CN102208733A - 增益介质和热沉压接安装装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

一种用于板条激光放大器的增益介质与热沉压接安装装置及其安装方法，构成包括压接安装平台、探测光源、第一扩束镜、第二扩束镜、测量干涉仪、远场观测屏、衰减片、CCD摄像机和计算机，所述的压接安装平台是在底座上四角的四根立柱支撑一基板而构成，该基板上均匀地布设有多个螺孔，供多个螺栓旋设，所述的测量干涉仪为准马赫-泽德干涉仪，由第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一全反镜和第二全反镜组成。本发明能够快捷方便的实现增益介质与热沉的合理压接安装，改善压接安装的均匀性，提高热沉对增益介质的冷却能力，进而实现激光放大器高效率、高光束质量激光输出。

Description

增益介质和热沉压接安装装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及全固态激光器件安装装置，特别是一种用于板条激光放大器的增益介质和热沉压接安装装置及其安装方法，在激光器制造方面有广泛应用前景。

背景技术

全固态激光器由于体积小，结构紧凑，稳定性好，易于集成等优点，目前得到快速发展并广泛应用于各个领域。随着激光技术的发展，对激光技术指标提出了更高的要求，然而热效应问题严重制约着激光器尤其是高能、高功率激光器的发展和应用。激光二极管抽运板条激光器、放大器由于结构上的优势，可以很好的减少热效应，已经成为高平均功率、高光束质量激光器的理想设计方案之一。端面或侧面抽运结构的激光放大器使抽运面与冷却面分离，降低了对冷却面的要求，在工程中更容易实现高平均功率输出。采用板条内z字形激光束光路传输放大，可进一步降低激光增益介质的热畸变问题，同时增大提取效率，提高激光能量输出和改善光束质量。

虽然z字形光路传输板条放大器解决了所有固体激光器自身的热畸变问题，但它们的性能却比预期的差很多，关键问题之一就是在激光器工程安装时，无法保证增益介质与热沉的合理压接安装，导致热沉对增益介质的冷却性能变差，严重影响激光器各项技术指标，同时压接安装的不均匀性导致增益介质内产生更多破坏性机械应力和形变，影响激光器的安全稳定运行，制约着激光器的发展和应用。

发明内容

本发明的目的在于改善板条激光放大器增益介质与热沉的压接安装，提供一种用于板条激光放大器的增益介质和热沉压接安装装置及其安装方法，该压接安装装置能够快捷方便的实现增益介质与热沉的合理压接安装，改善压接安装的均匀性，提高热沉对增益介质的冷却能力，降低安装不合理导致的增益介质内部机械应力和形变，有助于板条激光放大器实现高性能激光输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于板条激光放大器的增益介质和热沉压接安装装置，特点在于其构成包括：压接安装平台、探测光源、第一扩束镜、第二扩束镜、测量干涉仪、远场观测屏、衰减片、CCD摄像机和计算机，所述的压接安装平台是在底座上四角的四根立柱支撑一基板而构成，该基板上均匀地布设有多个螺孔，供多个螺栓旋设，所述的测量干涉仪为准马赫-泽德干涉仪，由第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一全反镜和第二全反镜组成；上述元部件的位置关系如下：

沿所述的探测光源输出的激光方向依次是第一扩束镜、第一半反半透镜、压接安装平台和第二半反半透镜，所述的第一半反半透镜和第二半反半透镜与光束的夹角分别为45°、135°，所述的探测光源输出的激光被所述的第一半反半透镜分为反射参考光束和透射测量光束，所述的压接安装平台上的待压接安装的增益介质和热沉被所述的透射测量光束照明，所述的第一半反半透镜的反射参考光束依次经第一全反镜和第二全反镜的反射后，该参考光束透过所述的第二半反半透镜与来自所述的压接安装平台并经第二半反半透镜反射的测量光束相干，该相干光束经所述的第二扩束镜达到远场观测屏上，在该远场观测屏的反射光方向设置所述的衰减片和CCD摄像机，该CCD摄像机与所述的远场观测屏之间的距离为CCD摄像机的焦距，该CCD摄像机的输出端接所述的计算机的输入端。

