CN107732637A - 一种自动温控固体激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，包括泵浦激光器(1)、第一反射镜(2)、单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)、热沉(4)、冷却装置(5)、温控系统(6)、散热片(7)、磁场装置(8)、光电探测器(9)；所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)通过铟嵌入热沉(4)内，所述热沉(4)开有多个盲孔，内嵌多个温度传感器，所述多个传感器将热沉不同位置的温度实时传送到温控系统(6)；所述温控系统(6)发出点阵式温控指令，所述点阵式温控指令控制所述冷却装置(5)的电压进而控制所述热沉(4)的每一点阵部位的温度使其与模拟值匹配。从而获得稳定的高功率激光输出。

Description

一种自动温控固体激光装置
技术领域
本发明涉及一种固体激光发生装置，特别是一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置。
背景技术
固体激光器的热效应问题是有史以来，限制激光器发展的重要瓶颈，特别是对于大功率激光器的发展起到了一定的制约作用，因此，激光器领域的科研工作者长久以来一直致力于为解决大功率激光器的散热问题不懈努力。现有的水冷、液氮冷却方式尽管能够在一定程度上降低激光晶体的热效应，但是，降热不均导致的晶体局部温差较大，热效应仍然明显，对于出光质量仍然具有较大影响。
目前，单纵模1645nm激光是激光测距机、相干多普勒雷达和差分吸收激光雷达等系统的理想光源，且1645nm激光可被光纤传输，使其应用领域广泛，涉及到遥感和光通信等诸多方面。单掺Er晶体的在1.6μm波段具有较大的增益，适合作为产生1645nm激光的增益介质。通常获得1645nm单纵模激光的技术手段是腔内标准具和扭转腔模法，但由于较大的热透镜效应，难以获得较好光束质量的单纵模激光输出。因此，对于这一类固体激光器的热效应问题的解决迫在眉睫。
发明内容
本发明为了解决现有单纵模1645nm激光器输出功率低、热效应明显的问题，提供了提出了新的固体激光装置的设计方案。具体为，
一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，包括泵浦激光器1、第一反射镜2、单块非平面环形腔Er:YAG晶体3、热沉4、冷却装置5、温控系统6、散热片7、磁场装置8、光电探测器9；所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体3通过铟嵌入热沉4内，散热片7用于给冷却装置5散热，所述的磁场装置8用于给单块非平面环形腔Er:YAG晶体4的入射端面提供垂直磁场，所述的冷却装置5用于冷却热沉4从而稳定单块非平面环形腔Er:YAG晶体4的温度；
所述热沉4开有多个盲孔，内嵌多个温度传感器，所述多个传感器将热沉不同位置的温度实时传送到温控系统6；
所述温控系统6包括信号放大器、信号运算电路、中央控制器，所述信号放大器将接收到的多个温度值信号放大后传输到所述信号运算电路，所述信号运算电路将运算结果传输到所述中央控制器，所述中央控制器将所述运算结果与模拟值匹配，所述中央控制器根据匹配结果发出点阵式温控指令，所述点阵式温控指令控制所述冷却装置5的电压进而控制所述热沉4的每一点阵部位的温度使其与模拟值匹配；
所述光电探测器9实时接收输出的光学信号，所述光学信号经光电转换电路转换后反馈至所述温控系统6，为所述匹配结果提供修正值；
所述的泵浦激光器1经第一反射镜2透射至单块非平面环形腔Er:YAG晶体3的入射端面，再经单块非平面环形腔Er:YAG晶体3吸收后形成1645nm激光，该1645nm激光经单块非平面环形腔Er:YAG晶体3反射至第一反射镜2后形成反射光，该反射光穿透第二反射镜10后形成单纵模连续波1645nm激光，该反射光经所述第二反射镜10反射后入射至所述光电探测器9供信号检测。
进一步的，所述第一反射镜2的一面镀45度1532nm高透膜，另一面镀45度1532nm高透且1645nm高反膜。
进一步的，所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体3的入射端面上同时镀有对泵浦光高透、对激光波长垂直偏振光高反和水平偏振光高透的膜。
进一步的，所述冷却装置5为热电制冷器，且制冷精度为±0.001℃。
进一步的，所述温控系统6根据所述匹配结果形成磁控制信号，并对所述磁场装置8进行微控制。
进一步的，所述的泵浦激光器1输出的泵浦光的光谱半峰全宽为2nm。
进一步的，所述磁场装置8包括位于晶体3两侧对称设置的异性磁铁，其产生的磁场强度大于0.6T。
