CN100468888C - 一种激光棒热透镜效应的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光棒热透镜效应的补偿方法，特点是将激光器中光学谐振腔的全反射镜设置成向激光棒方向凸起的凸面镜，在全反射镜上设置由步进马达驱动的移动机构，步进马达由控制电脑控制驱动，使全反射镜与激光棒之间的距离为a＝f-R/2-d/2n，其中，R为全反射镜的曲率半径，d为激光棒的长度，n为激光棒的折射率，f为热透镜焦距，优点在于结构简单，不需要附加的补偿装置，不会使光学谐振腔内的激光损耗增加，不影响激光能量转换效率，在确定了全反射镜的曲率半径后，就可以利用电脑控制激光器重复频率N和泵浦能量密度E_p，利用电脑驱动步进马达带动球面镜沿着光轴平移，自动驱动马达实现完全自动补偿。

Description

一种激光棒热透镜效应的补偿方法

技术领域

本发明涉及一种固体激光器中的激光棒，尤其是涉及一种固体激光器中的激光棒热透镜效应的补偿方法。

背景技术

现有的现有的固体激光器在运转过程中吸收泵浦光能量，除小部分以激光方式输出外，大多数能量转变为热并沉积在激光工作物质内使其产生温升，在不断重复泵浦和热传导作用下，工作物质内温度梯度不断增加，直到发热功率与冷却液带走热量相等时达到热平衡。工作物质中温度梯度的存在使原本折射率完全均匀的工作物质变为类透镜介质，光束通过工作物质后发生聚焦，俗称为热自聚焦。在对称泵浦的情况下，园柱形激光棒成为类球透镜，其主平面到焦点的距离称为热透镜焦距。热自聚焦不但使激光束发散角迅速增加，更为严重的是会在工作物质内部产生实焦点，它将在材料内部产生激光损伤。为了减轻热透镜效应对激光器件的影响，目前广泛采用将工作物质端面磨成凹面以作补偿，但只能对特定泵浦功率下的特定的热透镜效应进行补偿。为此，人们设法寻找外加的附加补偿装置来实现热透镜效应的补偿，如2003年8月27日公告授权02266147.6号中国实用新型专利说明书中公开了一种补偿方法，在固体激光介质(相当于本发明中的激光棒)与输出镜之间设置一由步进电机驱动的补偿透镜，补偿透镜根据固体激光介质功率的大小，由步进电机驱动前后移动调整补偿透镜的位置。该补偿装置的所应用的光学原理是使激光介质与补偿透镜之间的距离始终保持为热透镜焦距与补偿透镜焦距之和，即使热透镜与补偿透镜形成开普勒望远镜，由此来达到补偿固体激光介质的热透镜效应，使不稳定腔变为稳定腔，高功率的激光输出具有较好的稳定性和光束质量的目的。但是上述的补偿装置也存在以下问题：该补偿装置的补偿方法是使棒与透镜之距离等于“热透镜焦距与透镜焦距之和”即热透镜与透镜形成开普勒望远镜，该补偿装置只有当热透镜焦距很小时，“热透镜焦距与透镜焦距之和”可为实际激光器件采用，当热透镜焦距较大(如几米)时，“热透镜焦距与透镜焦距之和”相当大，难于为实际激光器件采用；光学谐振腔内插入光学元件使激光损耗增加，会导至激光能量转换效率下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种不用外加光学元件就能实现对固体激光器中的激光棒热透镜效应进行补偿的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种激光棒热透镜效应的补偿方法，将激光器中光学谐振腔的全反射镜设置成向激光棒方向凸起的凸面镜，在所述的全反射镜上设置由步进马达驱动的移动机构，所述的步进马达由控制电脑控制驱动，使所述的全反射镜与所述的激光棒之间的距离为a＝f-R/2-d/2n，其中，R为全反射镜的曲率半径，d为激光棒的长度，n为激光棒的折射率，f为热透镜焦距，它满足公式 $f=\frac{2\mathrm{\κ}}{N(\mathrm{\β}+P)\mathrm{\χ}{E}_{p}d},$ 其中，κ、β、P、χ、d分别为激光棒材料的热传导系数、折射率温度系数、应力热光系数、发热效率和激光棒的长度，N为激光器的重复频率，Ep为泵浦能量密度，选取N为激光器重复频率的任意值，选取Ep为泵浦能量密度的任意值，此时利用上述公式求出热透镜焦距的任意值f，当f小于200cm时(例如对重复频率钕玻璃激光器、高平均功率YAG激光器)，可将所述的全反射镜的曲率半径R设置成等于f；当f大于等于200cm时(例如中低平均功率YAG激光器)，可将所述的全反射镜的曲率半径R设置成等于1.8f。

