专利名称：实现高峰值功率输出的电光晶体透镜调q谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实现高峰值功率输出的电光晶体透镜调Q谐振腔，用于固体激光器，能够实现固体激光器高能量激光输出，属于激光技术领域。
背景技术：
Q开关技术是一项获得窄脉冲、高峰值功率激光输出的技术，其措施是在激光器谐 振腔振荡过程中高频率改变谐振腔Q值，又称谐振腔品质因子，形成高频振荡。电光晶体是 一种制作Q开关的材料，如铌酸锂晶体，所制作的Q开关具有开关速度快的特点，与偏振器 件结合，以2X105Hz的重复频率工作，获得窄脉冲、高峰值功率激光输出，峰值功率能够达 到几十兆瓦。但是，当峰值功率达到一定高度时，电光晶体Q开关消光比严重降低，电光晶 体的偏振特性丧失。因此，现有电光晶体调Q技术难以应用到高峰值功率固体激光器中，也 就不能获得高能量激光输出。然而，电光晶体电光响应时间在纳秒量级，最高重复频率可达 IO9Hz,由电光晶体调Q技术获得更高能量激光输出仍有可能。
发明内容
为了通过应用电光晶体调Q技术获得更高能量的激光输出，我们发明了一种实现 高峰值功率输出的电光晶体透镜调Q谐振腔，用于固体激光器，峰值功率可以达到百兆瓦 级，能够实现固体激光器更高能量的激光输出。本发明是这样实现的，见图1所示，电光晶体、激光棒1位于反射镜2、输出耦合镜 3之间，精密高压电源电路4的电场电极OUT+、OUT-为电光晶体施加电场，其特征在于，电 光晶体为电光晶体透镜5，位于反射镜2与激光棒1之间，并与激光棒1光学同轴；当谐振 腔工作时，激光棒1同时因热透镜效应成为等效透镜，电光晶体透镜5与该等效透镜构成一 个透镜组，并且，透镜组的总光焦度D为临界光焦度，见图2所示；温度传感器Ql与激光棒 1接触，并与温度采集与控制电路6相连，温度采集与控制电路6接精密高压电源电路4。本发明之技术效果在于，开启泵浦后，在谐振腔内发生光的振荡，在激光棒1上出 现热透镜效应，形成一个等效透镜，在谐振腔的正常工作温度下，电光晶体透镜5的焦点Fl 与等效透镜的焦点F2重合，二者构成一个望远系统，谐振腔处在稳定腔状态。由于透镜组 的总光焦度D为临界光焦度，当激光棒1温度一出现高于谐振腔的正常工作温度的情况，因 等效透镜焦距变短，进而望远系统受到破坏，透镜组的总光焦度D变小，谐振腔就转而处于 非稳腔状态，谐振腔内增益小于损耗，没有激光输出，这一过程相当于Q开关关闭。此时温 度传感器Ql将温升信号传送给温度采集与控制电路6，经处理后作为控制信号启动精密高 压电源电路4，通过电场电极OUT+、OUT-为电光晶体透镜5施加电场，使其焦距变长，恢复 原来的望远系统，谐振腔回到稳定腔状态，谐振腔内增益大于损耗，产生激光输出，这一过 程相当于Q开关开启，同时，因激光输出，激光棒1温度下降。在谐振腔的工作过程中，透镜 组的总光焦度D在临界光焦度值的附近周期性往复变化，谐振腔在稳定腔与非稳腔状态之 间周期性往复变化，实现电光晶体透镜调Q。
由前一段内容可知，本发明实现谐振腔调Q的过程与现有技术电光调Q完全不同， 与电光晶体自身消光比无关，当峰值功率达到百兆瓦级时，谐振腔仍能在高重复频率下工 作，如当电光晶体透镜5采用铌酸锂晶体时，由于铌酸锂晶体的电光响应时间在纳秒量级， 最高重复频率可达IO9Hz,实现了固体激光器的高能量激光输出。
图1是本发明之电光晶体透镜调Q谐振腔结构示意图，该图兼作为摘要附图。图2 是激光器谐振腔为平_平腔时光束远场发散角θ oi随透镜组总光焦度D变化关系曲线图。 图3是本发明之电光晶体透镜调Q谐振腔中的温度采集与控制电路的电路图。图4是本发 明之电光晶体透镜调Q谐振腔中的精密高压电源电路的电路图。
