CN102842848A - 电控宽域热不灵敏固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明运用激光谐振腔的矩阵光学理论，并根据内含补偿透镜和热透镜的激光腔处于热不灵敏的条件，给出了激光腔处于热不灵敏状态时补偿透镜屈光度与热透镜屈光度的对应关系；在此基础上，设计了一种宽域热不灵敏激光腔，该激光腔采用电调谐液体透镜作为补偿透镜，根据泵浦功率的变化调节电压改变液体透镜的屈光度，进而使激光腔在泵浦范围内始终保持热不灵敏状态。该激光器通过电调谐无机械运动的方法适应热透镜大范围变化，对获得实用的激光器有重要意义。

Description

电控宽域热不灵敏固体激光器

技术领域

本发明是属于固体激光器领域，涉及如何使固体激光器在整个泵浦范围内都能够稳定运转。 

背景技术

固体激光器是一种应用非常广泛的激光器，多年来一直受到激光产业和科研人员的极大重视。光泵固体激光器的热效应会在激光棒中引起轴向和径向折射率梯度，从而产生热透镜效应，当泵浦功率变化时，热透镜的屈光度变化很大，可以从0变化到10m^-1，从而使谐振腔的性质发生明显的变化，严重影响了激光器运行特性。人们对于激光器的热效应进行了很多研究，提出了一些模型以及通过实验来确定热透镜的大小，研究如何降低热效应，但是无论如何降低热效应，它总是存在的，总是影响激光器的输出特性。为克服这种影响，人们设计了热灵敏腔，它们的共同特征都是只有在设计规定的热焦距值（因而也是特定的输入、输出功率）时才有效。而对于实际应用，则希望激光器在整个泵浦范围内都能稳定运行。据此有人提出根据泵浦功率反馈改变输出镜的位置以自动适应热焦距变化的方法，此法涉及高精度的机械运动的控制，控制系统复杂，成本高，另外，激光器的输出特性对腔镜的角度非常灵敏，改变腔镜的位置后需重新调节腔镜的角度。 

发明内容

技术问题：本发明的目的在于：提出一种可连续补偿固体激光器的激光棒在不同功率泵浦时产生的热透镜效应的方案，用于解决激光器在整个泵浦范围内都能稳定运行的问题。 

技术方案：本发明的电控宽域热不灵敏固体激光器，主要是在固体激光器主体内设置补偿用电控变焦液体透镜。电控变焦液体透镜可调节其控制电压来改变自身的屈光度，以补偿固体激光器的激光棒泵浦时引起的热透镜效应；热透镜的屈光度随泵浦功率而改变，根据泵浦功率的变化来调节液体透镜控制电压，可使激光腔在整个泵浦功率范围内始终保持热不灵敏状态。 

本发明的电控宽域热不灵敏固体激光器，该固体激光器在固体激光器主体内，从一端到另一端同轴线顺序排列有平面输出镜、激光棒、补偿用电控变焦液体透镜、平面反射镜；其中，平面输出镜到激光棒的距离为d1，激光棒到补偿用电控变焦液体透镜的距离为d2，补偿用电控变焦液体透镜到平面反射镜的距离为d3。 

所述的激光器主体为闪光灯泵浦或激光二极管泵浦，连续或脉冲运转，是液冷、风或半导体致冷器制冷；泵浦源是端泵或者侧泵。 

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点： 

本发明通过在固体激光腔中插入一个电调谐的液体透镜用于补偿泵浦引起的热透镜效应，根据泵浦功率的变化调节电压改变液体透镜的屈光度，进而使激光腔在整个泵浦范围内始终保持热不灵敏状态。本发明具有电调谐无机械运动，结构简单，易于实现，成本低，在全部泵浦范围内都可实现补偿的优点，将在实用激光器领域得到广泛的应用。

