专利名称：晶体透镜自适应补偿热透镜激光谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一项固体激光器的热透镜补偿技术，其作用在于提高激光光束质量和输出功 率稳定性，属于激光技术领域。
背景技术：
大功率高亮度固体激光器其谐振腔的基本结构是，激光棒位于全反射镜和输出耦合镜之 间，与全反射镜相邻，偏振器位于光路上。这种激光器在大功率运转时不可避免地出现热透 镜效应，这一效应因积累在激光棒中的热能而产生，激光棒端面由平面变为凸球面，形成一 个等效透镜，也称为热透镜，在本专利申请中称之为激光棒热透镜，这一效应导致光束质量 下降。现有技术采用补偿的方式解决这一技术问题。 一篇刊登在《物理学报》2000， 49(8):1495~1498、题为"可自适应补偿热透镜效应的固体激光谐振腔"文献公开了一项解决方 案。该方案的特征在于，在激光谐振腔内加入一个短焦距透镜，固定于激光棒一端，激光棒 热透镜位于该短焦距透镜的焦点处，二者组成一个透镜组。短焦距透镜被设计为能够补偿激 光器在正常工作温度下所产生的热透镜效应。然而，在激光器工作过程中，谐振腔温度处在 变化中，这种变化具有随机性、波动性，因此，热透镜的焦距也随之变化。所以，这就需要 激光谐振腔能够实现自适应补偿，于是，该方案在变换圆图解方法分析基础上，采取轴移调 节一个腔镜的措施实现自适应补偿。该方案可以解决大功率高亮度固体激光器在热透镜效应 大幅度变化的情况下基本光学模的动力学稳定运行。
发明内容
现有技术存在的不足在于，在轴移调节过程中存在机械运动，严重影响系统稳定性。为 了克服现有技术的这一不足，实现固体激光器激光谐振腔热透镜自适应补偿，我们提出了一 项称为晶体透镜自适应补偿热透镜激光谐振腔的技术方案。
本发明是这样实现的，由电光晶体透镜与激光棒热透镜组成望远系统，电光晶体透镜置 于电场中，温度传感器与激光棒热透镜接触，并与温度-电压调制电路相连，温度-电压调制
电路还与电场电极相连，并且
Tiiu+zfe-^rofer。..............................(1)
式中ft是电光晶体透镜焦距，f2是激光棒热透镜焦距，d是电光晶体透镜和激光棒热透镜间距，E是电场强度，TV是激光棒热透镜温度。
本发明之技术效果在于，电光晶体透镜和激光棒热透镜相距d，并且d不变，公式(1) 中只有一个自变量Tr。当激光棒热透镜温度达到Tr值时，其焦距为f2，因此，f2是Tr的函数， 即有f2(T》；由温度传感器将这一Tr温度信号提供给温度-电压调制电路，由温度-电压调制 电路根据这一TV温度信号控制电场强度为E，因此，E也是TV的函数，即有E(T》；在强度
为E的电场的作用下，电光晶体透镜的焦距为&，因此，f,是E的函数，即有f![E (T》];
当fb &关系符合公式(1)，则电光晶体透镜与激光棒热透镜始终构成一个望远系统，或者
说电光晶体透镜始终根据来自激光棒热透镜的温度信号改变折射率ne。其焦距&随之改变， 并且电光晶体透镜的电光响应速度在ns量级，远远小于热驰豫时间，所以电光晶体透镜能够 随所施加电场强度E的变化迅速地对激光棒热透镜的热效应进行实时补偿。并且，这种补偿
来自于由电光晶体透镜和激光棒热透镜构成的光学系统内部，因此，这种补偿是一种自适应 补偿。并且没有机械运动，保证激光谐振腔稳定工作。改善了光束质量，保证系统稳定性。 为有助于理解本发明之方案，对该方案的由来进一步说明如下，在电光晶体透镜主轴方
向上加电场E，电光晶体透镜的焦距ft由公式(2)决定-
2 z
