專利名稱：通過驅(qū)動固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種消除固體激光器空間燒孔效應(yīng)的裝置，具體的說就是將固 體激光器的增益介質(zhì)固定在壓電陶瓷上，通過驅(qū)動壓電陶瓷使得增益介質(zhì)在軸向產(chǎn)生位 移，來消除激光器工作物質(zhì)的空間燒孔現(xiàn)象的裝置。
背景技術(shù)：
對于常見的駐波腔激光器來說，腔內(nèi)振蕩的縱模在空間上具有完全確定的駐波 圖樣，光強(qiáng)沿腔軸并不是均勻分布的，因此隨著腔軸上各點(diǎn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的不同，增益 也就不同。在某個(gè)縱模達(dá)到閾值并開始振蕩后，隨著激發(fā)的增強(qiáng)，在駐波波腹處的反轉(zhuǎn) 粒子數(shù)因被該縱模大量消耗，其值變?yōu)樽钚?，而在波?jié)處則最大。因而增益沿腔軸呈周 期性變化，這種現(xiàn)象稱為空間燒孔效應(yīng)。由于增益空間燒孔效應(yīng)的存在，凡滿足駐波振 蕩條件的各縱模就會利用空間不同部分的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)同時(shí)產(chǎn)生振蕩，這一現(xiàn)象稱為縱模 的空間競爭。如果激活粒子的空間轉(zhuǎn)移很迅速，空間燒孔便無法形成。但是在固體工作 物質(zhì)中，激活粒子被束縛在晶格上，借助粒子和晶格的能量交換形成激發(fā)態(tài)粒子是空間 轉(zhuǎn)移，激發(fā)態(tài)粒子在空間轉(zhuǎn)移半個(gè)波長所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光形成所需的時(shí)間，所以 空間燒孔不容易消除。在未采取選頻措施時(shí)，駐波腔激光器通常為多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)會引起很 多問題，如使激光輸出頻帶加寬、激光時(shí)間和空間相干性變差、縱模競爭導(dǎo)致輸出功率 不穩(wěn)等問題。尤其是在腔內(nèi)插入非線性光學(xué)器件時(shí)，不同的縱模之間還會在極化物質(zhì)中 相互耦合，產(chǎn)生隨機(jī)的和頻、差頻等現(xiàn)象，使輸出激光的質(zhì)量進(jìn)一步下降。所以消除空 間燒孔效應(yīng)以盡量實(shí)現(xiàn)激光器的單縱模輸出是一個(gè)需要解決的問題，目前已有的方法主 要有以下幾種1、短程吸收法其原理是使激光器增益介質(zhì)短，這樣粒子的空間轉(zhuǎn)移很迅速， 就不會產(chǎn)生空間燒孔，也就不會形成多縱模振蕩。這種方法比較簡單，但是只能消除部 分空間燒孔，且難以得到較高的泵浦吸收效率。{激光與紅外:[雜志2001年第4期、由 鄭權(quán)，檀慧明，趙嶺所著“LD泵浦全固體單頻YV04/KTP綠光激光器研究”的文章中 所述的既是此列。2、采用含光隔離器的環(huán)形行波腔，利用諧振腔內(nèi)的光隔離器使得腔內(nèi)光束僅沿 單一方向行進(jìn)，從而形成行波場振蕩來消除空間燒孔。這種方法輸出穩(wěn)定性好，受外 界影響小，但是大功率泵浦下會產(chǎn)生多橫模，且調(diào)節(jié)困難。華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論 文.2004.由武愕所著“半導(dǎo)體泵浦的全固化單縱模激光器” 一文中述及的既是此列。3、采用扭轉(zhuǎn)模腔其原理是利用兩塊λ/4波片使諧振腔內(nèi)的激光在激光晶體 中形成一個(gè)均勻能量分布的駐波場，即介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在空間上均勻分布，便可以消 除空間燒孔。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有消除空間燒孔效應(yīng)方法的不足，提供一種更方便 有效、低成本的利用壓電陶瓷驅(qū)動固體激光器增益物質(zhì)來消除空間燒孔效應(yīng)的裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的一種通過驅(qū)動固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置，包括固體激光 器、壓電陶瓷和驅(qū)動電路，其特征在于壓電陶瓷為長條形，被固定在固體激光器增益介 質(zhì)下面的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質(zhì)的軸向方向一致；驅(qū)動電路為產(chǎn)生三角波 信號的電路，其信號輸出端通過導(dǎo)線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和電 致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質(zhì)沿軸向產(chǎn)生λ/4位 移，使固體激光器的增益介質(zhì)得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)。