创新之处在于：通过在激光腔中插入一个电调谐的液体透镜补偿，因热效应的热焦距的变化，通过调节补偿透镜的电压适应热焦距大范围的变化。 

附图说明

图1是设有液体变焦透镜的Nd:YAG激光谐振腔结构示意。 

图中有固体激光器主体1和补偿用电控变焦液体透镜2、平面输出镜3、激光棒4、平面反射镜5； 

d₁为M₁镜反射镜和激光棒左端面间的距离，d₂为激光棒右端面与液体透镜间的距离，d₂为液体透镜与M₂反射镜间的距离，激光棒长度为l。H₁、H₂为厚透镜的两个主面，其到棒端面的距离为h，x₂为液体透镜的屈光度。

图2是传输矩阵等效图。 

图3是热透镜屈光度与液体透镜屈光度关系图。 

图4屈光度p(m^-1)与电压U(V)的曲线关系图。 

具体实施方式

本发明以灯泵Nd:YAG激光器为例，运用激光谐振腔的矩阵光学理论，并根据内含补偿透镜和热透镜的激光腔处于热不灵敏的条件，给出了激光腔处于热不灵敏状态时补偿透镜屈光度与热透镜屈光度的对应关系；在此基础上，设计了一种宽域热不灵敏激光腔，该激光腔采用电调谐液体透镜作为补偿透镜，根据泵浦功率的变化调节电压改变液体透镜的屈光度，进而使激光腔在泵浦范围内始终保持热不灵敏状态。 

在固体激光器中，对于被加热的Nd:YAG激光棒可近等效似为厚透镜，进而等效为一个薄透镜。厚透镜的焦距f的倒数记为x（即屈光度）和主面位置h在1/b够小的情况下可表示为: 

x≈4n₀l/b²                 （1）

和    h≈l/(2n₀)           （2）

n₀是棒的折射率,l棒长，b是热效应系数，反比于泵浦功率，并与介质性质和冷却条件有关。对于通常的灯泵固体Nd:YAG激光器，有一个便于应用的经验公式^[4]：

$x=0.63{P_{\mathrm{in}}}^{\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

式中，α＝1-1.15，视冷却条件取值，在此取α为1.15，P_in是灯泵的电功率，式中x以m^-1为单位，P_in以kw为单位。

图1为内含补偿透镜的Nd:YAG激光谐振腔，其中M₁为平面输出镜，M₂为平面反射镜，d₁为M₁镜反射镜和激光棒左端面间的距离，d₂为激光棒右端面与液体透镜间的距离，d₃为液体透镜与M₂反射镜间的距离，激光棒长度为l。H₁、H₂为厚透镜的两个主面，其到棒端面的距离为h，x₂为液体透镜的屈光度。 

将激光棒等效成一个屈光度为x₁的薄透镜，则图1中所示的激光腔用传输矩阵 

表示，如图2所示，其中c为激光棒等效的热透镜的屈光度。

由图1和图2得到: 

$\left[\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ C_1& D_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& h\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& d_1\\ 0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& d_1+h\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{cc}{A}_2& B_2\\ C_2& D_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& d_3\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -x_2& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& d_2\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& h\\ 0& 1\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cc}1-d_3{x}_2& h+d_2+d_3-{\mathrm{hd}}_3{x}_2-d_2{d}_3{x}_2\\ -x_2& 1-{\mathrm{hx}}_2-d_2{x}_2\end{array}\right]---\left(5\right)$

由图2得到从M₁到M₂的传输矩阵M为：

$M=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_2& B_2\\ C_2& D_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -x_1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{A}_1& B_1\\ C_1& D_1\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中：

A=A₁A₂+B₂C₁-A₁B₂x                      （7）

B=A₂B₁+B₂D₁-B₁B₂x₁                     （8） 

D=B₁C₂+D₁D₂-B₁D₂x₁                   （9）

腔参数g₁，g₂为：

g₁=A                                 （10）

g₂=D                                 （11）

为方便起见，这里引入三个辅助参量u₁，u₂，x，

u₁=B₁=d₁+h                           （12）

u₂=B₂=h+d₂+d₃-hd₃x₂-d₂d₃x₂           （13）

$x=x_1-A_2/B_2-D_1/B_1=x_1-\frac{1}{d_1+h}-\frac{1-d_3{x}_2}{h+d_2+d_3-{\mathrm{hd}}_3{x}_2-d_2{d}_3{x}_2}---\left(14\right)$