进一步的，温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为25V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为30V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为35V。
本发明带来的有益效果是：本发明所述的一种全固态连续波单纵模1645nm固体激光器一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置的结构简单，体积小，且选用单块非平面环形腔Er:YAG晶体作为激光增益介质，使用泵浦激光器作为泵浦源，同时使用计算机精确温控系统，使得冷却系统能够根据晶体温度实时多点调整冷却水平，使的泵浦光吸收的均匀性同比提高50％以上，使获得的单纵模连续波1645nm固体激光的输出功率提高了5倍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述的室温条件下固体激光发生装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
如图1所示，一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，包括泵浦激光器1、第一反射镜2、单块非平面环形腔Er:YAG晶体3、热沉4、冷却装置5、温控系统6、散热片7、磁场装置8、光电探测器9；所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体3通过铟嵌入热沉4内，散热片7用于给冷却装置5散热，所述的磁场装置8用于给单块非平面环形腔Er:YAG晶体4的入射端面提供垂直磁场，所述的冷却装置5用于冷却热沉4从而稳定单块非平面环形腔Er:YAG晶体4的温度。所述第一反射镜2的一面镀45度1532nm高透膜，另一面镀45度1532nm高透且1645nm高反膜。所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体3的入射端面上同时镀有对泵浦光高透、对激光波长垂直偏振光高反和水平偏振光高透的膜。
所述热沉4开有多个盲孔，内嵌多个温度传感器，所述多个传感器将热沉不同位置的温度实时传送到温控系统6；优选的，所述盲孔均匀分布在晶体位置四周，且位于盲孔内部的探测器尽量接近晶体3的位置，这样，能够准确的探测到晶体3的真实温度。
所述温控系统6包括信号放大器、信号运算电路、中央控制器，所述信号放大器将接收到的多个温度值信号放大后传输到所述信号运算电路，所述信号运算电路将运算结果传输到所述中央控制器，所述中央控制器将所述运算结果与模拟值匹配，所述中央控制器根据匹配结果发出点阵式温控指令，所述点阵式温控指令控制所述冷却装置5的电压进而控制所述热沉4的每一点阵部位的温度使其与模拟值匹配；
所述光电探测器9实时接收输出的光学信号，所述光学信号经光电转换电路转换后反馈至所述温控系统6，为所述匹配结果提供修正值；该修正值叠加到匹配结果后进行实时修正，所述中央控制器根据修正结果发出控制指令。
所述的泵浦激光器1输出的泵浦光的光谱半峰全宽为2nm。所述的泵浦激光器1经第一反射镜2透射至单块非平面环形腔Er:YAG晶体3的入射端面，再经单块非平面环形腔Er:YAG晶体3吸收后形成1645nm激光，该1645nm激光经单块非平面环形腔Er:YAG晶体3反射至第一反射镜2后形成反射光，该反射光穿透第二反射镜10后形成单纵模连续波1645nm激光，该反射光经所述第二反射镜10反射后入射至所述光电探测器9供信号检测。
本发明的温控系统6包括信号放大器、信号运算电路、中央控制器、A/D和D/A电路等，中央控制器中预设有模拟温度值。所述冷却装置5为热电制冷器，且制冷精度为±0.001℃。本发明的制冷元件5可以采用TEC(Thermoelectric Cooler，半导体热电制冷器)，但不限于此。TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成，尺寸为15mm×15mm。制冷元件5的控制端电连接中央控制器的输出端，制冷元件5的制冷功率和上下表面温差随控制电压的大小发生变化。其中，温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为18-26V，优选25V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为28-33V，优选为30V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为34-37V，优选35V。
