CN102522685A - 激光器热透镜效应的补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，本发明公开了一种激光器热透镜效应的补偿装置。本发明的激光器热透镜效应的补偿装置，安装在激光器的腔镜的外侧，所述补偿装置包括顶杆机构，所述顶杆机构抵住腔镜外表面的中心。本发明结构简单、易于装配，当激光器的泵浦功率发生变化时，通过顶杆机构调节腔镜的曲率半径，腔镜的曲率半径的变形量可补偿热透镜焦距的变化，使得输出镜的基模高斯光斑尺寸和光远场发散角保持不变，维持激光系统的稳定工作，避免激光器内部的材料发生激光损伤；进一步地，采用压电陶瓷材料和压电陶瓷电源进行驱动，实现了腔镜曲率半径的连续变化，保证在泵浦功率较大的变化范围时激光器的稳定工作。

Description

激光器热透镜效应的补偿装置

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种激光器热透镜效应的补偿装置。

背景技术

激光器工作时激光介质吸收的泵浦光能量，除一部分以激光方式输出外，其他能量大多数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，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。热自聚焦不但使激光束发散角迅速增加，不利于后续继续利用，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，同时加工精确的凹面晶体会增大工艺成本。

另外，在晶体外形一定的条件下，利用“基模热稳腔”思想设计谐振腔是一种常用方法，即当激光的参数满足一定条件时，能使基模参数在一定泵浦功率范围内保持不变或变化甚缓。这种方法通常要求激光介质尽可能靠输出耦合镜一端，腔长比激光晶体长的多，同样的这种形式的激光器只能在泵浦功率在较小范围内变化的情况下稳定工作，如果泵浦功率范围变化较大，这种稳腔结构将会被打破，输出光远场发散角及束宽都会发生比较大的变化。为了实现较大泵浦功率范围内实现激光器的稳定工作，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。

2003年8月27日公告授权的申请号为02266147.6的中国实用新型专利说明书中公开了一种新型的热稳腔，在固体激光介质与输出镜之间设置一面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；光学谐振腔内插入腔镜使激光损耗增加，会导致激光能量转换效率下降。

2007年8月15日公告授权200710067328.5号中国发明专利说明书中公开了一种激光棒热透镜效应的补偿方法，其特点是将激光器中光学谐振腔的腔镜设置成向激光棒方向凸起的凸面镜，在腔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，使腔镜与激光棒之间的距离为a＝f-R/2-d/2n，其中，R为腔镜的曲率半径，d为激光棒的长度，n为激光棒的折射率，f为热透镜焦距，在确定了腔镜的曲率半径后，就可以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。这种补偿装置存在以下问题：马达带动球面镜移动时难以保证始终沿着光轴，对调节要求很高；谐振腔内通常包含其他元件，这会限制补偿的范围。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种结构简单、装配容易的激光器热透镜效应的补偿装置；以及进一步维持在泵浦功率较大范围变化时激光器的稳定工作。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光器热透镜效应的补偿装置，所述补偿装置安装在激光器的腔镜的外侧，所述补偿装置包括顶杆机构，所述顶杆机构抵住腔镜外表面的中心；当泵浦功率发生变化时，调节顶杆机构对腔镜外表面的压力以调节腔镜的曲率半径，进而补偿激光器的热透镜焦距的变化。

其中，所述顶杆机构包括顶杆、顶杆支座和顶杆驱动单元，所述顶杆支座固定安装在激光器的底座上，所述顶杆设置在所述顶杆支座上，所述顶杆的一端抵住所述腔镜的外表面的中心，另一端与所述顶杆驱动单元相连，所述顶杆抵住所述腔镜的一端为尖端，所述顶杆驱动单元用于驱动顶杆在水平方向上进行伸缩运动以调节该顶杆对腔镜所施加的压力。

其中，所述顶杆与顶杆驱动单元相连的一端设有外螺纹，所述顶杆驱动单元设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹，转动所述顶杆驱动单元可推动顶杆在水平方向上的伸缩运动。

其中，所述顶杆为压电陶瓷材料，所述顶杆驱动单元为压电陶瓷电源，所述顶杆通过电缆与顶杆驱动单元相连。

其中，所述顶杆驱动单元连接有激光泵浦反馈装置。

其中，所述顶杆贯穿所述顶杆支座。

其中，所述顶杆支座的顶部具有卡槽，所述顶杆安装在所述卡槽内。

其中，所述腔镜为曲面镜或者平面镜。

其中，所述腔镜为圆形或方形或矩形。

(三)有益效果

上述技术方案提供的一种激光器热透镜效应的补偿装置，安装在激光器的腔镜的外侧，该结构简单、易于装配，当激光器的泵浦功率发生变化时，通过顶杆机构调节腔镜的曲率半径，腔镜的曲率半径的变形量可补偿热透镜焦距的变化，使得输出镜的基模高斯光斑尺寸和光远场发散角保持不变，维持激光系统的稳定工作，避免激光器内部的材料发生激光损伤；进一步地，采用压电陶瓷材料和压电陶瓷电源进行驱动，实现了腔镜曲率半径的连续变化，保证在泵浦功率较大变化范围时激光器的稳定工作。

