CN100479274C - 一种标准具控温装置 - Google Patents

Abstract

一种用于激光器的标准具控温装置，包括热沉(1)、控制元件(2)、被控制单元(3)、传感器(4)和温度控制电路(5)，所述的被控制单元(3)用导热材料制成，标准具(10)和传感器(4)置于其中；所述的控制元件(2)是中心设有通光孔的半导体制冷片，半导体制冷片的吸热面与被控制单元(3)的一个表面紧密接触，半导体制冷片的散热面与热沉(1)的一个表面紧密接触；在热沉(1)和被控制单元(3)的中心都设有通光孔，并与控制元件(2)上的孔相重合。该标准具控温装置具有结构紧凑、控制范围宽、控温精度高、易于快速控温和可以长时间可靠运转等优点。

Description

一种标准具控温装置

技术领域

本发明涉及激光器，具体是一种用于激光器的标准具控温装置。

背景技术

激光二极管(LD)泵浦的掺钕基质激光器经过腔内倍频获得的单频激光在许多领域有着广泛的应用，特别是近几年量子信息、量子网络和有关研究领域对作为泵浦源的单频绿光激光器的质量和功率提出愈来愈高的要求。在高功率激光器中一般采用环形腔选模的方法实现单频输出，但是，在的高功率内腔倍频激光器中，仅用环形腔选模不能获得稳定的单纵模振荡。

为了获得模式稳定的单纵模激光器，我们需要在激光谐振腔内插入一个光学滤波器来压窄增益晶体的受激发射带宽(基本原理见Applied Optics上文章“Four watt long-term stableintracavity frequency doubling Nd：YVO₄ laser of single-frequency operation pumped by a fiber-coupledlaser-diode”46(5336)，2007)。光学滤波器有许多种类，其中使用最多、最普遍的一种是标准具。标准具有许多类型，早期的标准具在美国专利No：4081760和No：4097818中已有描述，它是由中间有空气隙的一对棱镜组成，其中一个棱镜固定，另一个棱镜被固定到一个压电陶瓷上。当给压电陶瓷施加一个高压电场时，空气隙的宽度发生变化，从而引起标准具透射峰的变化。与固片式标准具相比，这种标准具的成本较高，而且也不易小型化，因此不便在谐振腔内使用。最简单的一种标准具是由两个通光面相互平行的石英玻璃片(固片式标准具)，石英玻璃片的两个表面的反射光相互干涉是光学滤波器的基本原理，由于多光束干涉，只有某些特定频率的光能透过标准具在腔内往返传播，因而具有较小的损耗。其他频率的光因不能透过标准具而具有很大的损耗。在实际工作中，为了获得更高转化效率标准具的透射峰应该与谐振腔决定的纵模和增益曲线的中心重合。

标准具对不同波长的光束具有不同的透过率，即选择性损耗。这样当谐振腔内插入标准具后，它只对满足干涉相长的那些频率的光损耗较小，而对其它频率的光有较大损耗。如果标准具的透射峰不在增益曲线的峰值上时，就会引入较大的内腔损耗。实际中常采用两种方法调节标准具的透射峰：一种方法是调节光线在标准具表面的入射角，调节标准具的角度能够引起较大的走离损耗，而且不易控制。另一种方法是调节标准具的温度，标准具被固定在谐振腔内，减小了活动部件带来的不可靠性，同时温度也较角度容易控制。因此，为了获得较高的转化效率和好的功率稳定性，稳定地控制标准具的温度到某个值是必要的。

美国专利No：5048031公开了一种典型的标准具温度控制装置(见图1和图2)。在这个设计中，标准具10放置在装置中间的圆柱筒子11中。四个径向方向的支架12用来支撑放置标准具的圆柱筒子11，最外面的圆柱体13用来支撑支架12。标准具的温度通过放置在圆柱筒子11外表面的四个电阻加热器14来实现。温度传感器15放置在圆柱筒子11的外表面，用来采样标准具的温度。电阻加热器和传感器都通过导线连接到控制电路中。但是上述设计具有一些缺点。如电阻加热器只能制热，不能制冷，温度过高时只能通过炉子向外界的自然散热来降低炉体温度，所以不宜快速控制，而且不能控制标准具10的温度到零度以下；另外，控制元件和传感器都放置在圆柱筒子的外围，远离标准具的中心区域，因此不能精确控温，也会由于标准具表面受热不均匀而损坏标准具；这种装置较大的体积不易放入激光器谐振腔中使用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种结构紧凑、控制范围宽、控温精度高、易于快速控温和可以长时间可靠运转的用于激光器的标准具控温装置。

