专利名称：一种自适应热透镜焦距变化的固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明是属于固体激光器技术领域，涉及如何在热效应大幅度变化时使固体激光器能够稳定运转。
背景技术：
半导体激光器泵浦的固体激光器(DPSSL)，具有高效、紧凑等特点，在很多领域有广泛的应用，已成为年增长速度最快(30％-50％)的一种商品激光器，近年来一直受到激光产业和科研人员的极大重视。
与传统的闪光灯泵浦的固体激光器相比，纵向泵浦的固体激光器内，激光介质的热效应有其自身的特点。当泵浦功率变化时，热透镜焦距变化很大，可从∞变化至10cm，从而使谐振腔的模参数发生明显变化，严重地影响了激光运行特性。以常见的半导体激光泵浦的激光器(包括倍频后的绿光激光器)为例，人们对于这种激光器的热效应进行了很多研究，提出了一些模型以及通过实验来确定热透镜的大小。人们一般比较注意研究如何降低热效应的影响、提高激光效率，但是无论如何降低热效应，它总是存在着的，总是影响着激光输出，热效应的影响并未得到根本解决。目前的方法，除了改善激光介质的散热外，只能根据一定的泵浦功率条件，设计一定条件下使用的结构参数的谐振腔。当泵浦功率改变幅度较大时，热效应变化幅度也大，谐振腔就会变得不稳定了。例如，在设计腔的结构参数时，若考虑到较小功率泵浦，则当泵浦功率提高到一定程度时，功率会出现饱和甚至下降；如果考虑大功率泵浦，则阈值往往很高。目前国际上，包括一些著名的从事此类激光器件生产和销售的公司出售的该类商品激光器件同样未能解决这个问题。因此在实际使用中是很不方便的(比如对于最大输出功率为5W的绿光激光器，很难在1W或更低功率下运行)。
为了解决这种大幅度范围内能够保证激光运转，有的公司的产品设计了两套谐振腔结构，共用其中一些腔镜。比如，对于直腔，有增益介质、全反镜、输出镜等主要元件。可以采用两个输出镜，分别放置在不同的位置，当在低功率运转时，采用其中输出镜I，而将输出镜II推离光路，这时候的谐振腔参数基本满足低功率运转需要。当功率上升到一定幅度，由于热效应的增大，原来的参数已经不合适了，激光效率下降，乃至不出激光(其原理我们在下文会仔细分析)，此时，将输出镜I移走，而使用输出镜II，这样可以基本满足高功率运转的需要。
但是，不同的泵浦功率下，热效应是不同的，而上述设计严格说来只能完全补偿两种泵浦功率下的热效应现象，对其它泵浦功率下的热效应，不能完全“适应”，理论上说，必须采用无数多个腔型结构以适应无数种泵浦条件下的热效应现象。
发明内容本发明中，我们以LD泵浦Nd:YVO4激光器(
图1)及其KTP倍频绿光激光器(图2)为研究对象。采用谐振腔变换圆的方法，提出了测量其热透镜焦距的新的方法，研究腔参数随热透镜焦距变化的定量关系。进而提出并实现了能够根据泵浦功率反馈自动改变输出镜的位置以自动适应热透镜焦距变化的方法，在此基础上，我们设计自动控制系统来三维控制输出镜的位置，实现激光器在热焦距大幅变化时，通过自动调节，使激光输出保持稳定，最大，且以基模输出。
图3(a)是常用的LD泵浦固体激光器(图1)的等效图，其中热透镜代表了激光增益介质，泵浦功率变化时，其焦距fT也变化。M1和M2分别是全反镜和输出镜。根据谐振腔变换圆理论，M1镜的σ1圆经过激光介质的热透镜fT后变换成σ1′圆，输出镜的σ圆(M2镜，我们采用平面镜，则σ2圆为一直线)必须与该圆相交才能保证谐振腔稳定(如图3(b)所示)。但是由于热透镜的焦距fT随着泵浦功率不断变化，导致了σ1′圆的大小以及位置也不断变化，从而激光腔模参数不断变化。这样，在较低泵浦功率下调整好的谐振腔，激光输出稳定，效率较高，但是在逐渐提高泵浦功率时，激光输出效率会降低，此时可以通过微调输出耦合镜M2的位置而获得最佳输出。但是随着泵浦功率的进一步增加，可能不再有激光了，无论如何微调M2，都无济于事。
根据激光变换圆理论，为确保谐振腔稳定，σ2圆必须和σ1′圆相交。也就是说，腔镜M2和热透镜之间的距离(在我们举出的例子图3中，由于腔镜1贴近激光介质放置，这个距离也就是谐振腔长度)小于fT，谐振腔才是稳定的。设交点分别为F1a和F1b(称之为侧交点)，F1aF1b的长度为2b，它决定了M2镜上的束腰w2=bλ/π---(1)]]>因此，当两个侧交点的长度2b固定，输出光斑大小就固定了，激光功率才有可能稳定。