所述的驅(qū)動電路是頻率和輸出電壓可調(diào)的電壓驅(qū)動電源，其頻率為 10Ηζ-30ΚΗζ,輸出電壓為 0V-+4V。一種利用上述裝置消除固體激光器空間燒孔效應(yīng)的方法，步驟如下1、打開固體激光器的電源，使其正常工作；將激光功率測量裝置放置在固體激 光器的輸出端以備測量功率之用；2、將驅(qū)動電路的輸出端通過導(dǎo)線和壓電陶瓷連接好，打開驅(qū)動電路的電源，使 驅(qū)動電路產(chǎn)生穩(wěn)定的三角波信號；3、調(diào)整驅(qū)動電路的頻率，同時(shí)由激光功率測量裝置觀察有無輸出功率的變化， 如無功率的變化時(shí)，緩慢增加驅(qū)動電路的電壓值，再調(diào)整驅(qū)動電路的頻率，當(dāng)激光功率 測量裝置觀察到有輸出功率的變化時(shí)，反復(fù)調(diào)整驅(qū)動電路的頻率，使固體激光器的輸出 功率最大時(shí)，此時(shí)即為消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)后所得的測量值。本實(shí)用新型消除空間燒孔效應(yīng)的工作原理如下激光的形成需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。以三能級系統(tǒng)為例敘述反轉(zhuǎn)粒子數(shù)形成的過程， 三個(gè)能級從小到大依次分別為0，1，2，原子從基態(tài)被激勵到能級2，然后通過非輻射躍遷衰 變到能級1，能級1的壽命為T1,能級2的壽命為τ2，且1/12 = 1/12斤1/12111，為自 發(fā)發(fā)射躍遷壽命，τ2Μ為非輻射躍遷壽命。一般T1比較長，為亞穩(wěn)態(tài)，增大激發(fā)速率可 實(shí)現(xiàn)能級1和能級0的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。假設(shè)激光器為駐波腔，產(chǎn)生激光時(shí)某個(gè)縱模達(dá)到閾 值開始振蕩，在駐波光強(qiáng)最強(qiáng)處，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被大量消耗，數(shù)值變?yōu)樽钚?，而光?qiáng)最弱 處的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)未被消耗數(shù)值為最大。設(shè)計(jì)壓電陶瓷驅(qū)動電路產(chǎn)生三角波電壓，電壓幅 值和頻率可調(diào)。由于壓電晶體的逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷在電場作用下會 在軸向產(chǎn)生位移，其軸向位移大小計(jì)算公式為AL-dU/L^+MU2/!^，其中d為壓電陶瓷 的壓電應(yīng)變常數(shù)，U為電壓，Ltl為壓電陶瓷的長度，M為壓電陶瓷的電致伸縮系數(shù)。設(shè) 置壓電陶瓷的驅(qū)動頻率，使得在小于τ 1+τ 2的時(shí)間內(nèi)激光器的增益介質(zhì)在軸向產(chǎn)生λ/4 的位移，原為波腹之處將變?yōu)椴ü?jié)，而原為波節(jié)之處將變?yōu)椴ǜ梗瑥亩沟迷ü?jié)之處 的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也被消耗。壓電陶瓷的驅(qū)動頻率變化只要使激光器增益介質(zhì)在軸向稍有位移便可以使得燒 孔效應(yīng)減弱，使激光器增益介質(zhì)更多的得到有效利用。通過這種方法可以方便有效的消 除激光器的空間燒孔效應(yīng)，使增益介質(zhì)得到有效利用，提高了激光器的輸出特性。本實(shí)用新型的利用壓電陶瓷消除激光器空間燒孔效應(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn)有效地提高固體激光器增益介質(zhì)的利用率，使激光器的輸出性能得到極大的提高。另外，可以有 效地消除多模競爭，實(shí)現(xiàn)激光器的單頻輸出，方法簡單有效，成本較低。

圖1是本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖其中1、增益介質(zhì)，2、底座，3、壓電陶瓷，4、驅(qū)動電源，5、導(dǎo)線，6、激
