專利名稱：晶體透鏡自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡激光諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一項(xiàng)固體激光器的熱透鏡補(bǔ)償技術(shù)，其作用在于提高激光光束質(zhì)量和輸出功 率穩(wěn)定性，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大功率高亮度固體激光器其諧振腔的基本結(jié)構(gòu)是，激光棒位于全反射鏡和輸出耦合鏡之 間，與全反射鏡相鄰，偏振器位于光路上。這種激光器在大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時不可避免地出現(xiàn)熱透 鏡效應(yīng)，這一效應(yīng)因積累在激光棒中的熱能而產(chǎn)生，激光棒端面由平面變?yōu)橥骨蛎?，形成?個等效透鏡，也稱為熱透鏡，在本專利申請中稱之為激光棒熱透鏡，這一效應(yīng)導(dǎo)致光束質(zhì)量 下降?，F(xiàn)有技術(shù)采用補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q這一技術(shù)問題。 一篇刊登在《物理學(xué)報(bào)》2000， 49(8):1495~1498、題為"可自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)的固體激光諧振腔"文獻(xiàn)公開了一項(xiàng)解決方 案。該方案的特征在于，在激光諧振腔內(nèi)加入一個短焦距透鏡，固定于激光棒一端，激光棒 熱透鏡位于該短焦距透鏡的焦點(diǎn)處，二者組成一個透鏡組。短焦距透鏡被設(shè)計(jì)為能夠補(bǔ)償激 光器在正常工作溫度下所產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)。然而，在激光器工作過程中，諧振腔溫度處在 變化中，這種變化具有隨機(jī)性、波動性，因此，熱透鏡的焦距也隨之變化。所以，這就需要 激光諧振腔能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)補(bǔ)償，于是，該方案在變換圓圖解方法分析基礎(chǔ)上，采取軸移調(diào) 節(jié)一個腔鏡的措施實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)補(bǔ)償。該方案可以解決大功率高亮度固體激光器在熱透鏡效應(yīng) 大幅度變化的情況下基本光學(xué)模的動力學(xué)穩(wěn)定運(yùn)行。
發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)存在的不足在于，在軸移調(diào)節(jié)過程中存在機(jī)械運(yùn)動，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為 了克服現(xiàn)有技術(shù)的這一不足，實(shí)現(xiàn)固體激光器激光諧振腔熱透鏡自適應(yīng)補(bǔ)償，我們提出了一 項(xiàng)稱為晶體透鏡自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡激光諧振腔的技術(shù)方案。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，由電光晶體透鏡與激光棒熱透鏡組成望遠(yuǎn)系統(tǒng)，電光晶體透鏡置 于電場中，溫度傳感器與激光棒熱透鏡接觸，并與溫度-電壓調(diào)制電路相連，溫度-電壓調(diào)制
電路還與電場電極相連，并且
Tiiu+zfe-^rofer。..............................(1)
式中ft是電光晶體透鏡焦距，f2是激光棒熱透鏡焦距，d是電光晶體透鏡和激光棒熱透鏡間距，E是電場強(qiáng)度，TV是激光棒熱透鏡溫度。
本發(fā)明之技術(shù)效果在于，電光晶體透鏡和激光棒熱透鏡相距d，并且d不變，公式(1) 中只有一個自變量Tr。當(dāng)激光棒熱透鏡溫度達(dá)到Tr值時，其焦距為f2，因此，f2是Tr的函數(shù)， 即有f2(T》；由溫度傳感器將這一Tr溫度信號提供給溫度-電壓調(diào)制電路，由溫度-電壓調(diào)制 電路根據(jù)這一TV溫度信號控制電場強(qiáng)度為E，因此，E也是TV的函數(shù)，即有E(T》；在強(qiáng)度
為E的電場的作用下，電光晶體透鏡的焦距為&，因此，f,是E的函數(shù)，即有f![E (T》];
當(dāng)fb &關(guān)系符合公式(1)，則電光晶體透鏡與激光棒熱透鏡始終構(gòu)成一個望遠(yuǎn)系統(tǒng)，或者