某一泵浦功率下的热透镜焦距是一定的，输出镜M2的位置确定后，也就是L2确定后，长度2b也就确定了。如图3(b)所示，当泵浦功率改变，即热来输出光斑大小就变了，激光功率也不稳定了。如果改变谐振腔的长度，从而保证2b不变，就可以保证输出光斑不变，从而保证激光输出稳定可靠。
如果采用如图2所示的折叠腔包括V型腔、Z型腔(折叠镜常用凹面镜)等，比如倍频绿光激光器就常采用这种腔型，考虑到凹面折叠镜或KTP在不均匀受热时产生的透镜效应时，则等效光路含有两个透镜，如图4(a)所示。同样的，根据谐振腔变换圆理论，可以得到如下结论泵浦功率小，热透镜焦距fT大，σ1″圆较小，位于临界直线的左边，例如σ1a″。当泵浦功率增大，fT变小，σ1″圆的直径越来越大(如σ1b″)，直至成为一条临界直线(此时fT＝L1-f)，即σ1c″。当fT＜L1-f时，σ1″圆位于临界直线的右边了。热透镜焦距越小，则圆的直径越小。如σ1d′。参见图4(b)。这样当我们调整谐振腔时，会发现这种情况在较低泵浦功率下，激光输出稳定，效率较高，逐渐提高泵浦功率，激光输出效率会降低，此时可以通过微调输出耦合镜M2的位置而获得最佳输出。但是随着泵浦功率的进一步增加，可能不再有激光了，无论如何微调M2，都无济于事。其原因就在于此时由于热透镜焦距很小，σ1″跑到临界直线的另一边去了。
由上面的分析可见，热透镜的变化改变了激光参数，导致了激光谐振腔的不稳定，从而输出也不稳定，表现在激光功率下降乃至熄灭、激光模式发生改变等等。如果我们知道了不同泵浦下的热透镜焦距，并将之用于激光谐振腔的设计，使腔的参数能够随着热透镜焦距的变化而实时地自动地改变，则可以得到稳定的激光输出。本发明正是基于这种理念。下面是我们的具体做法。
(1)首先，要知道对于所采用激光介质在不同泵浦强度下的热透镜焦距离。我们采用如下原理和方法进行测量。
为简单起见，我们以图3所示的情况为例，给出具体的理论分析。图4所示情况分析过程类似，可以参考我们发表在Chinese Physics Letter上的论文(Vol17.(3)p203-5，2000)。参照图3，M1镜的σ1圆经过激光介质的热透镜fT后变换成σ1′圆，与光轴相交于S1α′和S1β′点，两点与热透镜的距离分别为s1α′和s1β′。我们采用大写字母S来代表点，用小写字母代表距离，用下标1和2代表变换圆，用下标α和β来区分不同的交点。根据模象理论，我们有 式中fT是热透镜焦距。
这表明S1β′点总是在热透镜的焦点处，σ1′圆的直径等于fT。利用这个原理，可以非常简单方便地测量不同泵浦功率下的激光热透镜焦距。
(2)激光功率或能量的最大输出我们使用功率计(或能量计)探测激光输出功率(或能量)，并将所得值与理论计算出的最大值(也可以预先通过实验测量得到)进行比较，然后根据比较的结果通过信号处理控制系统控制步进电机前后移动输出镜以改变腔长，直到激光输出功率(或能量)达到最大值为止，至此，我们得到输出达到最大功率(或能量)的激光光束。
(3)腔镜的稳定和激光基模输出热透镜的焦距的变化会影响激光输出的质量。此外在实际应用中，我们常常需要基模激光。为保证腔镜的稳定和基模输出，我们采用了如下方法用光强分布测量系统测量输出激光的图样，将之传到信号处理控制系统中进行计算分析，得到激光光强的横向强度分布，如果此时激光以基模输出，那么得到的光强分布在一定的误差范围内应该是高斯型的；如果分析得到的结果并非是高斯型的，说明有高阶模的存在，我们通过程序向步进电机发出指令，调节输出镜的俯仰，水平及腔长(主要是腔长的调节)，同时实时采集激光光强分布，进行分析，如此反复，直到得到的光强分布为高斯分布为止。至此，我们得到了基模分布的激光输出。
在实际应用中，上述两步骤(2)，(3)将反复进行，使光强分布为高斯型，且输出为最大功率。其操作流程如图7所示。
实验装置如图5所示，预先测定在不同泵浦功率下的热焦距，通过信号处理控制系统进行相应的测量比较，然后控制输出镜的前后移动以及俯仰水平调节以实现激光参数的稳定，从而使得激光输出最大并稳定。
具体实施例第一套实验装置如图5所示，预先测定在不同泵浦功率下的热焦距，通过微机控制系统进行相应的测量比较，然后控制输出镜的前后移动以及俯仰水平调节以实现束参数的稳定，从而使得激光输出最大并稳定。
图6为装配示意图。我们将光学元器件、制冷部分、电控部分都装配在机箱里面，大的电源(包括激光二极管的驱动电源、冷却系统、电动导轨的控制电源等)等放置在机箱外面。