光器腔鏡，7、激光器腔鏡。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1的壓電陶瓷的驅(qū)動電路示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例如圖1所示，一種通過驅(qū)動固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置，包 括固體激光器、壓電陶瓷3和驅(qū)動電路4，其特征在于壓電陶瓷4為長條形，被固定在固 體激光器增益介質(zhì)1下面的底座2上，壓電陶瓷3的軸向和增益介質(zhì)1的軸向方向一致； 驅(qū)動電路4為產(chǎn)生三角波信號的電路，其信號輸出端通過導(dǎo)線5和壓電陶瓷4連接，由于 壓電陶瓷4的逆壓電效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷4在軸向伸縮致使固體激光器的增益 介質(zhì)1沿軸向產(chǎn)生λ/4位移，使固體激光器的增益介質(zhì)1得到有效的利用，從而消除固 體激光器的空間燒孔效應(yīng)。所述的驅(qū)動電路4是頻率和輸出電壓可調(diào)的電壓驅(qū)動電源，其頻率為 10Ηζ-30ΚΗζ,輸出電壓為 0V-+4V。本實(shí)用新型方法采用Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1064nm，熒光壽命為 230 μ S，所需軸向位移為λ /4 = 246nm,驅(qū)動電路頻率為4kHz。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的壓電陶瓷的驅(qū)動電路。采用常見的單片精密函數(shù)發(fā) 生器ICL8038輸出一電壓和頻率可調(diào)的三角波電壓信號，管腳6接12V正電壓，管腳9通 過Rl和管腳6相接，管腳4和5分別通過電阻R2和R3接正電壓；滑動變阻器VRl的 3腳接ICL8038的管腳8，1腳接12V正電壓，2腳通過電阻R4接-12V負(fù)電壓，通過調(diào) 節(jié)VRl可以調(diào)節(jié)驅(qū)動電路的信號輸出頻率。Cl，C2，C3為去耦電容，其中Cl連接在 12V正電壓和地之間；C2連接在12V正電壓和ICL8038的管腳8之間；C3連接在-12V 負(fù)電壓和ICL8038的管腳10之間。ICL8038的管腳12接滑動變阻器VR2的1腳，VR2 的2、3腳相連后接-12V負(fù)電壓；VR3的2腳接地，1腳接ICL8038的管腳3，滑動腳接 運(yùn)算放大器OP07的管腳3，OP07的管腳6通過C8和R5接地；OP07的管腳4、7分別 連接在-12V和12V負(fù)、正電源上；濾波電容C5、C6—端分別連接在-12V和12V上， 另一端接地。通過VR3能夠調(diào)節(jié)電壓幅值；ICL8038的管腳2為三角波信號輸出端。
權(quán)利要求1.一種通過驅(qū)動固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置，包括固體激光器、 壓電陶瓷和驅(qū)動電路，其特征在于壓電陶瓷為長條形，被固定在固體激光器增益介質(zhì)下 面的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質(zhì)的軸向方向一致；驅(qū)動電路為產(chǎn)生三角波信號 的電路，其信號輸出端通過導(dǎo)線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和電致伸 縮效應(yīng)，壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質(zhì)沿軸向產(chǎn)生λ/4位移，使 固體激光器的增益介質(zhì)得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種通過驅(qū)動固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝 置，其特征在于所述的驅(qū)動電路是頻率和輸出電壓可調(diào)的電壓驅(qū)動電源電路，其頻率為 10Ηζ-30ΚΗζ,輸出電壓為 0V-+4V。
專利摘要一種通過驅(qū)動固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置，屬固體激光器技術(shù)領(lǐng)域，包括固體激光器、壓電陶瓷和驅(qū)動電路，其特征在于壓電陶瓷為長條形，被固定在固體激光器增益介質(zhì)下面的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質(zhì)的軸向方向一致；驅(qū)動電路為產(chǎn)生三角波信號的電路，其信號輸出端通過導(dǎo)線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質(zhì)沿軸向產(chǎn)生λ/4位移，使固體激光器的增益介質(zhì)得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)，可以有效地消除多模競爭，實(shí)現(xiàn)激光器的單頻輸出，方法簡單有效，成本較低。
文檔編號H01S3/09GK201805136SQ201020525408
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者孔德龍, 宋復(fù)俊, 常軍, 張燕, 王偉杰, 王宗良 申請人:山東大學(xué)