說電光晶體透鏡始終根據(jù)來自激光棒熱透鏡的溫度信號改變折射率ne。其焦距&隨之改變， 并且電光晶體透鏡的電光響應(yīng)速度在ns量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱馳豫時間，所以電光晶體透鏡能夠 隨所施加電場強(qiáng)度E的變化迅速地對激光棒熱透鏡的熱效應(yīng)進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償。并且，這種補(bǔ)償
來自于由電光晶體透鏡和激光棒熱透鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，因此，這種補(bǔ)償是一種自適應(yīng) 補(bǔ)償。并且沒有機(jī)械運(yùn)動，保證激光諧振腔穩(wěn)定工作。改善了光束質(zhì)量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。 為有助于理解本發(fā)明之方案，對該方案的由來進(jìn)一步說明如下，在電光晶體透鏡主軸方
向上加電場E，電光晶體透鏡的焦距ft由公式(2)決定-
2 z
式中r為曲率半徑，n^為在電場作用下的折射率，n為在未加電場時的折射率，y為電光系 數(shù)，E為電場強(qiáng)度。該公式表明晶體透鏡焦距&是電場強(qiáng)度E的函數(shù)，即有f! (E)。 激光棒熱透鏡焦距f2公式(3)決定
<formula>formula see original document page 4</formula> (3)
式中A為橫截面積，L為長度，化為半徑，K為熱導(dǎo)率，a為熱膨脹系數(shù)，C為彈光系數(shù)， no為折射率，dn/dT為折射率隨溫度變化的變化率，Pa為耗散總熱量，并且
<formula>formula see original document page 4</formula>.............................. (4)
式中F為表面積，h為表面的傳熱系數(shù)，Tr為表面溫度，也就是激光棒熱透鏡溫度，Tp為 諧振腔冷卻液體溫度。由公式(3)、 (4)可知激光棒熱透鏡焦距f2是表面溫度Tr的函數(shù)，即 有f2 (Tr)。
另外，由電光晶體透鏡和激光棒熱透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)的光焦度cp為-PU^2—卻^2 .............................. (5)
式中化為電光晶體透鏡的光焦度，CP2為激光棒熱透鏡的光焦度，d是電光晶體透鏡和激光 棒熱透鏡的間距。當(dāng)光焦度cp為零時，電光晶體透鏡焦點(diǎn)F與激光棒熱透鏡焦點(diǎn)F2重合， 二者構(gòu)成望遠(yuǎn)系統(tǒng)，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)在空氣屮時，光焦度cp是焦距f的倒數(shù)，于是有-
+ d^7T^ ""、 = 0 .............................. (6)
/i問y;&)/2(7;)
電場強(qiáng)度E由表面溫度Tr調(diào)制，所以，電場強(qiáng)度E是表面溫度Tr的函數(shù)，即有E(Tr)，所以
得出公式(1)。
圖1是本發(fā)明晶體透鏡自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡激光諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖，該圖兼作為摘要附圖。
圖2是激光棒熱透鏡表面溫度Tr與焦距f2關(guān)系曲線。圖3是電場強(qiáng)度E與電光晶體透鏡焦距 f,關(guān)系曲線。圖4是激光棒熱透鏡表面溫度Tr與電場強(qiáng)度E關(guān)系曲線。圖5是溫度-電壓調(diào)制 電路中的溫度采集與控制電路。圖6是溫度-電壓調(diào)制電路中的精密高壓電源電路。
具體實(shí)施例方式
見圖1所示，本發(fā)明之晶體透鏡自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡激光諧振腔由電光晶體透鏡1與激光 棒熱透鏡2組成望遠(yuǎn)系統(tǒng)，位于全反射鏡3和輸出耦合鏡4之間。電光晶體透鏡1置于電場 中。在電光晶體透鏡1與全反射鏡3之間的光路上還有偏振器5。溫度傳感器Ql與激光棒熱 透鏡2接觸，并與溫度-電壓調(diào)制電路6相連。溫度-電壓調(diào)制電路6還與電場電極7相連。 所述結(jié)構(gòu)符合公式(1)要求
+ ~7""^一d~"「 , y~~r^ = 0.............................. (l)
式中ft是電光晶體透鏡l焦距，f2是激光棒熱透鏡2焦距，d是電光晶體透鏡l和激光棒熱 透鏡2間距，E是電場強(qiáng)度，Tr是激光棒熱透鏡2溫度。
