晶体透镜自适应补偿热透镜激光谐振腔

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。

说明书

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：

$\frac{1}{f_1\left[E\left(T_r\right)\right]}+\frac{1}{f_2\left(T_r\right)}-d\frac{1}{f_1\left[E\left(T_r\right)\right]}\frac{1}{f_2\left(T_r\right)}=0.............................\left(1\right)$

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，T_r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T_r。当激光棒热透镜温度达到T_r值时，其焦距为f₂，因此，f₂是T_r的函数，即有f₂(T_r)；由温度传感器将这一T_r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T_r温度信号控制电场强度为E，因此，E也是T_r的函数，即有E(T_r)；在强度为E的电场的作用下，电光晶体透镜的焦距为f₁，因此，f₁是E的函数，即有f₁[E(T_r)]；当f₁、f₂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n_el，其焦距f₁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f₁由公式(2)决定：

$f_1=\frac{r}{n_{\mathrm{el}}-1}=\frac{r}{n-\frac{1}{2}{n}^3\mathrm{\gamma E}-1}..............................\left(2\right)$

式中：r为曲率半径，n_el为在电场作用下的折射率，n为在未加电场时的折射率，γ为电光系数，E为电场强度。该公式表明晶体透镜焦距f₁是电场强度E的函数，即有f₁(E)。

激光棒热透镜焦距f₂公式(3)决定：

$f_2=\frac{\mathrm{KA}}{P_a}{(\frac{1}{2}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+\mathrm{aC}{n}_0^2+\frac{{\mathrm{ar}}_0(n_0-1)}{L})}^{-1}.............................\left(3\right)$

式中：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，P_a为耗散总热量，并且：

P_a＝Fh[T_r-T_F]    ..............................(4)

式中：F为表面积，h为表面的传热系数，T_r为表面温度，也就是激光棒热透镜温度，T_F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T_r的函数，即有f₂(T_r)。

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为：

式中：为电光晶体透镜的光焦度，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。当光焦度为零时，电光晶体透镜焦点F₁与激光棒热透镜焦点F₂重合，二者构成望远系统，当光学系统在空气中时，光焦度是焦距f的倒数，于是有：

$\frac{1}{f_1\left(E\right)}+\frac{1}{f_2\left(T_r\right)}-d\frac{1}{f_1\left(E\right)}\frac{1}{f_2\left(T_r\right)}=0..............................\left(6\right)$

电场强度E由表面温度T_r调制，所以，电场强度E是表面温度T_r的函数，即有E(T_r)，所以得出公式(1)。

附图说明

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T_r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f₁关系曲线。图4是激光棒热透镜表面温度T_r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Q1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：

$\frac{1}{f_1\left[E\left(T_r\right)\right]}+\frac{1}{f_2\left(T_r\right)}-d\frac{1}{f_1\left[E\left(T_r\right)\right]}\frac{1}{f_2\left(T_r\right)}=0.............................\left(1\right)$

式中：f₁是电光晶体透镜1焦距，f₂是激光棒热透镜2焦距，d是电光晶体透镜1和激光棒热透镜2间距，E是电场强度，T_r是激光棒热透镜2温度。

电光晶体透镜1采用铌酸锂(LiNbO₃)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γ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1折射率n_el与电场强度E的关系由公式(7)决定：

$n_{\mathrm{el}}=n-\frac{1}{2}{n}^3\mathrm{\gamma E}..............................\left(7\right)$

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n_el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r＝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n＝2.1(对于1064nm光垂直c轴方向入射)，电光系数γ＝5.4×10^-7m/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r₀＝1～10mm，长度L＝2～20mm，例如半径r₀＝1.5mm，长度L＝4mm，热导率K＝0.14W/cm℃，热膨胀系数a＝7.5×10^-6/℃，弹光系数C＝0.017，折射率n₀＝1.82，折射率随温度变化的变化率dn/dT＝7.3×10^-6K^-1，表面的传热系数h＝1.5。另外，谐振腔冷却液体温度T_F＝20℃。电光晶体透镜1和激光棒热透镜2间距d＝20～200cm，例如d＝140cm。全反射镜3是一种平面镜，尺寸为Φ10×2mm²，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Φ10×2mm²，谐振腔端镀1064nm，透过率为10％，另一端镀1064nm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T_r与焦距f₂关系曲线，见图2所示，表明表面温度T_r升高导致激光棒热透镜2焦距f₂缩短。

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f₁关系曲线，见图3所示，表明电光晶体透镜1焦距f₁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f₁伸长。

将上面数据代入公式(1)可得到激光棒热透镜表面温度T_r与电场强度E关系曲线，见图4所示，表明表面温度T_r升高导致电场强度E增强。

可见，当表面温度T_r升高时，激光棒热透镜2焦距f₂缩短，同时电光晶体透镜1焦距f₁伸长，并且，这一与焦距f₂缩短相伴的焦距f₁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为零的要求，从而保证电光晶体透镜1焦点F₁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Q1连接。滤波电容C4接在稳压芯片VR1的1脚和地之间，有效消除激光器的干扰噪声。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温度升高时，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、R1、S1构成微处理器U1的复位电路。其中C9、R2为微处理器U1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；R1、S1为手动复位电路部分，可人为对微处理器U1进行复位。

C5、C7、Y1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U1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、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；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T1的初级与功率型场效应晶体管Q2连接，D1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，当电流过大时，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、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。三倍压升压电路与高频升压变压器T1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。