具体实施例方式本发明是这样实现的，见图1所示，电光晶体、激光棒1位于反射镜2、输出耦合 镜3之间，精密高压电源电路4的电场电极OUT+、OUT-为电光晶体施加电场。激光棒1采 用Nd:YAG晶体制成，两端面均镀1064nm增透膜，透过率大于99. 9 %，常温尺寸半径rO在 1 10mm、长度L在2 20mm范围内确定，例如rQ = 1. 5mm,L = 4mm ；激光棒1热导率K = 0. 14ff/cm°C，热膨胀系数a = 7. 5 X 10_6,C，弹光系数C = O. 017，折射率n0 = 1. 82，折射率 随温度变化的变化率dn/dT = 7. 3X KT6IT1,表面的传热系数h = 1. 5。反射镜2是一种圆 片状平面镜，直径为Φ 10mm,厚2mm，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3也是一种圆片状平面镜，直径为①川讓，厚？讓，谐振腔端镀^^如!!!， 透射率为30%，另一端镀1064nm增透膜，透射率大于99. 9%。反射镜2与输出耦合镜3构 成一个平行平面腔，即平-平腔。电光晶体为电光晶体透镜5，位于反射镜2与激光棒1之 间，并与激光棒1光学同轴。电光晶体透镜5为正透镜，例如采用凸透镜形式，曲率半径r 在50 150cm范围内确定，例如选取r = 100cm,在其两端镜面镀1064nm增透膜，透过率大 于99.9% ；其未加电场时的折射率η = 2. l，1064nm光垂直c轴方向入射，电光系数、= 5. 4X 10_7m/v，1064nm光平行a轴方向入射，电场方向平行c轴。当谐振腔工作时，激光棒 1同时因热透镜效应成为等效透镜，电光晶体透镜5与该等效透镜构成一个透镜组，激光棒 1等效透镜与电光晶体透镜5的间距d在20 200cm范围确定，例如d = 140cm。并且，透 镜组的总光焦度D为临界光焦度，见图2所示。谐振腔冷却液体温度Tf = 20°C。温度传感 器Ql与激光棒1接触，并与温度采集与控制电路6相连，温度采集与控制电路6接精密高 压电源电路4，见图3、图4所示。透镜组的总光焦度D由公式(1)决定D = DJD11-ClD1D11(1)式中=D1为电光晶体透镜5光焦度，D11为激光棒1等效透镜光焦度，d为激光棒1 等效透镜与电光晶体透镜5的间距。电光晶体透镜5光焦度D1由公式⑵决定n nel-l n'2 椒r 、
Di=-=--(2)
rrv ^式中有关电光晶体透镜5的参数的含义r为曲率半径，为在电场作用下的折射率，η为未加电场时的折射率，Y为电光系数，E为电场强度。由此可知电光晶体透镜5 的光焦度D1是电场强度E的函数。将本说明书具体实施方式
部分第一段的数据代入公式 (2)，可知施加在电光晶体透镜5两端的电压增加时，电光晶体透镜5的焦距变长、光焦度变 小。激光棒1等效透镜光焦度D11由公式(3)决定
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中有关激光棒1的参数的含义A为横截面积，L为长度，Γ(ι为半径，K为热导率， a为热膨胀系数，C为弹光系数，n0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 6</formula>式中有关激光棒1的参数的含义F为表面积，h为表面的传热系数，T,为温度 ’另 夕卜，式中的Tf为谐振腔冷却液体温度。将本说明书具体实施方式
部分第一段的数据代入公 式(3)、(4)，可知随激光棒1温度升高，激光棒1等效透镜的焦距变短、光焦度变大。在平-平腔中，因谐振腔腔长等参数的不同，谐振腔会在第一工作区或者第二工 作区工作，工作区为动力稳定区，见图2所示，位于光束远场发散角θ oi随透镜组总光焦度 D变化的U形关系曲线对应的区域。对于每一个工作区，都有两个动力敏感区，对应的光焦 度Dp D2、D3、D4为临界光焦度，分别由公式(5)、(6)、(7)、(8)决定