電光晶體透鏡1采用鈮酸鋰(LiNb03)制作，這種單軸晶體折射率隨電場強(qiáng)度變化較大。 晶體的三個主軸分別為a、 b、 c。將晶體材料制作成透鏡，應(yīng)當(dāng)使通光方向垂直于選定的一個 主軸，在晶體主軸方向上晶體的電光系數(shù)Y較大，選定主軸c，光束沿著另一個主軸方向傳播， 如a或b。電場加在主軸c方向上，并且c軸方向也是激光的偏振方向，沿著c軸折射率發(fā)生 改變，而a和b軸方向折射率不變，這是因?yàn)殡妶鲈谶@兩個軸的分量為零。電光晶體透鏡l 折射率ne,與電場強(qiáng)度E的關(guān)系由公式(7)決定we, = w _三w W .............................. (7)
由此能夠精確得出電場強(qiáng)度E改變時電光晶體透鏡折射率nel的變化。
電光晶體透鏡1采取正透鏡或者負(fù)透鏡，例如采取平凸透鏡形式，凸面曲率半徑r在 50 150cm范圍內(nèi)確定，例如選產(chǎn)100cm，兩面鍍1064nm增透膜，透過率大于99.8%，在未
加電場時的折射率^7=2.1(對于1064nm光垂直c軸方向入射)，電光系數(shù)^=5.4><10—7 m/V(對于
1064nm光平行a軸入射，電場方向平行c軸)。激光棒熱透鏡2采用Nd:YAG晶體制作，兩 端面均鍍1064nm增透膜，透過率大于99.9%，常溫下尺寸取半徑rG=l~10 mm，長度L=2~20 mm，例如半徑r『1.5mm，長度L-4inm，熱導(dǎo)率K=0.14W/cmQC，熱膨脹系數(shù)a=7.5xlO—6/°C， 彈光系數(shù)C-0.017，折射率no-1.82，折射率隨溫度變化的變化率dn/dT=7.3xlO-6K—、表面的 傳熱系數(shù)11=1.5。另外，諧振腔冷卻液體溫度1>=20°<:。電光晶體透鏡1和激光棒熱透鏡2 間距d=20~200 cm，例如d^40cm。全反射鏡3是一種平面鏡，尺寸為010x2 mm2，諧振腔 端鍍1064nm反射膜，反射率大于99.9%，另一端不鍍膜。輸出耦合鏡4為平面鏡，尺寸為010x2 mm2，諧振腔端鍍1064nm，透過率為10%，另一端鍍1064 nm增透膜，透過率大于99.9%。 偏振器5的起偏方向與電光晶體透鏡1的主軸c平行。
將上面數(shù)據(jù)代入公式(3)、 (4)可得到激光棒熱透鏡2表面溫度TV與焦距f2關(guān)系曲線，見 圖2所示，表明表面溫度Tr升高導(dǎo)致激光棒熱透鏡2焦距&縮短。
將上面數(shù)據(jù)代入公式(2)可得到電場強(qiáng)度E與電光晶體透鏡1焦距f\關(guān)系曲線，見圖3所 示，表明電光晶體透鏡l焦距f!隨電場強(qiáng)度E的增強(qiáng)而單調(diào)遞增，即電場強(qiáng)度E增強(qiáng)，電光 晶體透鏡1焦距f！伸長。
將上面數(shù)據(jù)代入公式(l)可得到激光棒熱透鏡表面溫度TV與電場強(qiáng)度E關(guān)系曲線，見圖4 所示，表明表面溫度TV升高導(dǎo)致電場強(qiáng)度E增強(qiáng)。
可見，當(dāng)表面溫度TV升高時，激光棒熱透鏡2焦距f2縮短，同時電光晶體透鏡l焦距ft 伸長，并且，這一與焦距f2縮短相伴的焦距ft的伸長符合電光晶體透鏡1和激光棒熱透鏡2 組成的光學(xué)系統(tǒng)的光焦度(p為零的要求，從而保證電光晶體透鏡1焦點(diǎn)Fi與激光棒熱透鏡2 焦點(diǎn)F2始終重合，保持二者構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)不變，做到自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)，消除熱透鏡 效應(yīng)帶來的影響。
溫度-電壓調(diào)制電路6設(shè)計(jì)為溫度升高電壓也升高的形式，并且符合公式(1)的要求。 溫度-電壓調(diào)制電路6由溫度采集與控制電路和精密高壓電源電路組成，見圖5、圖6所示。 溫度傳感器Q1與微處理器U1的1腳連接。由低噪聲精密恒流電流源供電。低噪聲精密恒流電流源供電由穩(wěn)壓芯片VR1和濾波電容C4組成，輸入端與12V電源相連，輸出端與溫度傳 感器Ql連接。濾波電容C4接在穩(wěn)壓芯片VR1的1腳和地之間，有效消除激光器的下擾噪 聲。溫度傳感器Q1與激光棒熱透鏡2接觸，溫度測量范圍為0度到250度，測試響應(yīng)速度 可以達(dá)到0.1秒，精度可以達(dá)到0.5度。當(dāng)激光棒熱透鏡2溫度升卨時，溫度傳感器Q1的阻 值增大，溫度傳感器Q1的1端電壓升高，微處理器U1采集溫度傳感器Q1輸出的模擬電壓 信號，在內(nèi)部變換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號采用查表法，獲得一個相應(yīng)的增大的PWM脈沖 信號，經(jīng)過R8和C10組成的電壓積分電路后，輸出一個增大的直流電壓信號，這個信號控 制脈寬控制芯片U2，提高輸出電壓。
C9、 R2、 Rl、 S1構(gòu)成微處理器U1的復(fù)位電路。其中C9、 R2為微處理器Ul開機(jī)時的 上電復(fù)位電路部分，微處理器U1上電時，可從其RST端輸出一個高電平脈沖，連接在微處 理器U1的9腳；Rl、 Sl為手動復(fù)位電路部分，可人為對微處理器U1進(jìn)行復(fù)位。
