CN101820131A - 实现高峰值功率输出的电光晶体透镜调q谐振腔 - Google Patents

Abstract

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。

Description

实现高峰值功率输出的电光晶体透镜调Q谐振腔

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2×10⁵Hz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10⁹Hz，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。

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F1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Q1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10⁹Hz，实现了固体激光器的高能量激光输出。

附图说明

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r0在1～10mm、长度L在2～20mm范围内确定，例如r₀＝1.5mm、L＝4mm；激光棒1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。反射镜2是一种圆片状平面镜，直径为Φ10mm，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Φ10mm，厚2mm，谐振腔端镀1064nm，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n＝2.1，1064nm光垂直c轴方向入射，电光系数γ＝5.4×10^-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T_F＝20℃。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，见图3、图4所示。

透镜组的总光焦度D由公式(1)决定：

D＝D_I+D_II-dD_ID_II                                (1)

式中：D_I为电光晶体透镜5光焦度，D_II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D_I由公式(2)决定：

$D_I=\frac{n_{\mathrm{el}}-1}{r}=\frac{n-\frac{1}{2}{n}^3\mathrm{\γE}-1}{r}---\left(2\right)$

式中有关电光晶体透镜5的参数的含义：r为曲率半径，n_el为在电场作用下的折射率，n为未加电场时的折射率，γ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D_I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D_II由公式(3)决定：

$D_{\mathrm{II}}=\frac{P_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{KA}}[\frac{1}{2}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+\mathrm{aC}{n_0}^2+\frac{{\mathrm{ar}}_0(n_0-1)}{L}]---\left(3\right)$

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，P_a为耗散总热量，并且：

P_a＝Fh(T_r-T_F)                                (4)

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_r为温度；另外，式中的T_F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D₁、D₂、D₃、D₄为临界光焦度，分别由公式(5)、(6)、(7)、(8)决定：

D₁＝0                            (5)

$D_2=\frac{1}{d_2}---\left(6\right)$

$D_3=\frac{1}{d_1}---\left(7\right)$

$D_4=\frac{1}{d_1}+\frac{1}{d_2}---\left(8\right)$

式中：d₁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D₁、D₂、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D₁、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＝0，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Q1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。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Q1探测温升信号，使用恒流电流源供电，与微处理器U1的1脚连接。VR1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Q1连接。电容C4为温度传感器Q1的滤波电容，接在Q1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Q1的温度测量范围为0度到250度，温度传感器Q1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U1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，U1上电时，从RST端输出一个高电平脉冲，连接在U1的9脚；R1、S1为手动复位电路部分，人为将单片机复位。C5、C7、Y1为U1的振荡电路，输出12MHz的时钟频率，它连接在U1的18脚和19脚，为U1提供机器时钟。R8和C10组成电压积分电路，U1输出的脉宽调制信号连接到R8，然后C10输出直流信号，此电压积分电路输入连接U1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0V时，U2不工作；当13脚的电压为5V时，U2立即产生PWM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。T1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，D1和D5是Q2尖峰电压脉冲的吸收元件，防止T1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OUT+、OUT-引出。

Claims (7)

1.一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＝D_I+D_II-dD_ID_II，

式中：D_I为电光晶体透镜(5)光焦度，D_II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。

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D_I由下式决定：

$D_I=\frac{n_{\mathrm{el}}-1}{r}=\frac{n-\frac{1}{2}{n}^3\mathrm{\γE}-1}{r},$

式中有关电光晶体透镜(5)的参数的含义：r为曲率半径，n_el为在电场作用下的折射率，n为未加电场时的折射率，γ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D_II由下式)决定：

$D_{\mathrm{II}}=\frac{P_{\mathrm{\α}}}{\mathrm{KA}}[\frac{1}{2}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}+a{{\mathrm{Cn}}_0}^2+\frac{{\mathrm{ar}}_0(n_0-1)}{L}],$

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，P_a为耗散总热量，并且：

P_a＝Fh(T_r-T_F)，

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_r为温度；另外，式中的T_F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D₁、D₂、D₃、D₄之一，并且：

D₁＝0，

$D_2=\frac{1}{d_2},$

$D_3=\frac{1}{d_1},$

$D_4=\frac{1}{d_1}+\frac{1}{d_2},$

式中：d₁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。

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