<formula>formula see original document page 6</formula>式中=Cl1为透镜组到反射镜2的距离，d2为透镜组到输出耦合镜3的距离。当透镜组的总光焦度D介于D1与D2之间，或者介于D3与D4之间时，谐振腔处在稳 定腔状态。而当透镜组的总光焦度D小于D1，或者介于D2与D3之间，或者大于D4时，谐振 腔处在非稳腔状态。而当透镜组的总光焦度D为临界光焦度DpD2、D3、D4之一时，谐振腔工 作在四个动力敏感区之一，谐振腔都会在稳定腔状态、非稳腔状态之间变化。本发明限定透 镜组的总光焦度D为临界光焦度，因此，令透镜组总光焦度D等于Di、D2、D3、D4之一，即可实 现本发明之电光晶体透镜调Q技术效果。于是，令D = D1 = O,再根据公式(2)、(3)、(4)、 (1)以及本说明书具体实施方式
部分第一段的数据，求得本发明之实现高峰值功率输出的 电光晶体透镜调Q谐振腔中的一个主要参数激光棒1等效透镜与电光晶体透镜5的间距d， 结果为d = 140cm。为了保持透镜组的总光焦度D为临界光焦度，如D = 0，即保持透镜组为一个望远 系统，当激光棒1温度升高时，温度传感器Ql将温升信号传送给温度采集与控制电路6，经 处理后作为控制信号启动精密高压电源电路4，通过电场电极0UT+、0UT-为电光晶体透镜5 施加电场，使其焦距变长，恢复原来的望远系统。温度传感器Q1、温度采集与控制电路6、精密高压电源电路4、电场电极OUT+、OUT-的工作状态为，见图3、图4所示，温度传感器Ql探测温升信号，使用恒流电流源供电，与微处理器Ul的1脚连接。VRl和C4组成低噪声精密 恒流电流源，输入端与12V电源相连，输出电流与Ql连接。电容C4为温度传感器Ql的滤 波电容，接在Ql的1脚和3脚之间，有效消除激光器的干扰噪声。温度传感器Ql的温度测 量范围为O度到250度，温度传感器Ql与激光棒1接触，测试温度响应速度为10_7秒，精度 为0.5度。C9、R2、R1、S1为Ul的复位电路。其中C9、R2为单片机开机时的上电复位电路 部分，Ul上电时，从RST端输出一个高电平脉冲，连接在Ul的9脚；R1、S1为手动复位电路 部分，人为将单片机复位。C5、C7、Yl为Ul的振荡电路，输出12MHz的时钟频率，它连接在 Ul的18脚和19脚，为Ul提供机器时钟。R8和ClO组成电压积分电路，Ul输出的脉宽调 制信号连接到R8，然后ClO输出直流信号，此电压积分电路输入连接Ul的22脚，输出连接 U2的1脚。U2为高压电路的脉宽控制芯片，输出PWM脉冲控制信号，通过R3与Q2的栅极 连接；R12、R11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；分压电路 的分压端与U2的2脚连接，高压端连接高压正极输出。U2的13脚为使能控制端，当13脚 电压为OV时，U2不工作；当13脚的电压为5V时，U2立即产生P丽信号输出。PORT端口与 U2的13脚相连，和外部触发脉冲相连接，让U2受外部信号的控制。Tl为高频升压变压器， 初级与Q2连接。Q2为功率型场效应晶体管，Dl和D5是Q2尖峰电压脉冲的吸收元件，防止 Tl输出的高压脉冲过高损坏Q2。Q3和R2组成过流保护电路，当电流过大时，切断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、C1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，升压电路与Tl的次 级连接。C11、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 分与三倍压电路输出相连。输出精密高压电压，纹波可到0. 1%，从电场电极0UT+、0UT-引 出ο