附图说明

图1是本发明实施例一的激光器的结构示意图；

图2是本发明曲率半径调节原理图；

图3是本发明等效谐振腔的示意图；

图4是本发明实施例二的激光器热透镜效应的补偿装置的结构示意图。

其中，1、底座；2、腔镜；3、激光介质；4、输出镜；5、顶杆机构；2-1、夹持机构；3-1、冷却模块；4-1、输出镜调节机构；5-1、顶杆；5-2、顶杆支座；5-3、顶杆驱动单元；a、外表面；b、内表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

激光器一般包括底座1和依次安装在底座1上的腔镜2、激光介质3和输出镜4。其中，腔镜2通过夹持机构2-1固定安装在底座1上，腔镜2与夹持机构2-1之间可采用紧固件等方式的机械连接，也可以采用粘结等方式的非机械连接；激光介质3通过冷却模块3-1固定安装在底座1上，输出镜4通过输出镜调节机构4-1固定安装在底座1上，其中，腔镜2可为曲面镜或者为平面镜，以下的技术方案以曲面镜为例。

在激光器工作时，激光介质3可等效成焦距为f的薄透镜，因此激光器可以简化为如图2所示模型，腔镜2和输出镜4的曲率半径分别为R、R₂，腔长L，内含焦距为f的薄透镜，该薄透镜距腔镜2和输出镜4的距离分别为d₁、d₂。

可以得到输出镜4上的基模高斯光束束宽ω₂：

${\mathrm{\ω}}_2^2=\±\frac{\mathrm{\λL}}{\mathrm{\π}}{\left[\frac{g_1^{*}}{g_2^{*}(1-g_1^{*}{g}_2^{*})}\right]}^{1/2}$

其中：

$g_1^{*}=1-\frac{L}{R}-\frac{d_2}{f}(1-\frac{d_1}{R})$

$g_2^{*}=1-\frac{L}{R_2}-\frac{d_1}{f}(1-\frac{d_2}{R_2})$

当激光器的泵浦功率发生变化时，激光介质3的等效热透镜的焦距f会发生变化，导致输出镜4上的高斯光束束宽ω₂发生变化，进而影响激光远场发散角及光束质量，公式表明光束尺寸是与腔镜2的曲率半径R、激光介质3的位置及热透镜的焦距f相关的。

如图3所示，

腔镜2的内表面b的半宽：

当腔镜2发生微小形变，其内表面b的中心点由A移到A′，由于该腔镜2的边缘固定，腔镜2变形后的曲面仍可看成球面，相应球心由O移至O′，曲率半径变为R′，

则当曲面镜发生微小形变Δx时，其曲率半径R′为：

$R^{\′}=\frac{2R^2+\mathrm{\Δ}{x}^2-2R\sqrt{R^2-r^2}-2\mathrm{R\Δx}+2\sqrt{R^2-r^2}\mathrm{\Δx}}{2R-2\sqrt{R^2-r^2}-\mathrm{\Δx}}$

曲率半径变化量为： $\mathrm{\ΔR}=R^{\′}-R=\frac{\mathrm{\Δ}{x}^2+2\sqrt{R^2-r^2}\mathrm{\Δx}}{2R-2\sqrt{R^2-r^2}-\mathrm{\Δx}}$

由上述的推断公式可知，当热透镜的焦距f发生变化时，可通过调节腔镜2的曲率半径R，使其补偿焦距f的变化以使得输出镜4的基模高斯光斑尺寸ω₂和光远场发散角保持不变，维持了激光系统的稳定工作。

当激光器的各元件的位置相对固定时，本发明提供一种激光器热透镜效应的补偿装置，用于改变腔镜2的曲率半径R以补偿焦距f发生变化对束宽ω₂的影响。

如图1所示，本发明的一种激光器热透镜效应的补偿装置，该补偿装置安装在激光器的腔镜2的外侧，该补偿装置包括顶杆机构5，该顶杆机构5抵住腔镜2的外表面的中心；当泵浦功率发生变化时，调节顶杆机构5对腔镜外表面a的压力以调节腔镜2的曲率半径R，进而补偿激光器的热透镜焦距f的变化。其中，腔镜2可为圆形、方形、矩形或其它形状；腔镜2的内外表面可以镀制光学薄膜或不镀制光学薄膜，该光学薄膜可为金属或非金属薄膜。该顶杆机构5包括顶杆5-1、顶杆支座5-2和顶杆驱动单元5-3，顶杆支座5-2固定安装在激光器的底座1上，顶杆5-1设置在顶杆支座5-2上，顶杆5-1的一端抵住腔镜2的外表面a的中心，另一端与顶杆驱动单元5-3相连，顶杆5-1抵住腔镜2的一端为尖端。本发明结构简单，易于装配。当泵浦功率发生变化时，根据泵浦功率的变化值，顶杆驱动单元5-3驱动顶杆5-1在水平方向上进行伸缩运动以改变该顶杆5-1对腔镜2所施加的压力，以使腔镜2的表面发生变形，变形后的腔镜2的曲率半径R发生了微小形变Δx，该变形量Δx可补偿热透镜的焦距f的变化，使得输出镜4的基模高斯光斑尺寸ω₂和光远场发散角保持不变，以维持激光系统的稳定工作，避免激光器内部的材料发生激光损伤。