上述的补偿方法包括下述具体步骤：①将激光工作物质的折射率温度系数、折射率、应力热光系数、发热效率、热传导系数和激光棒长度及相关公式和条件编成程序送入电脑；②利用电脑控制激光器重复频率N和泵浦能量密度E_p，并利用公式 $f=\frac{2\mathrm{\κ}}{N(\mathrm{\β}+P)\mathrm{\χ}{E}_{p}d}$ 来确定激光棒达到热平衡时的热透镜焦距；③由电脑利用公式a＝f-R/2-d/2n计算出实现热透镜补偿时凸面全反射镜与激光棒之间的距离，然后利用电脑驱动步进马达带动凸面全反射镜沿着光轴平移到对热透镜补偿时的位置，实现完全自动补偿。

与现有技术相比，本发明的优点在于结构简单，不需要附加的补偿装置，不会使光学谐振腔内的激光损耗增加，不影响激光能量转换效率，在确定了全反射镜的曲率半径后，就可以利用电脑控制激光器重复频率N和泵浦能量密度E_p，利用电脑驱动步进马达带动球面镜沿着光轴平移，自动驱动马达实现完全自动补偿。

附图说明

图1为使用本发明的补偿方法的激光器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图所示，其中1为镀1053nm波长的全反膜球面镜，2为φ8×200的N3122磷酸盐钕玻璃激光棒，3为激光输出耦合镜。玻璃激光棒体积为10cm³，设泵浦能量密度E_p＝20J/cm³，重复频率为N＝5Hz，将N3122玻璃的发热效率χ＝0.08、折射率温度系数β＝-4.3×10^-6/℃，应力热光系数P＝5.8×10^-6/℃、热传导系数κ＝0.0056W/cm℃、棒长d＝20cm代入公式 $f=\frac{2\mathrm{\κ}}{N(\mathrm{\β}+P)\mathrm{\χ}{E}_{p}d}$ 得到玻璃棒2的热透镜焦距为f＝47cm，取球面镜1的曲率半径R＝47cm，将f、d值和激光玻璃折射率n＝1.53代入a＝0.5f-d/2n得到玻璃棒2的热透镜补偿距离a＝17cm。对不同泵浦能量密度E_p或不同重复频率N，使用计算机可分别计算相应热透镜焦距f，并利用公式a＝f-R/2-d/2n计算出相应的补偿位置a。

实施例二：如图所示，其中1为镀1064nm全反膜的球面镜，2为φ6×100的YAG激光棒，3为激光输出耦合镜。设定泵浦能量密度E_p＝15J/cm³，重复频率为N＝10Hz，将YAG发热效率χ＝0.05、折射率温度系数β＝7.3×10^-6/℃、应力热光系数P＝8×10^-6/℃、热传导系数κ＝0.13W/cm℃、棒长d＝10cm代入公式 $f=\frac{2\mathrm{\κ}}{N(\mathrm{\β}+P)\mathrm{\χ}{E}_{p}d}$ 得到所述玻璃棒的热透镜焦距为f＝227cm，取球面镜1的曲率半径R＝1.8f＝409cm，并将f、d值和激光玻璃折射率n＝1.82代入a＝0.1f-d/2n得到补偿位置a＝20cm。对不同泵浦能量密度E_p或不同重复频率N，使用计算机可分别计算相应热透镜焦距f，并利用公式a＝f-R/2-d/2n计算出相应的补偿位置a。

Claims (2)

1.一种激光棒热透镜效应的补偿方法，其特征在于将激光器中光学谐振腔的全反射镜设置成向激光棒方向凸起的凸面镜，在所述的全反射镜上设置由步进马达驱动的移动机构，所述的步进马达由控制电脑控制驱动，使所述的全反射镜与所述的激光棒之间的距离为a＝f-R/2-d/2n，其中，R为全反射镜的曲率半径，d为激光棒的长度，n为激光棒的折射率，f为热透镜焦距，它满足公式 $f=\frac{2\mathrm{\κ}}{N(\mathrm{\β}+P)\mathrm{\χ}{E}_{p}d},$ 其中，κ、β、P、χ、d分别为激光棒材料的热传导系数、折射率温度系数、应力热光系数、发热效率和激光棒的长度，N为激光器的重复频率，Ep为泵浦能量密度，选取N为激光器重复频率的任意值，选取Ep为泵浦能量密度的任意值，此时利用上述公式求出热透镜焦距的任意值f，当f小于200cm时，将所述的全反射镜的曲率半径R设置成等于f，当f大于等于200cm时，所述的全反射镜的曲率半径R设置成等于1.8f。

2.根据权利要求1所述的一种激光棒热透镜效应的补偿方法，其特征在于它包括下述具体步骤：①将激光工作物质的折射率温度系数、折射率、应力热光系数、发热效率、热传导系数和激光棒长度及相关公式和条件编成程序送入电脑；②利用电脑控制激光器重复频率N和泵浦能量密度E_p，并利用公式 $f=\frac{2\mathrm{\κ}}{N(\mathrm{\β}+P)\mathrm{\χ}{E}_{p}d}$ 来确定激光棒达到热平衡时的热透镜焦距；③由电脑利用公式a＝f-R/2-d/2n计算出实现热透镜补偿时凸面全反射镜与激光棒之间的距离，然后利用电脑驱动步进马达带动凸面全反射镜沿着光轴平移到对热透镜补偿时的位置，实现完全自动补偿。

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