所述的压接安装平台的底座的工作面具有很好的平面度，并与下表面保持很好的平行度。

所述的增益介质包括需要用热沉进行冷却的激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。

所述的探测光源为He-Ne激光光源。

所述的扩束镜为扩束连续可调的扩束镜。

利用上述的增益介质和热沉压接安装装置进行压接安装的方法，其特点在于包括下列步骤：

①将所述的待压接的下热沉、增益介质和上热沉依次放置在所述的压接安装平台的底座上，将所述的多个螺栓通过螺孔初步旋压在所述的上热沉上；

②将所述的压接安装平台连同待压接的下热沉、增益介质和上热沉置于所述的探测光路中，调整所述的压接安装平台的位置和所述的第一扩束镜，使透过所述的第一半反半透镜的探测光束照射并覆盖所述的待压接的下热沉、增益介质和上热沉；

③调节增益介质和热沉压接安装装置的光路和有关元部件，使计算机呈现出清晰的干涉图像；

④仔细调整所述的螺栓的施压，直到计算机呈现出清晰的均匀的干涉图像，最后借助螺钉，通过下热沉和上热沉之间的定位螺孔，把增益介质和下热沉和上热沉固定压接安装在一起。

本发明的工作过程如下：

探测光源发射探测光经所述的扩束镜扩束后进入45°角半反镜分成两束光，其中一束光作为探测光，所述的压接安装平台放置在探测光路中，探测光经过激光增益介质后入射到45°角半反镜反射，另一束光作为参考光经45°角全反镜反射，入射到45°角半反镜投射并与探测光反射光相干叠加，经所述的扩束镜扩束，在远场观测屏上形成干涉图样。

所述的CCD摄像机在远场观测屏距焦，获取干涉图样信息，并将信息传递到所述的计算机进行实时处理，得到增益介质内部应力和形变变化信息。

本发明具有以下优点：

1、压接安装装置采用组合结构，各单元独立完成加工，简单易行，可以很好的降低制造成本和缩短生产周期，易于实现批量化生产。

2、利用压接安装装置进行激光增益介质和热沉压接安装时，可灵活调整基板上规则分布的高精度螺栓，利于控制压接力度及压接均匀性，减少机械应力和压接不均匀导致的冷却性能变差。

3、采用干涉仪实时得到包含增益介质内部应力变化信息的干涉图样，响应灵敏、精度高，利于更好的调节高精度安装螺栓，使压接安装的应力达到最佳。

4、采用连续可调扩束镜，可以根据增益介质尺寸，调整扩束得到满足尺寸要求的探测光束，使探测光束充分覆盖整个增益介质，全面反映增益介质内部形变和应力变化信息。

5、采用CCD摄像机和计算机实时数据处理，可以将干涉图样信息实时地通过计算机再现增益介质机械形变和应力变化的信息，有助于合理调节高精度安装螺栓，得到增益介质与热沉的合理压接安装。

附图说明

图1为本发明增益介质与热沉压接安装装置实施例的光路结构示意图。

图2为本发明压接安装平台结构示意图的左右二等角轴测图。为说明压接安装平台结构。

图3为激光板条增益介质与热沉在所述的压接安装平台中的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1和图2，图1为本发明增益介质与热沉压接安装装置实施例的光路结构示意图，图2为本发明压接安装平台的结构示意图。

由图可见，本发明增益介质和热沉压接安装装置，其构成包括：压接安装平台1、探测光源2、第一扩束镜3、第二扩束镜4、测量干涉仪、远场观测屏6、衰减片7、CCD摄像机8和计算机9，所述的压接安装平台1是在底座101上四角的四根立柱102支撑一基板103而构成，该基板103上均匀地布设有多个螺孔，供多个螺栓104旋设，所述的测量干涉仪为准马赫-泽德干涉仪，由第一半反半透镜501、第二半反半透镜502、第一全反镜503和第二全反镜504组成；上述元部件的位置关系如下：

沿所述的探测光源2输出的激光方向依次是第一扩束镜3、第一半反半透镜501、压接安装平台1和第二半反半透镜502，所述的第一半反半透镜501和第二半反半透镜502与光束的夹角分别为45°、135°，所述的探测光源2输出的激光被所述的第一半反半透镜501分为反射参考光束和透射测量光束，所述的压接安装平台1上的待压接安装的增益介质和热沉被所述的透射测量光束照明，所述的第一半反半透镜501的反射参考光束依次经第一全反镜503和第二全反镜504的反射后，该参考光束透过所述的第二半反半透镜502与来自所述的压接安装平台1的并经第二半反半透镜502反射的测量光束相干，该相干光束经所述的第二扩束镜4达到远场观测屏6上，在该远场观测屏6的反射光方向设置所述的衰减片7和CCD摄像机8，该CCD摄像机8与所述的远场观测屏6之间的距离为CCD摄像机8的焦距，该CCD摄像机8的输出端接所述的计算机9的输入端。