第二套实验装置如图8所示，通过微机控制系统进行图像分析，控制输出镜的三维移动以达到激光输出的要求，即基模输出，输出功率最大，并使这种状态处于稳定。
图9为装配示意图。我们将光学元器件、制冷部分、电控部分、拍照部分都装配在机箱里面，微机控制系统，大的电源(包括激光二极管的驱动电源、冷却系统、电动导轨的控制电源等)等放置在机箱外面。
权利要求
1.一种自适应热透镜焦距变化的激光器系统，其特征在于包括激光器主体，激光参数检测系统，信号处理控制系统，电机及平移导轨系统。
2.按照权利要求1所述的自适应热透镜焦距变化的激光器系统，其特征在于所述的激光参数检测系统可以根据信号处理控制系统发出的指令实时检测激光输出参数，并反馈给信号处理系统，经运算、分析、判断后发布指令给电机及平移导轨系统，改变激光器主体中的输出镜的位置，从而改变激光器腔长，补偿热透镜效应引起的激光参数的变化，从而保证激光器稳定运转。整个系统实时、自动，可以自动适应因为热透镜效应而引起的激光参数的变化。
3.按照权利要求1所述的自适应热透镜焦距变化的激光器系统，其特征在于激光器主体可以闪光灯泵浦或激光二极管泵浦，可以连续或脉冲运转，可以是液冷，或风冷，或TEC制冷，可以是端泵，或者侧泵激光器。激光谐振腔内除了激光增益介质外可以有其它光学元件如倍频晶体、色散元件等。
4.按照权利要求1所述的自适应热透镜焦距变化的激光器系统，其特征在于所述的激光参数检测系统可以测量到激光的一些参数(功率或能量，模式分布等)，并可以通过USB接口或RS232接口与权利要求1所述的信号处理控制系统(微机系统或单片机系统)相连接，进行信号处理。
5.按照权利要求4所述的激光参数检测系统，其特征在于可以通过能量计或功率计来实时测量激光输出功率或能量(对于脉冲激光，为能量计，对于连续或准连续运转激光，为功率计)，也可以是光强分布测量系统，还可以二者同时使用(测量功率或能量，同时测量光强分布)，或者是其它参数测量方法。测量到的参数(功率或能量，或者光强分布)实时传输到信号处理控制系统进行分析处理。
6.按照权利要求5所述的激光参数检测系统中的光强分布测量系统，其特征在于可以是CCD，或CMOS组成的拍摄系统，可以是M2测量系统，也可以是波前测量系统。
7.按照权利要求1所述的自适应热透镜焦距变化的激光器系统，其特征在于所述的信号处理控制系统可以是微机或单片机，其中具有预先编写的高斯算法、参数测量系统控制程序、电机及平移导轨控制程序，它将控制激光参数检测系统测量激光参数，并根据测量到的参数，进行处理，进而自动控制电机来调节输出镜的三维移动。
8.按照权利要求1所述的电机及平移导轨系统，其特征在于输出镜固定装在平移导轨上，电机可以为一到三个，控制输出镜的前后运动和准直调节。每个电机都是通过单片机控制，信号处理控制系统根据测量到的参数分析处理后，发出信号控制单片机操纵电机动作。第一个电机控制平移导轨移动，从而使输出镜前后移动，改变激光器谐振腔长。另外两个装在调节激光器输出镜俯仰和水平的螺丝上，控制输出镜的俯仰和水平，以保证与激光光轴准直，输出激光。电机通过两个金属盘与俯仰水平螺丝连接，金属盘可以是圆形、方形，或多边形，一个中心开孔套在调节俯仰的螺丝上，离轴处开孔通过棒与另一个盘套紧，后者中心开孔连接电机，保持电机转轴与螺丝中心同轴。
9.按照权利要求1所述的自适应热透镜焦距变化的激光器系统，其特征在于该激光器系统根据功率或能量反馈信息，通过电机控制输出镜的三维移动，而使输出功率或能量在热焦距大幅变化时，保持最大，且稳定的激光输出；或者根据功率能量反馈信息，和输出激光模式信息，通过电机控制输出镜的三维移动，而使输出功率在热焦距大幅变化时时，保持最大、且以TEM00模式输出。
全文摘要
用谐振腔变换圆理论分析固体激光器热效应，设计反馈系统，自动监测激光输出参数(功率、能量和模式)，通过计算判断，调节激光腔的长度及腔镜的俯仰，以自动适应热透镜焦距引起的变化，使得激光器能在较低和较高功率泵浦时都能稳定运转，并根据需要可以在基横模(TEM
文档编号H01S3/109GK1905290SQ20061001458
公开日2007年1月31日 申请日期2006年7月3日 优先权日2006年7月3日
发明者宋峰, 伍雁雄, 张鑫, 覃斌, 田建国 申请人:南开大学