式中r为曲率半径，n^为在电场作用下的折射率，n为在未加电场时的折射率，y为电光系 数，E为电场强度。该公式表明晶体透镜焦距&是电场强度E的函数，即有f! (E)。 激光棒热透镜焦距f2公式(3)决定
<formula>formula see original document page 4</formula> (3)
式中A为横截面积，L为长度，化为半径，K为热导率，a为热膨胀系数，C为弹光系数， no为折射率，dn/dT为折射率随温度变化的变化率，Pa为耗散总热量，并且
<formula>formula see original document page 4</formula>.............................. (4)
式中F为表面积，h为表面的传热系数，Tr为表面温度，也就是激光棒热透镜温度，Tp为 谐振腔冷却液体温度。由公式(3)、 (4)可知激光棒热透镜焦距f2是表面温度Tr的函数，即 有f2 (Tr)。
另外，由电光晶体透镜和激光棒热透镜组成的光学系统的光焦度cp为-PU^2—却^2 .............................. (5)
式中化为电光晶体透镜的光焦度，CP2为激光棒热透镜的光焦度，d是电光晶体透镜和激光 棒热透镜的间距。当光焦度cp为零时，电光晶体透镜焦点F与激光棒热透镜焦点F2重合， 二者构成望远系统，当光学系统在空气屮时，光焦度cp是焦距f的倒数，于是有-
+ d^7T^ ""、 = 0 .............................. (6)
/i问y;&)/2(7;)
电场强度E由表面温度Tr调制，所以，电场强度E是表面温度Tr的函数，即有E(Tr)，所以
得出公式(1)。
图1是本发明晶体透镜自适应补偿热透镜激光谐振腔结构示意图，该图兼作为摘要附图。
图2是激光棒热透镜表面温度Tr与焦距f2关系曲线。图3是电场强度E与电光晶体透镜焦距 f,关系曲线。图4是激光棒热透镜表面温度Tr与电场强度E关系曲线。图5是温度-电压调制 电路中的温度采集与控制电路。图6是温度-电压调制电路中的精密高压电源电路。
具体实施例方式
见图1所示，本发明之晶体透镜自适应补偿热透镜激光谐振腔由电光晶体透镜1与激光 棒热透镜2组成望远系统，位于全反射镜3和输出耦合镜4之间。电光晶体透镜1置于电场 中。在电光晶体透镜1与全反射镜3之间的光路上还有偏振器5。温度传感器Ql与激光棒热 透镜2接触，并与温度-电压调制电路6相连。温度-电压调制电路6还与电场电极7相连。 所述结构符合公式(1)要求
+ ~7""^一d~"「 , y~~r^ = 0.............................. (l)
式中ft是电光晶体透镜l焦距，f2是激光棒热透镜2焦距，d是电光晶体透镜l和激光棒热 透镜2间距，E是电场强度，Tr是激光棒热透镜2温度。
电光晶体透镜1采用铌酸锂(LiNb03)制作，这种单轴晶体折射率随电场强度变化较大。 晶体的三个主轴分别为a、 b、 c。将晶体材料制作成透镜，应当使通光方向垂直于选定的一个 主轴，在晶体主轴方向上晶体的电光系数Y较大，选定主轴c，光束沿着另一个主轴方向传播， 如a或b。电场加在主轴c方向上，并且c轴方向也是激光的偏振方向，沿着c轴折射率发生 改变，而a和b轴方向折射率不变，这是因为电场在这两个轴的分量为零。电光晶体透镜l 折射率ne,与电场强度E的关系由公式(7)决定we, = w _三w W .............................. (7)
由此能够精确得出电场强度E改变时电光晶体透镜折射率nel的变化。
电光晶体透镜1采取正透镜或者负透镜，例如采取平凸透镜形式，凸面曲率半径r在 50 150cm范围内确定，例如选产100cm，两面镀1064nm增透膜，透过率大于99.8%，在未
