CN105048278A - 一种激光器功率稳定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光器功率稳定装置及方法。功率稳定装置，包括激光器、聚焦透镜、非线性晶体、分光镜、垃圾池、λ/2波片、偏振分束器、光电探测器和控制器；激光器输出光束经聚焦透镜聚焦于非线性晶体内，少部分激光转化为倍频光；非线性晶体的透射光束经分光镜后基频光与倍频光分开，倍频光引入垃圾池，基频光依次经过λ/2波片和偏振分束器被分成两束光，透射光作为主激光输出，反射光进入光电探测器；光电探测器的输出信号进入控制器，控制器产生控制信号控制非线性晶体的温度，进而稳定激光功率。本发明功率稳定方法，通过控制非线性晶体的温度改变其倍频转化效率，改变其对激光束的倍频损耗的大小，补偿激光功率波动，达到稳定激光功率的目的。

Description

一种激光器功率稳定装置及方法
技术领域
本发明涉及激光器稳定技术领域，具体是一种激光器功率稳定装置及方法。
技术背景
激光器以其优良特性，广泛应用于通信、工业制造、精密测量，引力波探测和科学研究等领域。近些年来，随着研究的进一步深入，高功率激光器显得越来越重要。激光器功率的稳定性一直是很受关注的一个问题，为了在稳定激光器功率的同时不影响激光器的频率稳定性，一般通过光电负反馈控制置于激光器输出光路中的电光调制器或声光调制器来稳定激光输出功率。但是由于电光调制器或声光调制器的光损伤阈值较低，不适用于稳定高功率激光器的输出功率，而且采用该方法设计成本较高。
发明内容
本发明为解决高功率激光器的功率稳定问题，提供了一种成本低廉、设计简单且适用于高功率激光器的功率稳定装置及方法。
本发明提供的一种激光器功率稳定装置，包括激光器、聚焦透镜、非线性晶体、分光镜、垃圾池、λ/2波片、偏振分束器、光电探测器和控制器；所述的非线性晶体为倍频晶体，并置于紫铜控温炉中；激光器的输出光束经聚焦透镜聚焦于非线性晶体内，部分激光转化为倍频光；非线性晶体的透射光束经分光镜后倍频光与基频光分开，倍频光引入垃圾池，基频光依次经过λ/2波片和偏振分束器；偏振分束器将光束分成两束，透射光作为主激光输出，反射光进入光电探测器；光电探测器的输出信号进入控制器，控制器产生控制信号控制非线性晶体的温度，进而稳定激光功率。
所述的非线性晶体为倍频晶体，如LBO、PPKTP或PPSLT晶体。当激光束经过倍频晶体时，会有一部分的激光转化为倍频光，倍频光作为无用光被引入垃圾池，所以激光束的光功率会相应的降低。在相位匹配下，倍频晶体的倍频转换效率随晶体温度的变化而变化，其变化关系如图2所示。所以，可以通过控制非线性倍频晶体的温度，调控非线性倍频晶体的倍频转换效率，进而补偿激光功率的波动。当激光束光功率偏高时，控制晶体温度，使其倍频转换效率增大；而当激光束光功率偏低时，控制晶体温度使其倍频转换效率减小，从而将激光功率保持在稳定值处。
本发明提供的一种激光器功率稳定方法，采用如上所述的激光器功率稳定装置，具体步骤包括：
a)激光器输出光束经聚焦透镜聚焦于非线性倍频晶体内，倍频晶体将一部分激光转化为倍频光；
b)倍频晶体的输出光束中包含有基频光和倍频光两部分，置于该光束中的分光镜将两部分光分开，倍频光为无用光，被引入垃圾池，而基频光依次经过λ/2波片和偏振分束器；
c)偏振分束器将激光束分成偏振方向互相垂直的两束光(反射光和透射光)，透射光作为主激光输出，反射光经光电探测器转换为电信号；
d)将电信号输入控制器，控制器产生控制信号，控制倍频晶体的温度，使激光功率保持稳定。
所述的控制器包括PID控制单元和温度控制单元。光电探测器输出的电信号与控制器内参考电压信号比较，得出误差信号，经PID控制电路后得到控制信号，输入至温度控制单元的温度设定端，改变温度控制单元的温度设定值，进而通过驱动TEC改变非线性倍频晶体的温度。
本发明所述的控制器含有PID控制单元和温度控制单元，用来控制非线性晶体的温度。控制器中的PID控制单元中参考电压信号值与激光器系统设定的功率稳定值对应。控制器中的温度控制单元具有较大的温度控制范围及较高的控温稳定性。
本发明所述的激光器为固体激光器、光纤激光器、气体激光器、染料激光器等。
本发明所述的分光镜，对激光器输出光束(基频光)高透，而对其倍频光高反。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果：
(1)本发明提供的一种激光器功率稳定装置及方法，成本低廉，设计简单，能满足高功率激光器的光功率稳定需求；
(2)本发明提供的一种激光器功率稳定方法，利用非线性晶体的倍频转化效应将部分激光转化为倍频光损耗掉，通过控制非线性晶体的倍频转化效率改变损耗大小，补偿激光器输出功率的波动；
(3)利用本发明提供的一种激光器功率稳定装置，能够达到很好的功率稳定效果。
附图说明
图1为本发明所述一种激光器功率稳定装置的结构示意图。图中：1-激光器，2-聚焦透镜，3-非线性晶体，4-分光镜，5-垃圾池，6-λ/2波片，7-偏振分束器，8-光电探测器，9-控制器。
图2为非线性倍频晶体的倍频转化效率随其温度的变化关系。
图3为某一匹配温度范围内不同功率的激光束经非线性倍频晶体后输出光功率随晶体温度的变化关系。图中，曲线1，2，3对应的激光束功率逐渐降低。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1所示，一种激光器的功率稳定装置，包括激光器1、聚焦透镜2、非线性晶体3、分光镜4、垃圾池5、λ/2波片6、偏振分束器7、光电探测器8和控制器9；所述的非线性晶体3，其特征在于，该非线性晶体3为倍频晶体，并置于紫铜控温炉中；将非线性晶体3置于聚焦透镜2的焦点处，全固态激光器1输出光束经聚焦透镜2聚焦于非线性晶体3内，部分激光转化为倍频光；非线性晶体3的透射光束经分光镜4后基频光和倍频光分开，倍频光引入垃圾池5，基频光依次经过λ/2波片6和偏振分束器7；偏振分束器7将光束分成两束，透射光作为主激光输出，反射光进入光电探测器8；光电探测器8的输出信号进入控制器9，控制器9产生控制信号控制非线性晶体3的温度，进而稳定激光功率。
本发明所述的非线性倍频晶体为LBO晶体，在Ⅰ类非临界相位匹配条件下，当激光束经过LBO晶体时，会有一部分的激光转化为倍频光损耗掉，图2所示的为LBO晶体的倍频转换效率随其温度的变化关系，通过改变LBO晶体的温度，改变其倍频转换效率，进而改变激光束倍频转换损耗的大小，补偿激光功率的波动。图3所示的为某一匹配温度范围内不同功率的激光束通过LBO晶体后，输出功率随LBO晶体温度的变化曲线，曲线1，2，3对应的激光功率逐渐减低。从图中可以看出，为了保持激光束功率稳定，当激光束功率偏高时，需降低LBO晶体的温度；当激光束功率偏低时，需升高LBO晶体的温度。
一种激光器功率稳定方法，其步骤包括：a)激光器1输出光束经聚焦透镜2聚焦于非线性倍频晶体3内，倍频晶体3将一部分激光转化为倍频光；b)倍频晶体的输出光束中包含有激光器输出光束(基频光)和倍频光两部分，置于该光束中的分光镜4将两部分光分开，倍频光为无用光，被引入垃圾池5，而基频光依次经过λ/2波片6和偏振分束器7；c)偏振分束器7将激光束分成偏振方向互相垂直的两束光(反射光和透射光)，透射光作为主激光输出，反射光经光电探测器8转换为电信号；d)将电信号输入控制器9，控制器9产生控制信号，控制倍频晶体3的温度，使激光功率保持稳定。
旋转λ/2波片使约百分之九十九的激光透过偏振分束器作为系统的输出光束，而只有约百分之一的激光经偏振分束器反射进入光电探测器用于反馈控制。
所述的控制器中PID控制单元的参考电压信号与系统功率稳定值对应，根据激光器系统选取合适的设定功率值，调整电位器使参考电压信号与之对应，从而控制使激光器功率稳定在设定值处；控制器中温度控制单元具有高于140℃的高温控温能力，且4小时内控温稳定度小于±0.02℃。