这样g₁，g₂，B可表示为

$g_1=-\frac{B_2}{B_1}(1+{\mathrm{xu}}_1)---\left(15\right)$

$g_2=-\frac{B_1}{B_2}(1+{\mathrm{xu}}_2)---\left(16\right)$

B=-B₁B₂x                              （17）

对于图1的谐振腔，其反射镜M₁、M₂处的光斑半径W₁，W₂分别为：

${W_1}^2=\frac{\mathrm{\λ}\left|B\right|}{\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{g_2}{g_1(1-g_1{g}_2)}}---\left(18\right)$

${W_2}^2=\frac{\mathrm{\λ}\left|B\right|}{\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{g_1}{g_2(1-g_1{g}_2)}}---\left(19\right)$

随着热焦距x₁的变化，会引起W₁的大幅度变化，并由此引起模体积和输出功率的变化。由于当输出镜为平面镜时，基模高斯光束的束腰落在输出镜上，而且M₁镜上的光斑半径W₁即为束腰半径，因而要实现热稳定基模运转，必须要求W₁不随x₁发生变化，即要使输出光模式对热焦距的抖动不敏感，由Steffen的热稳条件可得到：

$\frac{{\mathrm{dw}}_1}{{\mathrm{dx}}_1}=0---\left(20\right)$

由（18）式及（15）-（17）式，可以得到：

$\frac{{\mathrm{dw}}_1}{{\mathrm{dx}}_1}=\frac{-W_1}{4g_{1}g(1-g_1{g}_2)}[2u_1{u}_2^2{x}^2+2u_2(u_1+u_2)x+u_1+u_2]---\left(21\right)$

代入方程（20），有

$2u_1{u}_2^2{x}^2+2u_2(u_1+u_2)x+u_1+u_2=0---\left(22\right)$

解得

$x_0=\frac{-(u_1+u_2)\±\sqrt{u_2^2-u_1^2}}{2u_1{u}_2}---\left(23\right)$

因为（23）式取加号时对应较大的泵浦功率，从而对应于较大的输出功率，所以实际中取加号的值。所以由（12-14）式及（23）式得：

$x_1=\frac{2h+d_1+d_2+d_3-2d_1{d}_3{x}_2-d_2{d}_3{x}_2-3{\mathrm{hd}}_3{x}_2+\sqrt{{(h+d_2+d_3-{\mathrm{hd}}_3{x}_2-d_2{d}_3{x}_2)}^2-{(d_1+h)}^2}}{2(d_1+h)(h+d_2+d_3-{\mathrm{hd}}_3{x}_2-d_2{d}_3{x}_2)}---\left(24\right)$

（24）式中除x₂随泵浦功率变化而变化时，其余量都是确定的。根据泵浦功率由（3）式计算出x₂或由实验测得x₂，由（24）式得到x₁，调节液体透镜上的电压，使液体透镜的屈光度为x₁，此时激光腔为热稳腔。

中小功率的氪灯泵浦的Nd:YAG激光器，采用对称放置的平平腔结构，选取d1=d2=d3=0.3m,h=0.03m。有效泵浦范围对应的屈光度为0.5-4.5m，由（24）式可得出激光腔处于热不灵敏状态时，补偿液体透镜的屈光度与热透镜屈光度的关系，如图3所示，由图3可知需要液体透镜屈光度要从-3-30m连续可变，由图4可知，只需电压从20-70V可调即可。 

Claims (2)

1.一种电控宽域热不灵敏固体激光器，其特征在于该固体激光器在固体激光器主体（1）内，从一端到另一端同轴线顺序排列有平面输出镜（3）、激光棒（4）、补偿用电控变焦液体透镜（2）、平面反射镜（5）；其中，平面输出镜（3）到激光棒（4）的距离为d1，激光棒（4）到补偿用电控变焦液体透镜（2）的距离为d2，补偿用电控变焦液体透镜（2）到平面反射镜（5）的距离为d3。

2.根据权利要求1所述的电控宽域热不灵敏固体激光器，其特征在于所述的激光器主体（1）为闪光灯泵浦或激光二极管泵浦，连续或脉冲运转，是液冷、风或半导体致冷器制冷；泵浦源是端泵或者侧泵。

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