所述的压接安装平台1的实施例详请参见图2和图3，采用组合结构，通过高强度骨架102，借助螺钉将基板103与底座101牢固连接，所述的底座101上工作面有很好的平面度，并与下表面保持很好的平行度。所述的基板103上下工作面保持高度平行切都保证很好的平面度。基板103规则分布螺栓孔，工作时根据需要安放满足要求的高精度安装螺栓104，所述的高精度安装螺栓104有足够长的工作距离，以保证完成对所述的板条激光放大器增益介质10与热沉11、12的合理压接安装。

图3为激光板条增益介质与热沉在所述的压接安装平台中的状态示意图。

上下热沉11、12将激光增益介质10夹在中间呈三明治状，放在底座101上工作面中央位置，下热沉11、上热沉12和增益介质10之间分别填充薄铟层13、铟层14，调整移动压接安装平台1，保证探测光束填充并无障碍通过增益介质10；调整扩束镜3对探测光扩束以保证探测光填充满整个增益介质10入射面。本实施例中激光增益介质10为掺镱(Yb)的YAG板条晶体，其两端面被切割成45度角的平行六面体，具体尺寸为总长100mm、宽w＝10mm、厚d＝6mm。

所述的探测光源2为准直性好、单色相干性好和亮度高的He-Ne激光光源。所述的第一扩束镜3和第二扩束镜4是连续可调的扩束镜。

所述的测量干涉仪5为准马赫-泽德干涉仪，由两块对所述的探测光束2呈45°角第一半反半透镜501、第二半反半透镜502和两块45°角第一全反镜503、第二全反镜504组成；探测光源2发射探测光经所述的第一扩束镜3扩束后进入第一半反半透镜501被分成两束光：反射光束和透射光束，其中透射光束作为探测光，所述的压接安装平台1放置在探测光路中，探测光经过激光增益介质10后入射到第二半反半透镜502反射后进入第二扩束镜4，反射光束作为参考光经第一全反镜503和第二全反镜504反射，入射到第二半反半透镜502透射并与探测光相干叠加，经所述的第二扩束镜4扩束，在远场观测屏6上形成干涉图样。

所述的CCD摄像机8在远场观测屏6距焦，获取干涉图样信息，并将信息传递到所述的计算机9进行实时处理，得到增益介质10内部应力和形变变化信息。

所述的板条激光放大器增益介质与热沉压接安装置工作时，首先调整中心处的螺栓压接热沉，依次向两端同步慢速调节螺栓，同时结合计算机9显示的增益介质10的内部应力和形变信息，最终确定得到压接安装装置对板条放大器增益介质10和上热沉11、下热沉12的合理压接安装。最后借助螺钉，通过下热沉11和上热沉12之间的定位螺孔，把增益介质10和下热沉11和上热沉12固定压接安装在一起。

下面为此实施例的具体参数：

探测He-Ne激光源1波长532nm，输出功率3mw，光斑直径2mm；扩束镜2将探测光调节扩束到6mm；干涉仪5的半反半透镜片501、502和全反镜片503、504工作区域直径5cm，镜片501、502、503与504呈正方形放置组成干涉仪，如图1所示，间距为55±5cm。

压接安装平台1的底座101、高强度骨架102、基板103都采用高强度钢板块，底座101尺寸为长160mm，宽160mm，厚15mm；高强度骨架横截面直径10mm，骨架高度100mm；基板103尺寸为长135mm，宽135mm，厚15mm；基板103上均匀分布有81个呈中心对称的螺孔，螺孔直径6mm，各个螺栓孔间隔相同，为15mm；实施例中基板上线性安放5个高精度螺栓104，其螺帽长20mm，螺栓带螺纹部分长度为80mm，不带螺纹部分长度为20mm，工作面直径6mm。

CCD摄像机采用STC-CL1500相机，CCD尺寸为7.60mm×6.20mm，摄像像素为1360pixel×1024pixel，最低响应照度为0.3Lux@F1.2，信噪比＞50dB工作温度为-10℃～45℃。