本发明的顶杆驱动单元5-3可以采用多种形式，以下举例说明：

实施例一

如图1所示，顶杆5-1与顶杆驱动单元5-3相连的一端设有外螺纹，顶杆驱动单元5-3设有与外螺纹相匹配的内螺纹，转动顶杆驱动单元5-3可推动顶杆5-1在水平方向上的伸缩运动。本实施例的顶杆5-1贯穿顶杆支座5-2。

本实施例通过转动顶杆驱动单元5-3改变顶杆5-1对腔镜2的外表面a的作用力，从而改变腔镜2的曲率半径R的目的。如图1所示，通过手动调节顶杆驱动单元5-3能够实现腔镜2的曲率半径的变化值Δx的最小值为0.1mm，假设腔镜的初始曲率半径R＝50mm，腔镜2的内表面b的半宽r＝10mm，则当Δx＝0.1mm时，曲率半径变为：R′＝55.1mm。

实施例二

如图4，顶杆5-1为压电陶瓷材料，顶杆驱动单元5-3为压电陶瓷电源，顶杆5-1通过电缆与顶杆驱动单元5-3连接，本实施例顶杆支座5-2的顶部具有卡槽，顶杆5-1安装在该卡槽内。当没有外加电压时，顶杆5-1的尖端与腔镜2的外表面a呈几何接触，调节顶杆驱动单元5-3的电压带动顶杆5-1伸缩，使得顶杆5-1作用在腔镜2的外表面a的作用力发生变化，从而实现改变腔镜2的内表面b的曲率半径R的目的。

由于压电陶瓷材料能够实现高精度的位移变化，其位移精度可以达到0.05μm，假设腔镜2的初始曲率半径为R＝50mm，腔镜2的内表面b的半宽r＝10mm，当Δx＝0.05μm时，曲率半径变为：R′＝50.0024mm。如此高的调节精度可以实现腔镜2在一定范围内曲率半径R的连续变化，更加有利于科研实验与工作中对于曲率半径R精确调节的需要。

为了进一步地实现自动化调节腔镜2的曲率半径，本实施例的顶杆驱动单元5-3连接有激光泵浦反馈装置，当泵浦功率发生变化时，将自动计算出相应的热透镜焦距f的变化值，自动改变顶杆驱动单元5-3的驱动电压，实现腔镜2的曲率半径R的自适应调整。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光器热透镜效应的补偿装置，所述补偿装置安装在激光器的腔镜的外侧，其特征在于，所述补偿装置包括顶杆机构，所述顶杆机构抵住腔镜外表面的中心；当泵浦功率发生变化时，调节顶杆机构对腔镜外表面的压力以调节腔镜的曲率半径，进而补偿激光器的热透镜焦距的变化。

2.如权利要求1所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述顶杆机构包括顶杆、顶杆支座和顶杆驱动单元，所述顶杆支座固定安装在激光器的底座上，所述顶杆设置在所述顶杆支座上，所述顶杆的一端抵住所述腔镜的外表面的中心，另一端与所述顶杆驱动单元相连，所述顶杆抵住所述腔镜的一端为尖端，所述顶杆驱动单元用于驱动顶杆在水平方向上进行伸缩运动以调节该顶杆对腔镜所施加的压力。

3.如权利要求2所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述顶杆与顶杆驱动单元相连的一端设有外螺纹，所述顶杆驱动单元设有与所述外螺纹相匹配的内螺纹，转动所述顶杆驱动单元可推动顶杆在水平方向上的伸缩运动。

4.如权利要求2所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述顶杆为压电陶瓷材料，所述顶杆驱动单元为压电陶瓷电源，所述顶杆通过电缆与顶杆驱动单元相连。

5.如权利要求4所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述顶杆驱动单元连接有激光泵浦反馈装置。

6.如权利要求2所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述顶杆贯穿所述顶杆支座。

7.如权利要求2所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述顶杆支座的顶部具有卡槽，所述顶杆安装在所述卡槽内。

8.如权利要求1所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述腔镜为曲面镜或者平面镜。

9.如权利要求1所述的激光器热透镜效应的补偿装置，其特征在于，所述腔镜为圆形或方形或矩形。

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