6)，電容(7)，二極管(8)，電阻(9)，降壓電路(10)，光泵浦源(11)，和予電離電路(12)所構(gòu)成的電路裝置。
專利摘要
一種準(zhǔn)連續(xù)泵浦鈦氧磷酸鉀(KTP)內(nèi)腔倍頻YAG激光器，本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域：
。由于采用了準(zhǔn)連續(xù)泵浦的新方法，從而減小了工作物質(zhì)的熱效應(yīng)，不但提高了基波功率，而且減小了發(fā)散角。在使用新型倍頻晶體KTP的條件下，可實(shí)現(xiàn)倍頻的高轉(zhuǎn)換效率，獲得十瓦級的綠光輸出。該激光器作為一種理想的強(qiáng)光光源，將進(jìn)入實(shí)用化階段，在激光加工、激光醫(yī)療、激光高速攝影、全息照相、非線性光學(xué)、頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)、相位共軛技術(shù)有廣泛的應(yīng)用。
文檔編號H01S3/10GK85101595SQ85101595
公開日1986年2月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者姚建銓, 李昱, 薛彬 申請人:天津大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan