CN102593703B - 一种判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置采用光电探测器探测自变频激光器产生的自变频光信号，并转化为电信号，再利用示波器对该电信号进行存储和分析；即可通过改变自变频晶体制冷装置控制温度，来确定不同泵浦下自变频晶体最佳热平衡运转条件；又可结合热场分布理论计算出自变频激光器最佳运转情况下自变频晶体内部温度梯度分布，指导自变频晶体按特定温度下最佳相位匹配方向切割；还可同步观测自变频激光器产生自变频激光信号强度随晶体内部热平衡建立的变化过程，指导自变频晶体的最佳热平衡运转条件设置，或指导计算自变频晶体最佳相位匹配方向时所对应温度的选择，使自变频激光器中自变频晶体的热平衡运转条件实现最优化。
Description
技术领域
本发明属于激光晶体和器件领域，特别涉及一种判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置。
背景技术
随着激光技术的发展及其在信息存储、生物医学、激光显示、光学研究等领域越来越广泛的应用，对具有不同输出波长的固体激光器的需求也越来越迫切。可见波长激光在激光显示、医疗、印刷、娱乐和科学研究等方面都有广泛的应用。目前，获得绿光输出的主要途径是采用倍频晶体KTP、PPLN或LBO等对Nd3+离子产生的1.06μm激光进行倍频获得0.53μm的绿光输出。对于中小功率的绿光输出，通常采用Nd:YVO4+KTP的方式来得到。但是这种包含激光工作物质和倍频材料两种晶体的激光器，结构比较复杂，稳定性不是很强，而且两块晶体的胶合工艺一直限制了这种激光器的成本和简化。
自倍频晶体是一种可以直接获得可见激光输出的理想材料。将激活离子掺杂入一块具有非线性光学特性的晶体，使其既是激光晶体，又具有激光变频非线性的功能。当晶体沿着倍频的最佳相位匹配方向切割时，就可以在晶体内部对离子产生的基频激光直接进行倍频，从而获得自倍频激光输出。从原理上讲，自倍频激光器结构简单紧凑，稳定性强，制作成本低。但是，自倍频晶体在实际应用中，却面临着效率不高的问题，致使自倍频输出效率不高的原因主要有以下三个方面：(1)材料的自激活特性(即晶体的激光特性与非线性特性的匹配程度)；(2)激活离子自身对倍频光的自吸收问题；(3)激光运转过程中，最佳相位匹配方向的失配问题。对于前两个原因，可以通过改良自倍频晶体材料本身性质来改善，对于第三个原因，可以通过对晶体加工和实验条件的控制来解决。
在自倍频激光实验中，自倍频激光输出的功率有一个逐渐稳定的变化过程。这是因为：随着晶体对泵浦光的吸收，晶体内部温度逐渐升高，而晶体又处于制冷控温装置内，最后在晶体内部会形成稳定的热梯度分布；因此，晶体内部的真实温度是由泵浦光的吸收情况和边界的制冷条件共同决定的；晶体自倍频效率与晶体的温度有着密切关系：随着温度的改变，晶体折射率会发生变化，导致最佳相位匹配方向也随之改变，从而改变倍频效率；所以，最终的自倍频激光输出过程也是一个随着晶体内部温度变化逐渐趋于稳定的平衡过程。
一般情况下，自倍频晶体是按照室温下对应的最佳相位匹配方向进行切割的，但是在自倍频晶体吸收泵浦光形成稳定热梯度分布的过程中，只有某一时刻的晶体中心温度才满足与该温度相同，只有这时倍频过程才是发生在最佳相位匹配方向上，效率最高。但是当晶体达到稳定热梯度分布后，晶体中心温度一般都不等于室温，这时相位匹配方向发生偏转，不能再满足最佳相位匹配。因此，实际激光运转过程中的倍频效率一般要低于理论上可达到的最佳效率。
同理，所有基于二阶非线性的自变频过程，都具有与自倍频一样的特性和激光运转过程中由于晶体内部温度改变导致的相位失配问题。因此，我们需要找到相应的解决办法，来调整实际运转过程中的自变频激光晶体的热平衡运转条件，使其最优化，从而显著提高自变频激光的输出效率。
发明内容
本发明目的：针对由于晶体内部温度改变导致的相位失配引起的自变频固体激光器效率不高的问题，从晶体内部热梯度分布与自变频相位匹配的关系着手，提出采用光电探测器探测自变频激光信号并转化为电信号，传送至示波器，利用示波器对得出自变频激光对应的电信号强度随时间的变化曲线，经过分析确定不同情况下自变频晶体的最佳热平衡运转条件。
为实现上述发明目的本发明的技术方案如下：
本发明提供的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，其包括：
置于自变频激光器输出光路上的分光棱镜，所述分光棱镜将自变频激光器的出射激光进行分光得到自变频激光信号；
设置于所述自变频激光信号光路上的小孔光阑；
位于所述小孔光阑光出射方向上的光电探测器；和
与所述光电探测器电相连的示波器；
所述光电探测器探测由小孔光阑透过的自变频激光信号并转化为电信号，之后传送至示波器，在示波器中对所述电信号随自变频激光器中的自变频晶体内部热平衡建立的变化过程进行存储和分析，得出自变频激光对应的电信号强度随时间的变化曲线；
该曲线显示的电信号最强点的幅度值为自变频激光器输出自变频激光最大强度经过光电探测器转换得到的电信号值，横坐标为自变频激光器从初始运转到实现最强自变频激光输出所对应的时间，该时刻对应的自变频晶体的控温条件为自变频晶体的最佳热平衡运转条件；不同泵浦条件下自变频晶体的最佳热平衡运转条件不同；通过调整自变频晶体的冷却散热装置对自变频晶体控温，使自变频激光器稳定运转时自变频晶体的平衡温度控制在所述曲线显示的电信号最强点对应的晶体温度，实现自变频激光器中自变频晶体的最佳热平衡运转；或者计算出该时刻对应的自变频晶体内部的真实温度，将自变频晶体按照该温度下的最佳变频相位匹配方向进行切割，以实现自变频激光器中自变频晶体的最佳热平衡运转。
本发明为了确定自变频晶体的最佳热平衡运转条件，通过调整自变频晶体的冷却散热装置对自变频晶体进行控温，使自变频激光器稳定运转时自变频晶体的平衡温度控制在所述曲线显示的电信号最强点对应的晶体温度，即曲线达到最高点后不再下降，从而实现自变频激光器中自变频晶体的最佳热平衡运转；或者计算出最佳热平衡运转时刻对应的自变频晶体内部的真实温度，将自变频晶体按照该温度下的最佳相位匹配方向进行切割，也能实现自变频激光器中自变频晶体的最佳热平衡运转。因此，通过本判定装置可以解决自变频激光器运转过程中自变频晶体内部的相位失配问题，最终达到提高自变频激光输出效率的目的。
上述技术方案中，所述的自变频激光器可为所有基于二阶非线性的自变频激光器(自倍频激光器、自和频激光器、自差频激光器、或自参量振荡激光器)。
上述技术方案中，所述的自变频晶体可为所有相位匹配自变频晶体，例如NdxY1-xAl3(BO3)4(NYAB)、Nd:YCa4O(BO3)3(Nd:YCOB)、Nd:GdCa4O(BO3)3(Nd:GdCOB)、Nd:La2CaB10O19(Nd:LCB)等。
本发明的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，还可包括放置于光电探测器接收窗口前方的散射障碍物，所述散射障碍物为任意将过强的激光进行散射，以减弱探测器接收到的激光强度的物体；当光强较弱时，光电探测器可以直接探测自变频激光信号；当光强较强时，为了保护光电探测器接收光强度小于其损伤阈值，光电探测器可以探测自变频激光信号经过散射障碍物散射后的光。
所述的光电探测器为Si探测器或InGaAs探测器，探测器的响应波段要包含自变频激光波长。
所述的自变频激光器主要包括泵浦源、自变频晶体和激光谐振腔，利用泵浦源激发自变频晶体，并在激光谐振腔内形成基频光激光振荡，利用自变频晶体的非线性效应，对基频光进行自变频并输出。
上述技术方案中，所述的自变频激光器可以为任意形式。包括：
一、所述的自变频激光器的泵浦源可以选择闪光灯、单管或者模块形式的半导体激光器、光纤激光器或者可调谐钛宝石激光器；泵浦源的输出波长对应自变频晶体内激活离子的吸收峰位置；泵浦源的输出形式可以是连续输出，也可以是脉冲输出；泵浦方式可以为端面泵浦方式或侧面泵浦方式。
二、所述的自变频激光器的激光谐振腔可以为独立的输入腔镜和输出腔镜构成，也可以为直接在自变频晶体的两个端面都镀上激光腔镜膜的微片形式；腔型可以选择平平腔、平凹腔、平凸腔、凹凸腔、凹凹腔、凸凸腔等。
三、另外，还可以采用各种不同激光技术，例如：调Q，锁模等。
本发明的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，对于自变频激光输出效率的提高和性能的优化有着非常重要的意义。
附图说明
图1为本发明装置应用于判定Nd:GdCOB自倍频固体激光器最佳热平衡运转条件的系统结构示意图。
图2为实施例1中，泵浦功率2W，不同晶体制冷控温下绿光信号强度随晶体热平衡建立过程的变化曲线。
图3为本发明装置应用于判定Nd:GdCOB自倍频固体激光器最佳热平衡运转条件的系统结构示意图。
图4为实施例1中，泵浦功率4W，不同晶体制冷控温下绿光信号强度随晶体热平衡建立过程的变化曲线。
图5为实施例1中，泵浦功率5W，晶体制冷8℃时，绿光信号强度随晶体热平衡建立过程的变化曲线。
图6为本发明装置应用于Nd:YCOB晶体平凹腔型自和频激光系统的结构示意图。
图7为本发明装置应用于Nd:YCOB晶体调Q输出自倍频激光系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
参考图1，本实施例将本发明装置应用于判定低功率泵浦时Nd:GdCOB晶体绿光自倍频固体激光器最佳热平衡运转条件。
本实施例提供的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，其包括：置于自变频激光器输出光路上的分光棱镜5，所述分光棱镜5将自变频激光器的出射激光进行分光得到自变频激光信号6；
设置于所述自变频激光信号6光路上的小孔光阑7；
位于所述小孔光阑光出射方向上的光电探测器8；和
与所述光电探测器电相连的示波器8；
光电探测器探测8由小孔光阑透过的自变频激光信号6并转化为电信号，之后传送至示波器8，在示波器中对所述电信号随自变频激光器中的自变频晶体内部热平衡建立的变化过程进行存储和分析，得出自变频激光对应的电信号强度随时间的变化曲线；
本实施例判定的自倍频激光系统情况如下：
泵浦源1采用发射波长为808nm的连续输出激光二极管，泵浦功率为2W；自倍频晶体2采用5at.％Nd:GdCOB，自倍频晶体2按室温下空间最佳相位匹配方向θ＝113°，φ＝47.6°切割，其通光方向的两个端面抛光处理；该自倍频晶体尺寸为3mm×3mm×5mm，其通光面为正方形；该自倍频晶体两端直接镀激光谐振腔腔镜膜3，自倍频晶体2输入端镀膜参数为：对泵浦光波长(808nm)高透(HT)、对基频光1061nm和倍频光530.5nm高反(HR)；自倍频晶体输出端镀膜参数为：对基频光1061nm高反(HR)、对倍频光530.5nm高透(HT)；如图1，在泵浦源1的输出光前方顺序设置光路耦合装置11和激光谐振腔，自倍频晶体2置于激光谐振腔内；泵浦光以端面泵浦的方式入射在自倍频晶体2的输入端端面，当泵浦光达到阈值时，获得530.5nm自倍频绿光出射激光4的输出；
本实施例光电探测器8采用Si光电探测器，利用置于自倍频绿光出射激光4输出光路上的分光棱镜5将出射激光4中自倍频绿光和剩余的泵浦光和基频光成份分开，在自倍频光路上位于探测器接收窗口前设置过滤其它杂散光的小孔光阑7，由位于小孔光阑7之后的光电探测器8直接接收自倍频绿光信号6，并将该自倍频绿光信号6转换的自倍频绿光电信号并传输至示波器9上；
当泵浦源1发出的泵浦光功率为2W时，改变自倍频晶体冷却散热装置10-02的控制温度Tc，观察示波器9上自倍频绿光电信号强度变化曲线(图2)，图2中绿光电信号出现的时刻为起始时刻，即泵浦光注入自倍频晶体2的时刻；自倍频绿光信号强度随着系统热平衡建立过程，逐渐增强，并最终保持稳定值；由图2，可以判定该泵浦条件下，所达到的最佳热平衡运转条件是自倍频晶体温度Tc为26℃。
分析原因是由于低功率泵浦下，由于泵浦光导致的自倍频晶体温度升高不明显，自倍频晶体内部温度分布主要取决于自倍频晶体的冷却散热装置；而且，自倍频晶体实际的切割方向与计算结果还是有一定误差的，利用此装置，能够精确的找到最佳热平衡运转条件。
该实施例同样可以推广应用于其它自倍频晶体(如：Nd:YCOB、Nd:YAB)、其它基于二阶非线性效应的自变频过程(如：自和频、自差频、自参量振荡)较低泵浦功率下晶体最佳热平衡运转条件的判定。
实施例2
参考图3，本实施例将本发明装置应用于判定较高功率泵浦时Nd:GdCOB晶体绿光自倍频固体激光器最佳热平衡运转条件。
该装置的基本组成结构和判定的激光系统与实施例1基本相同，区别在于：
(1)自倍频激光系统中的泵浦光强度有所增加。
(2)本实施例采用InGaAs探测器。
(3)本实施例采用散射接收方式。
实验情况1：图4是当泵浦光强度为4W时，不同晶体控温Tc下的绿光信号强度变化曲线。由图可知，当晶体控制温度较高时，绿光强度先增加再减弱，最后保持在较低的稳定值；随着晶体控制温度降低，绿光强度减弱的幅度减小，最终稳定后的值逐渐抬升。当晶体制冷系统的控制温度降低至8℃时，绿光强度升高至最高点后基本上没有减小，而是逐渐趋于稳定。这说明：该运转条件下，晶体平衡时的中心温度刚好等于晶体最佳相位匹配方向对应的温度，从而使倍频达到了最佳相位匹配，实现了该泵浦条件下最高的自倍频发射效率。
分析原因是由于较高功率泵浦下，由于泵浦光吸收导致的晶体温度升高非常明显，一般远远高于室温，这时必须依靠晶体控温系统降低晶体温度，将晶体中心温度控制调节至室温附近，实现最佳相位匹配和高效率的倍频转换。图4中的最高点就是晶体温度平衡过程中，某时刻的中心温度等于晶体最佳相位匹配方向对应的温度时，实现了最大效率的倍频转换。我们利用本装置要实现的目的，是找到一定泵浦条件下对应的最佳晶体控温，最终实现自倍频光信号强度升高到最高点后不再减小，一直保持最大效率的自倍频输出，如图4中晶体控温8℃时的结果。
实验情况2：泵浦功率继续升高至5W。当泵浦功率继续增加至5W，晶体制冷系统的控制温度为8℃时，由示波器上信号强度变化曲线(图5)可以判定此时仍未达到最佳热平衡运转条件，绿光信号强度升高后又逐渐降低，最后趋于较低的平衡稳定值。这是因为高功率泵浦下，晶体中心平衡温度总高于晶体最佳相位匹配方向对应的温度，因此很难能达到最佳相位匹配。
这时，我们可以不再通过继续降低晶体温度来寻找最佳热平衡运转条件，使自倍频输出效率提高；而是利用热场分布的理论计算，推算出最佳运转时晶体内部温度梯度分布，指导晶体按照该特定温度下最佳相位匹配方向切割。具体计算装置是本专业技术人员可以实现的。
由于实际加工时，晶体切割总是存在一定误差，所以在根据温度改变晶体切割方向后，仍可以根据此装置来进一步精确确定最佳热平衡运转条件。
该实施例同样可以推广应用于其它自倍频晶体(如：Nd:YCOB、Nd:YAB)、其它基于二阶非线性效应的自变频过程(如：自和频、自差频、自参量振荡)较高泵浦功率下晶体最佳相位匹配方向对应温度的判定。
实施例3
参考图6，本实施例将本发明装置应用于判定Nd:GdCOB晶体绿光自和频固体激光器最佳热平衡运转条件。
该系统的组成结构与实施例1基本相同，区别在于：
(1)晶体端面经过曲面加工后镀腔镜膜，形成平凹腔。
(2)泵浦源选用闪光灯，泵浦方式为侧面泵浦。
(3)本实施例观测的是Nd:GdCOB晶体绿光自和频，腔镜膜针对此波长设计如下。输入端镀膜参数为：对泵浦光波长(808nm)高透(HT)、对1060～1091nm和537nm的高反(HR)；输出端加腔镜，镀膜参数为：对1060～1091nm的高反(HR)膜和537nm的高透(HT)膜。
与实施例1-2相同，通过观察示波器上和频光信号热变化曲线可以判定某一泵浦条件下最佳的热平衡运转条件，即特定泵浦条件下最佳晶体制冷温度。或者在高功率下，还可以利用此装置，结合理论计算，得出晶体最佳相位匹配方向对应的温度，来实现晶体特定温度下匹配角切割，提高自变频输出效率。
实施例4
参考图7，本实施例给出一种判定Nd:YCOB晶体调Q绿光自倍频固体激光器最佳热平衡运转条件的装置。
本实施例泵浦源和晶体的基本情况与实施例1相同，区别在于：
(1)晶体为8at.％Nd:YCOB，晶体按室温下空间最佳相位匹配方向θ＝113°，φ＝47.6°切割，通光方向的两个端面抛光处理。晶体通光面为正方形，晶体尺寸为3×3×5mm。
(2)本实施例不在晶体两端面加工镀膜，而是采用外加腔镜构成谐振腔。