加电场时的折射率^7=2.1(对于1064nm光垂直c轴方向入射)，电光系数^=5.4><10—7 m/V(对于
1064nm光平行a轴入射，电场方向平行c轴)。激光棒热透镜2采用Nd:YAG晶体制作，两 端面均镀1064nm增透膜，透过率大于99.9%，常温下尺寸取半径rG=l~10 mm，长度L=2~20 mm，例如半径r『1.5mm，长度L-4inm，热导率K=0.14W/cmQC，热膨胀系数a=7.5xlO—6/°C， 弹光系数C-0.017，折射率no-1.82，折射率随温度变化的变化率dn/dT=7.3xlO-6K—、表面的 传热系数11=1.5。另外，谐振腔冷却液体温度1>=20°<:。电光晶体透镜1和激光棒热透镜2 间距d=20~200 cm，例如d^40cm。全反射镜3是一种平面镜，尺寸为010x2 mm2，谐振腔 端镀1064nm反射膜，反射率大于99.9%，另一端不镀膜。输出耦合镜4为平面镜，尺寸为010x2 mm2，谐振腔端镀1064nm，透过率为10%，另一端镀1064 nm增透膜，透过率大于99.9%。 偏振器5的起偏方向与电光晶体透镜1的主轴c平行。
将上面数据代入公式(3)、 (4)可得到激光棒热透镜2表面温度TV与焦距f2关系曲线，见 图2所示，表明表面温度Tr升高导致激光棒热透镜2焦距&縮短。
将上面数据代入公式(2)可得到电场强度E与电光晶体透镜1焦距f\关系曲线，见图3所 示，表明电光晶体透镜l焦距f!随电场强度E的增强而单调递增，即电场强度E增强，电光 晶体透镜1焦距f！伸长。
将上面数据代入公式(l)可得到激光棒热透镜表面温度TV与电场强度E关系曲线，见图4 所示，表明表面温度TV升高导致电场强度E增强。
可见，当表面温度TV升高时，激光棒热透镜2焦距f2縮短，同时电光晶体透镜l焦距ft 伸长，并且，这一与焦距f2縮短相伴的焦距ft的伸长符合电光晶体透镜1和激光棒热透镜2 组成的光学系统的光焦度(p为零的要求，从而保证电光晶体透镜1焦点Fi与激光棒热透镜2 焦点F2始终重合，保持二者构成的望远系统不变，做到自适应补偿热透镜效应，消除热透镜 效应带来的影响。
温度-电压调制电路6设计为温度升高电压也升高的形式，并且符合公式(1)的要求。 温度-电压调制电路6由温度采集与控制电路和精密高压电源电路组成，见图5、图6所示。 温度传感器Q1与微处理器U1的1脚连接。由低噪声精密恒流电流源供电。低噪声精密恒流电流源供电由稳压芯片VR1和滤波电容C4组成，输入端与12V电源相连，输出端与温度传 感器Ql连接。滤波电容C4接在稳压芯片VR1的1脚和地之间，有效消除激光器的下扰噪 声。温度传感器Q1与激光棒热透镜2接触，温度测量范围为0度到250度，测试响应速度 可以达到0.1秒，精度可以达到0.5度。当激光棒热透镜2温度升卨时，温度传感器Q1的阻 值增大，温度传感器Q1的1端电压升高，微处理器U1采集温度传感器Q1输出的模拟电压 信号，在内部变换为数字信号，该数字信号采用查表法，获得一个相应的增大的PWM脉冲 信号，经过R8和C10组成的电压积分电路后，输出一个增大的直流电压信号，这个信号控 制脉宽控制芯片U2，提高输出电压。
C9、 R2、 Rl、 S1构成微处理器U1的复位电路。其中C9、 R2为微处理器Ul开机时的 上电复位电路部分，微处理器U1上电时，可从其RST端输出一个高电平脉冲，连接在微处 理器U1的9脚；Rl、 Sl为手动复位电路部分，可人为对微处理器U1进行复位。
C5、 C7、 Yl为微处理器U1的振荡电路，输出12MHz的时钟频率，它连接在微处理器 Ul的18脚和19脚之间，为微处理器U1提供机器时钟。