权利要求
一种实现高峰值功率输出的电光晶体透镜调Q谐振腔，电光晶体、激光棒(1)位于反射镜(2)、输出耦合镜(3)之间，精密高压电源电路(4)的电场电极OUT+、OUT-为电光晶体施加电场，其特征在于，电光晶体为电光晶体透镜(5)，位于反射镜(2)与激光棒(1)之间，并与激光棒(1)光学同轴；当谐振腔工作时，激光棒(1)同时因热透镜效应成为等效透镜，电光晶体透镜(5)与该等效透镜构成一个透镜组，并且，透镜组的总光焦度D为临界光焦度；温度传感器Q1与激光棒(1)接触，并与温度采集与控制电路(6)相连，温度采集与控制电路(6)接精密高压电源电路(4)。
2.根据权利要求1所述的电光晶体透镜调Q谐振腔，其特征在于，电光晶体透镜(5)为 正透镜。
3.根据权利要求1所述的电光晶体透镜调Q谐振腔，其特征在于，激光棒(1)等效透镜 与电光晶体透镜(5)的间距d在20 200cm范围确定。
4.根据权利要求1所述的电光晶体透镜调Q谐振腔，其特征在于，透镜组的总光焦度D 由下式决定D = DfD11-ClD1D11,式中=D1为电光晶体透镜(5)光焦度，D11为激光棒⑴等效透镜光焦度，d为激光棒 (1)等效透镜与电光晶体透镜(5)的间距。
5.根据权利要求4所述的电光晶体透镜调Q谐振腔，其特征在于，电光晶体透镜(5)光 焦度D1由下式决定<formula>formula see original document page 2</formula>式中有关电光晶体透镜(5)的参数的含义r为曲率半径，Iiel为在电场作用下的折射 率，η为未加电场时的折射率，y为电光系数，E为电场强度。
6.根据权利要求4所述的电光晶体透镜调Q谐振腔，其特征在于，激光棒(1)等效透镜 光焦度D11由下式)决定<formula>formula see original document page 2</formula>式中有关激光棒(1)的参数的含义A为横截面积，L为长度，r0为半径，K为热导率，a 为热膨胀系数，C为弹光系数，n0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Pa = Fh(Tr-Tp),式中有关激光棒(1)的参数的含义F为表面积，h为表面的传热系数， ；为温度；另外， 式中的Tf为谐振腔冷却液体温度。
7.根据权利要求1或者4所述的电光晶体透镜调Q谐振腔，其特征在于，在平_平腔 中，透镜组的总光焦度D为分别与四个动力敏感区对应的临界光焦度Dp D2、D3、D4之一，并 且<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>,<formula>formula see original document page 3</formula>式中吨为透镜组到反射镜(2)的距离，d2为透镜组到输出耦合镜(3)的距离。
全文摘要
实现高峰值功率输出的电光晶体透镜调Q谐振腔属于激光技术领域。现有技术采用电光晶体Q开关，与偏振器件结合，当峰值功率达到一定高度时，电光晶体Q开关消光比严重降低，电光晶体的偏振特性丧失，不能获得高能量激光输出。本发明其特征在于，电光晶体为电光晶体透镜，位于反射镜与激光棒之间，并与激光棒光学同轴；当谐振腔工作时，激光棒同时因热透镜效应成为等效透镜，电光晶体透镜与该等效透镜构成一个透镜组，并且，透镜组的总光焦度D为临界光焦度；温度传感器Q1与激光棒接触，并与温度采集与控制电路相连，温度采集与控制电路接精密高压电源电路。本发明用于固体激光器，能够实现固体激光器高能量激光输出。
文档编号H01S3/10GK101820131SQ201010138240
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者吕彦飞, 陈跻峰 申请人:长春理工大学