本发明提供的一种标准具控温装置，包括热沉、控制元件、被控制单元、传感器和温度控制电路，其特征在于所述的被控制单元用导热材料制成，标准具和传感器置于其中；所述的控制元件是中心设有通光孔的半导体制冷片，半导体制冷片的吸热面与被控制单元的一个表面紧密接触，半导体制冷片的散热面与热沉的一个表面紧密接触；在热沉和被控制单元的中心都设有通光孔，并与控制元件上的孔相重合。

所述控制元件、热沉和被控制单元上的通光孔的大小与标准具上光斑的大小有关，标准具上的光斑较大时，选择较大的通过孔；标准具上的光斑较小时，选择较小的通光孔。通光孔的大小与光斑的大小相匹配可以保证温度控制的精度。

所述的被控制单元与标准具接触的表面可以垫有耐高温的导热橡胶垫，这样既能保证有效控温，又能防止被控制单元和标准具直接接触而损坏标准具，当然也可以采用导热硅脂或铟箔来进一步提高他们之间的热传导性能。

所述的温度控制电路的输出是双向恒流输出，它作为半导体制冷片的驱动源。半导体制冷片由N型和P型两种半导体热电偶组成，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能发生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。通过改变供给电流的方向就可以实现加热或制冷，吸收热量和放出热量的大小由电流大小决定。这样，温度控制电路根据设置温度端电压值和传感器采集回来的温度当前电压值比较，由控制电路来决定输出电流的方向和大小。因此，标准具可以工作在室温以下，这就扩大了标准具的温度范围。

所述的热沉由紫铜或银制成，紫铜和银都有很好的热导性，可以使被控制元件的各个部分受热均匀。其形状可以是块状、散热片状或水箱，分别适用于不同的条件，当标准具的发热量较小时，可以选用块状热沉。随着散热量的增大，可以依次选用散热片状，散热片加风扇或水箱等作为热沉。需要控制高温时，可以把热沉设置成电阻加热器，从而提高热沉的温度。常温控制中，水箱中的液体可以是水。低温控制中，水箱中的液体可以是酒精。

所述的被控制单元用导热材料制成，所述的导热材料是紫铜或银。

也可在被控制单元的一个表面与半导体制冷片的吸热面之间通过铟箔紧密接触。在热沉的一个表面与半导体制冷片的散热面之间通过铟箔紧密接触。

与现有技术相比，本发明设计的标准具控温装置有以下优点：

1.温度控制装置的截面大小可以与标准具的大小相当，克服了现有技术中温度控制装置体积大的缺陷，特别适合在“8”字环形谐振腔中使用。

2.半导体制冷片可以实现双向温度控制，这样就拓宽了温度控制装置的控制范围。

3.半导体制冷片可以实现双向温度控制，实际温度高于设定温度时不需要依靠自然散热来达到热平衡，因此能够快速控制标准具的温度。

4.控制元件靠近标准具的工作区域，可以获得更高的温度控制精度。

5.控制元件与被控制单元之间是面接触，被控制单元与标准具之间也是面接触，保证了标准具各部分受热均匀和装置的可靠运转。

总之，本发明具有结构紧凑、控温范围宽、可快速控制、控制精度高和性能稳定等优点，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1美国专利No：5048031中标准具控温装置的正视图

图2美国专利No：5048031中标准具控温装置的剖视图

图3本发明标准具控温装置的正视图

图4是图3标准具控温装置的A-A剖视图

图5是标准具温度控制装置的电路原理图

图6是装有本发明标准具温控装置的单频激光器的光路图。

图7是装有本发明标准具温控装置的单频激光器的6小时功率稳定性曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

图3和图4，是本发明标准具温控装置的示意图和剖面图，图中，标准具10由两个通光面相互平行的K9玻璃制成，标准具10的尺寸为φ15×0.5mm。在标准具10的两个通光面上分别垫上内径为5mm、外径为15mm的环状铟箔6后，放置在被控制单元3中。被控制单元3由两块紫铜材料组成，在两片紫铜接触的表面做有大小与标准具10相当的凹面，凹面内放置标准具10和铟箔6。在被控制单元3的内部装有负温度系数的热敏电阻作为传感器4，传感器4采集被控制单元3的温度，在常温时，热敏电阻4的电阻值为10k。控制元件2选用设有通光孔的半导体制冷片，半导体制冷片的大小为φ15×3mm，这样可以保证标准具10表面受热均匀。在热沉1、半导体制冷片、被控制单元3上都设有位置重合的通光孔，孔的直径为5mm。

图5为温度控制电路5的电原理图，温度控制电路5上的恒流源20与传感器4相连接后组成温度取样单元，温度取样单元可根据实际温度的大小得到一个电压信号21。温度设定单元22输出一个电压信号24，电压信号24的大小可以通过温度设定单元22中的电位器23调节。温度取样单元的输出信号21经第一电压跟随器25后与差分放大电路27的反向输入端相连接，温度设定单元22的输出信号24经第二电压跟随器26后与差分放大电路的同向输入端相连接。差分放大电路的输出端与PID控制单元28的输入端连接，PID控制单元28的输出信号29输入第一功率放大电路31的反向输入端，第一功率放大电路31的输出信号与第二功率放大电路30的反向输入端连接，同时经四端航空插头32与半导体制冷片的负向输入端连接，第二功率放大电路30的输出端经四端航空插头32与半导体制冷片的正负向输入端连接。