R8和C10组成电压积分电路，微处理器U1输出的脉宽调制信号连接到R8，然后经C10 输出直流信号，此电压积分电路输入端连接微处理器U1的22脚，输出端连接精密高压电源 电路的脉宽控制芯片U2的1脚。脉宽控制芯片U2输出PWM脉冲控制信号，通过R3与功 率型场效应晶体管Q2的栅极连接。
R12、 Rll组成电阻高压分压电路，C6、 C8组成电容高压分压电路，两者并联；高压分 压电路的分压端与脉宽控制芯片U2的2脚连接，高压端连接高压电极7正极输出端OUT+。
高频升压变压器Tl的初级与功率型场效应晶体管Q2连接，Dl和D5是功率型场效应晶 体管Q2尖峰电压脉冲的吸收元件，防止高频升压变压器T1输出的高压脉冲过高损坏功率型 场效应晶体管Q2。
可控硅Q3和R2组成过流保护电路，当电流过大吋，切断功率型场效应晶体管Q2的栅 极控制信号，切断电流，可以放置输出高压端的短路，保护高压电路不被烧毁。
D3、 D2、 D4、 C2、 Cl和C3组成三倍压升压电路，在C2和C3两端获得高压输出电压。 三倍压升压电路与高频升压变压器T1的次级连接。
Cll、 C12、 C13和C14组成高压滤波电路，R4、 R5、 R6和R7组成均压电阻电路，此 部分与三倍压升压电路输出端相连。输出精密高压电压，纹波可到0.1%，从高压电极7的正 极输出端OUT+和负极输出端OUT-两端引出，为电光晶体透镜1施加调制电场。
权利要求
1、一种晶体透镜自适应补偿热透镜激光谐振腔，激光棒位于全反射镜和输出耦合镜之间，与全反射镜相邻，偏振器位于光路上，其特征在于，由电光晶体透镜与激光棒热透镜组成望远系统，电光晶体透镜置于电场中，温度传感器与激光棒热透镜接触，并与温度-电压调制电路相连，温度-电压调制电路还与电场电极相连，并且式中f1是电光晶体透镜焦距，f2是激光棒热透镜焦距，d是电光晶体透镜和激光棒热透镜间距，E是电场强度，Tr是激光棒热透镜温度。
2、 根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，电光晶体透镜(1)采用铌酸锂制作。
3、 根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，电光晶体透镜(1)采取正透镜或者负透镜。
4、 根据权利要求3所述的激光谐振腔，其特征在于，电光晶体透镜(1)平凸透镜形式， 凸面曲率半径r=5(9~750cw。
5、 根据权利要求l所述的激光谐振腔，其特征在于，激光棒热透镜(2)采用iVc/:Z4G 晶体制作，常温下尺寸取半径"=/一0附附，长度￡=2~20附附。
6、 根据权利要求1所述的激光谐振腔，其特征在于，电光晶体透镜(1)和激光棒热透 镜(2)间距^^0 2Mcm。
全文摘要
晶体透镜自适应补偿热透镜激光谐振腔属于激光技术领域。现有技术除了采用一个短焦距透镜补偿热透镜效应外，还采取轴移调节一个腔镜的措施实现自适应补偿。在轴移调节过程中存在机械运动，严重影响系统稳定性。本发明是由电光晶体透镜与激光棒热透镜组成望远系统，电光晶体透镜置于电场中，温度传感器与激光棒热透镜接触，并与温度-电压调制电路相连，温度-电压调制电路还与电场电极相连。根据激光棒温度调制电光晶体透镜，实现自适应补偿热透镜。应用于固体激光器谐振腔中，改善光束质量，保证系统稳定性。
文档编号H01S3/08GK101414727SQ200810051540
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者吕彦飞, 姜中明, 宁国斌, 张喜和 申请人:长春理工大学