C5、 C7、 Yl為微處理器U1的振蕩電路，輸出12MHz的時鐘頻率，它連接在微處理器 Ul的18腳和19腳之間，為微處理器U1提供機(jī)器時鐘。
R8和C10組成電壓積分電路，微處理器U1輸出的脈寬調(diào)制信號連接到R8，然后經(jīng)C10 輸出直流信號，此電壓積分電路輸入端連接微處理器U1的22腳，輸出端連接精密高壓電源 電路的脈寬控制芯片U2的1腳。脈寬控制芯片U2輸出PWM脈沖控制信號，通過R3與功 率型場效應(yīng)晶體管Q2的柵極連接。
R12、 Rll組成電阻高壓分壓電路，C6、 C8組成電容高壓分壓電路，兩者并聯(lián)；高壓分 壓電路的分壓端與脈寬控制芯片U2的2腳連接，高壓端連接高壓電極7正極輸出端OUT+。
高頻升壓變壓器Tl的初級與功率型場效應(yīng)晶體管Q2連接，Dl和D5是功率型場效應(yīng)晶 體管Q2尖峰電壓脈沖的吸收元件，防止高頻升壓變壓器T1輸出的高壓脈沖過高損壞功率型 場效應(yīng)晶體管Q2。
可控硅Q3和R2組成過流保護(hù)電路，當(dāng)電流過大吋，切斷功率型場效應(yīng)晶體管Q2的柵 極控制信號，切斷電流，可以放置輸出高壓端的短路，保護(hù)高壓電路不被燒毀。
D3、 D2、 D4、 C2、 Cl和C3組成三倍壓升壓電路，在C2和C3兩端獲得高壓輸出電壓。 三倍壓升壓電路與高頻升壓變壓器T1的次級連接。
Cll、 C12、 C13和C14組成高壓濾波電路，R4、 R5、 R6和R7組成均壓電阻電路，此 部分與三倍壓升壓電路輸出端相連。輸出精密高壓電壓，紋波可到0.1%，從高壓電極7的正 極輸出端OUT+和負(fù)極輸出端OUT-兩端引出，為電光晶體透鏡1施加調(diào)制電場。
權(quán)利要求
1、一種晶體透鏡自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡激光諧振腔，激光棒位于全反射鏡和輸出耦合鏡之間，與全反射鏡相鄰，偏振器位于光路上，其特征在于，由電光晶體透鏡與激光棒熱透鏡組成望遠(yuǎn)系統(tǒng)，電光晶體透鏡置于電場中，溫度傳感器與激光棒熱透鏡接觸，并與溫度-電壓調(diào)制電路相連，溫度-電壓調(diào)制電路還與電場電極相連，并且式中f1是電光晶體透鏡焦距，f2是激光棒熱透鏡焦距，d是電光晶體透鏡和激光棒熱透鏡間距，E是電場強(qiáng)度，Tr是激光棒熱透鏡溫度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于，電光晶體透鏡(1)采用鈮酸鋰制作。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于，電光晶體透鏡(1)采取正透鏡或者負(fù)透鏡。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光諧振腔，其特征在于，電光晶體透鏡(1)平凸透鏡形式， 凸面曲率半徑r=5(9~750cw。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光諧振腔，其特征在于，激光棒熱透鏡(2)采用iVc/:Z4G 晶體制作，常溫下尺寸取半徑"=/一0附附，長度￡=2~20附附。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光諧振腔，其特征在于，電光晶體透鏡(1)和激光棒熱透 鏡(2)間距^^0 2Mcm。
全文摘要
晶體透鏡自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡激光諧振腔屬于激光技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)除了采用一個短焦距透鏡補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)外，還采取軸移調(diào)節(jié)一個腔鏡的措施實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)補(bǔ)償。在軸移調(diào)節(jié)過程中存在機(jī)械運(yùn)動，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。本發(fā)明是由電光晶體透鏡與激光棒熱透鏡組成望遠(yuǎn)系統(tǒng)，電光晶體透鏡置于電場中，溫度傳感器與激光棒熱透鏡接觸，并與溫度-電壓調(diào)制電路相連，溫度-電壓調(diào)制電路還與電場電極相連。根據(jù)激光棒溫度調(diào)制電光晶體透鏡，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡。應(yīng)用于固體激光器諧振腔中，改善光束質(zhì)量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。
文檔編號H01S3/08GK101414727SQ200810051540
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月5日
發(fā)明者呂彥飛, 姜中明, 寧國斌, 張喜和 申請人:長春理工大學(xué)