当被控制单元3的温度高于设定温度时，温度控制电路5给半导体制冷片提供一个正向的电流，使被控制单元3的温度降低到设定值；当被控制单元3的温度低于设定温度时，温度控制电路5给半导体制冷片提供一个负向的电流，使被控制单元3的温度升高到设定值。与电阻加热器相比，采用半导体制冷片可以使被控制单元3工作在室温以下。根据上面的原理，我们制成的标准具控温装置的温度控制范围为15℃--85℃。在其它应用领域，我们可以根据上述原理制作控制范围更宽的控温装置。

本发明标准具控温装置在激光器中的应用：

图6是装有本发明标准具温控装置的单频激光器的光路图。图中，激光器的光学元件都固定在热膨胀系数很小的殷钢板49上，殷钢的底面由数控机床精密加工一次成型，表面不平度小于0.01mm。在殷钢的下面垫有底座，底座的上表面由数控机床精密加工一次成型，表面不平度小于0.01mm。这样可以保证两者之间良好的导热性。底座里通有温度恒定的循环水，循环水的温度被精密控制到小于0.1℃，极大地减小了环境温度对激光器频率的影响，使激光器输出光的波长在很小的范围内漂移。这样就避免了美国专利No：5048031中提到的跳模现象，因此不需要使标准具10的温度随激光器输出光的波长变化。仅仅在出厂时，把标准具10的温度固定到使激光器输出功率最高的点上就行。泵浦源40发出的光经整形聚焦系统入射到放置在“8”字形谐振腔中的增益介质41上，增益介质41采用Nd:YVO₄晶体，泵浦源6发射光的中心波长与增益介质5的吸收带重合。谐振腔由第一平面镜45，第二平面镜46，第一凹面镜47和第二凹面镜48一起构成，所用腔镜均镀1064nm高反膜，第二凹面镜48同时满足对532nm(倍频光)光增透。腔内的法拉第旋转器42和二分之一波片43一起组成的光学单向器使激光器单频运转。

首先，在腔内没有标准具10时调试激光器，使激光器的输出功率最高。然后把标准具10放置在本发明设计的控温装置中，再把整个装置插入激光器光路中(从图6可以看出，为了不阻挡光线在腔内传播，控温装置的体积应较小)。使光线在标准具10上的入射角小于2mrad，减小走离损耗。通过调节电位器23来扫描标准具10的温度，使标准具10的透射峰与谐振腔的振荡频率重合。这样就需要标准具温度控制装置有较大的控制范围(使标准具10的透射峰与谐振腔的振荡频率重合)和很好的控制精度(稳定激光器的输出功率)。在实验中我们发现，要使标准具10扫描一个自由光谱范围。需要有38.9℃的温度控制范围。在泵浦功率为23.6W，标准具10的工作温度为50.4℃时，获得4W单频绿光输出。图7为激光器6小时的功率稳定性曲线，从图中我们知道激光器6小时的功率稳定性小于±1.2％。说明本发明可以很好地应用在激光器上，并提高激光器的性能指标。

本发明的核心是一种控制标准具10温度的装置。除了标准具10外，本发明也适用于控制各种薄片式光学元件的温度。以上列举的实施例仅仅是典型实施例。采用不同的半导体制冷片和热沉组合，其实施方式还有很多。

Claims (5)

1.一种用于激光器的标准具控温装置，包括热沉(1)、控制元件(2)、被控制单元(3)、传感器(4)和温度控制电路(5)，其特征在于所述的被控制单元(3)用导热材料制成，标准具(10)和传感器(4)置于其中；所述的控制元件(2)是中心设有通光孔的半导体制冷片，半导体制冷片的吸热面与被控制单元(3)的一个表面紧密接触，半导体制冷片的散热面与热沉(1)的一个表面紧密接触；在热沉(1)和被控制单元(3)的中心都设有通光孔，并与控制元件(2)上的孔相重合。

2.根据权利要求1所述的用于激光器的标准具控温装置，其特征在于所述的被控制单元(3)与标准具(10)接触的表面垫有导热橡胶垫或铟箔。

3.根据权利要求1所述的用于激光器的标准具控温装置，其特征在于所述的温度控制电路(5)的输出是双向恒流输出。

4.根据权利要求1所述的用于激光器的标准具控温装置，其特征在于所述的热沉(1)由紫铜或银制成。

5.根据权利要求1所述的用于激光器的标准具控温装置，其特征在于所述的导热材料是紫铜或银。

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