计算机采集卡为Domino Melody图像采集卡，性能稳定，支持逐行、高帧率及百万像素模拟摄像机，采用10-bit 40MHzA/D转换器，16-Mbyte板上图像缓存，异步复位触发、闪光曝光同步控制及加强I/O控制线，易于实现干涉条纹的采集与存储。

实验表明，本发明具有结构紧凑、简单、调节方便、能够很好的完成对板条激光放大器增益介质与热沉的合理压接安装，有助于实现固体激光放大器的高性能激光输出和工程化制造。

Claims (6)

1.一种用于板条激光放大器的增益介质和热沉压接安装装置，特征在于其构成包括：压接安装平台(1)、探测光源(2)、第一扩束镜(3)、第二扩束镜(4)、测量干涉仪、远场观测屏(6)、衰减片(7)、CCD摄像机(8)和计算机(9)，所述的压接安装平台(1)是在底座(101)上四角的四根立柱(102)支撑一基板(103)而构成，该基板(103)上均匀地布设有多个螺孔，供多个螺栓(104)旋设，所述的测量干涉仪为准马赫-泽德干涉仪，由第一半反半透镜(501)、第二半反半透镜(502)、第一全反镜(503)和第二全反镜(504)组成；上述元部件的位置关系如下：

沿所述的探测光源(2)输出的激光方向依次是第一扩束镜(3)、第一半反半透镜(501)、压接安装平台(1)和第二半反半透镜(502)，所述的第一半反半透镜(501)和第二半反半透镜(502)与光束的夹角分别为45°、135°，所述的探测光源(2)输出的激光被所述的第一半反半透镜(501)分为反射参考光束和透射测量光束，所述的压接安装平台(1)上的待压接安装的增益介质和热沉被所述的透射测量光束照明，所述的第一半反半透镜(501)的反射参考光束依次经第一全反镜(503)和第二全反镜(504)的反射后，该参考光束透过所述的第二半反半透镜(502)与来自所述的压接安装平台(1)的并经第二半反半透镜(502)反射的测量光束相干，该相干光束经所述的第二扩束镜(4)达到远场观测屏(6)上，在该远场观测屏(6)的反射光方向设置所述的衰减片(7)和CCD摄像机(8)，该CCD摄像机(8)与所述的远场观测屏(6)之间的距离为CCD摄像机(8)的焦距，该CCD摄像机(8)的输出端接所述的计算机(9)的输入端。

2.根据权利要求1所述的增益介质和热沉压接安装装置，其特征在于所述的压接安装平台(1)的底座(101)的工作面具有很好的平面度，并与下表面保持很好的平行度。

3.根据权利要求1所述的增益介质和热沉压接安装装置，其特征在于所述的增益介质(10)包括需要用热沉进行冷却的激光晶体、激光陶瓷或激光玻璃。

4.根据权利要求1所述的增益介质和热沉压接安装装置，其特征在于所述的探测光源(102)为He-Ne激光光源。

5.根据权利要求1所述的增益介质和热沉压接安装装置，其特征在于所述的扩束镜(3)(4)为扩束连续可调的扩束镜。

6.利用权利要求1所述的增益介质和热沉压接安装装置进行压接安装的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将所述的待压接的下热沉(11)、增益介质(10)和上热沉(12)依次放置在所述的压接安装平台(1)的底座(101)上，将所述的多个螺栓(104)通过螺孔初步旋压在所述的上热沉(12)上；

②将所述的压接安装平台(1)连同待压接的下热沉(11)、增益介质(10)和上热沉(12)置于所述的探测光路中，调整所述的压接安装平台(1)和所述的第一扩束镜(3)，使透过所述的第一半反半透镜(501)的探测光束照射并覆盖所述的待压接的下热沉(11)、增益介质(10)和上热沉(12)；

③调接增益介质和热沉压接安装装置的光路和有关元部件，使计算机(9)呈现出清晰的干涉图像；

④仔细调整所述的螺栓(104)的施压，直到计算机(9)呈现出清晰的均匀的干涉图像，最后借助螺钉，通过下热沉(11)和上热沉(12)之间的定位螺孔，把增益介质(10)和下热沉(11)和上热沉(12)固定压接安装在一起。

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