Claims (5)

1.一种激光器功率稳定装置，包括激光器(1)、聚焦透镜(2)、非线性晶体(3)、分光镜(4)、垃圾池(5)、λ/2波片(6)、偏振分束器(7)、光电探测器(8)和控制器(9)；其特征在于，所述的非线性晶体(3)为倍频晶体，并置于紫铜控温炉中；激光器(1)的输出光束经聚焦透镜(2)聚焦于非线性晶体(3)内，部分激光转化为倍频光；非线性晶体(3)的透射光束经分光镜(4)后倍频光与基频光分开，倍频光引入垃圾池(5)，基频光依次经过λ/2波片(6)和偏振分束器(7)；偏振分束器(7)将光束分成两束，透射光作为主激光输出，反射光进入光电探测器(8)；光电探测器(8)的输出信号进入控制器(9)，控制器(9)产生控制信号控制非线性晶体(3)的温度，进而稳定激光功率。
2.根据权利要求1所述的一种激光器功率稳定装置，其特征在于，所述的倍频晶体为LBO、PPKTP或PPSLT晶体。
3.根据权利要求1所述的一种激光器功率稳定装置，其特征在于，所述的控制器(9)含有温度控制单元，用来控制非线性晶体的温度。
4.根据权利要求1所述的一种激光器功率稳定装置，其特征在于，所述的激光器(1)为固体激光器、光纤激光器、气体激光器或染料激光器。
5.一种激光器功率的稳定方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的激光器功率稳定装置，包括以下步骤：
(a)激光器(1)的输出光束经聚焦透镜(2)聚焦于非线性晶体(3)内，非线性晶体(3)将一部分激光转化为倍频光；
(b)非线性晶体(3)的输出光束中包含有基频光和倍频光两部分，置于该光束中的分光镜(4)将两部分光分开，倍频光为无用光，被引入垃圾池(5)，而基频光依次经过λ/2波片(6)和偏振分束器(7)；
(c)偏振分束器(7)将激光束分成偏振方向互相垂直的两束光，透射光和反射光，透射光作为主激光输出，反射光经光电探测器(8)转换为电信号；
(d)将电信号输入控制器(9)，控制器(9)产生控制信号，控制倍频晶体(3)的温度，使激光功率保持稳定。
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