(3)腔镜镀膜参数为：对泵浦光波长(808nm)高透(HT)、对1061nm和530.5nm的高反(HR)；输出端镀膜参数为：对1061nm的高反(HR)膜和530.5nm的高透(HT)膜。
(4)激光谐振腔内加入声光Q开关9进行调Q，可以得到脉冲形式的激光输出，从而实现提高峰值功率的目的。
(5)本实施例观测的倍频光信号变化曲线，是由脉冲峰值位置形成的包络线。脉冲输出重复频率越高，此包络线随泵浦强度和晶体控温的变化趋势，越趋近于连续激光的情况。
与实施例1、2相同，通过观察示波器上脉冲包络曲线的变化，可以判定某一泵浦条件和调Q频率下，最佳的热平衡运转条件；或者在高功率、高重频情况下，还可以根据本发明的装置，结合理论计算，得出自变频晶体最佳相位匹配方向对应的温度，来实现晶体特定温度下匹配角切割，提高自变频输出效率。
Claims (5)
1.一种判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，其包括：
置于自变频激光器输出光路上的分光棱镜，所述分光棱镜将自变频激光器的出射激光进行分光得到自变频激光信号；
设置于所述自变频激光信号光路上的小孔光阑；
位于所述小孔光阑光出射方向上的光电探测器；和
与所述光电探测器电相连的示波器；
所述光电探测器探测由小孔光阑透过的自变频激光信号并转化为电信号，之后传送至示波器，在示波器中对所述电信号随自变频激光器中的自变频晶体内部热平衡建立的变化过程进行存储和分析，得出自变频激光对应的电信号强度随时间的变化曲线；
该曲线显示的电信号最强点纵坐标对应的幅度值为自变频激光器输出自变频激光最大强度经过光电探测器转换得到的电信号值，横坐标对应的时间值为自变频激光器从初始运转到实现最强自变频激光输出所对应的时间；该曲线显示的电信号最强点出现的时刻所对应的自变频晶体内部热平衡运转条件为该自变频晶体在相应泵浦条件下的最佳热平衡运转条件；不同泵浦条件下自变频晶体的最佳热平衡运转条件不同：
在低泵浦功率下，自变频晶体内部实际温度低于自变频晶体的最佳热平衡运转温度，通过调整自变频晶体的控温装置使自变频激光器稳定运转时自变频晶体的平衡温度控制在所述曲线显示的电信号最强点对应的温度，实现自变频激光器中自变频晶体的最佳热平衡运转；
在较高泵浦功率下，自变频晶体内部实际温度高于自变频晶体的最佳热平衡运转温度，通过调整自变频晶体的冷却散热装置对自变频晶体控温，使自变频激光器稳定运转时自变频晶体的平衡温度控制在所述曲线显示的电信号最强点对应的温度，实现自变频激光器中自变频晶体的最佳热平衡运转；
在高功率泵浦下，自变频晶体内部实际温度大幅度高于自变频晶体的最佳热平衡运转温度，则利用热场分布的理论计算，推算出最佳热平衡运转时自变频晶体内部温度梯度分布，指导自变频晶体按照最佳热平衡运转时的内部真实温度对应的最佳相位匹配方向切割，实现自变频激光器中自变频晶体的最佳热平衡运转。
2.按权利要求1所述的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，其特征在于：所述的自变频激光器为自倍频激光器、自和频激光器、自差频激光器或自参量振荡激光器。
3.按权利要求1所述的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，其特征在于：所述的自变频晶体为NdxY1-xAl3(BO3)4、Nd:YCa4O(BO3)3、Nd:GdCa4O(BO3)3或Nd:La2CaB10O19。
4.按权利要求1所述的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，其特征在于，还包括放置于光电探测器接收窗口前方的散射障碍物，所述散射障碍物为任意将过强的激光进行散射，以减弱探测器接收到的激光强度的物体。
5.按权利要求1所述的判定自变频晶体最佳热平衡运转条件的装置，其特征在于：所述的光电探测器为Si探测器或InGaAs探测器，探测器的响应波段要包含自变频激光波长。
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