另外，所述温控系统6根据所述匹配结果形成磁控制信号，并对所述磁场装置8进行微控制。所述磁场装置8包括位于晶体3两侧对称设置的异性磁铁，其产生的磁场强度大于0.6T。
本发明所述的磁场装置产生的磁场，且磁场垂直于单块非平面环形腔Er:YAG晶体的入射端面，温控装置用于控制热沉从而稳定单块非平面环形腔Er:YAG晶体的温度，所述的温控装置与热沉物理接触，所述的泵浦激光器输出的泵浦光入射至耦合聚焦系统，经耦合聚焦系统聚焦至滤光片，经滤光片透射至单块非平面环形腔Er:YAG晶体的入射端面，被单块非平面环形腔Er:YAG晶体吸收后形成1645nm激光，该1645nm激光经单块非平面环形腔Er:YAG晶体反射至滤光片后形成反射光，该反射光作为单纵模连续波1645nm固体激光输出；所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体的入射端面即作为泵浦光入射面又作为激光输出耦合面。
本发明所述的一种全固态连续波单纵模1645nm固体激光器一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置的结构简单，体积小，且选用单块非平面环形腔Er:YAG晶体作为激光增益介质，使用泵浦激光器作为泵浦源，同时使用计算机精确温控系统，使得冷却系统能够根据晶体温度实时多点调整冷却水平，使的泵浦光吸收的均匀性同比提高50％以上，使获得的单纵模连续波1645nm固体激光的输出功率提高了5倍。
泵浦激光器1采用波长在1532nm的LD泵浦实现，是为了与单块非平面环形腔Er:YAG晶体4的吸收峰相匹配。
本实施方式中，通过具体实验验证获得具有单向行波的1645nm单纵模激光的输出功率，在常温工作条件下，冷却装置5的温度保持在17℃，制冷精度±0.001℃，从单块非平面环形腔Er:YAG晶体3导出的热量通过散热片散出，并使磁场装置8发出磁场强度为0.6T的高斯磁场，使泵浦激光器1输出功率为9.2W泵浦光至依次经过耦合聚焦系统和第一反射片2后，入射至单块非平面环形腔Er:YAG晶体3的入射端面，被单块非平面环形腔Er:YAG晶体3吸收后形成1645nm激光，该1645nm激光经单块非平面环形腔Er:YAG晶体3反射至第一反射片2后形成反射光，该反射光作为单纵模连续波1645nm固体激光输出；且单纵模连续波1645nm固体激光输出的连续功率为0.55W；所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体3的入射端面即作为泵浦光入射面又作为激光输出耦合面。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种自动温控固体激光装置，其特征在于，包括泵浦激光器(1)、第一反射镜(2)、单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)、热沉(4)、冷却装置(5)、温控系统(6)、散热片(7)、磁场装置(8)、光电探测器(9)；
所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)通过铟嵌入热沉(4)内，散热片(7)用于给冷却装置(5)散热，所述的磁场装置(8)用于给单块非平面环形腔Er:YAG晶体(4)的入射端面提供垂直磁场，所述的冷却装置(5)用于冷却热沉(4)从而稳定单块非平面环形腔Er:YAG晶体(4)的温度；
所述热沉(4)开有多个盲孔，内嵌多个温度传感器，所述多个传感器将热沉不同位置的温度实时传送到温控系统(6)；
所述温控系统(6)包括信号放大器、信号运算电路、中央控制器，所述信号放大器将接收到的多个温度值信号放大后传输到所述信号运算电路，所述信号运算电路将运算结果传输到所述中央控制器，所述中央控制器将所述运算结果与模拟值匹配，所述中央控制器根据匹配结果发出点阵式温控指令，所述点阵式温控指令控制所述冷却装置(5)的电压进而控制所述热沉(4)的每一点阵部位的温度使其与模拟值匹配；
所述光电探测器(9)实时接收输出的光学信号，所述光学信号经光电转换电路转换后反馈至所述温控系统(6)，为所述匹配结果提供修正值；
所述的泵浦激光器(1)经第一反射镜(2)透射至单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)的入射端面，再经单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)吸收后形成1645nm激光，该1645nm激光经单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)反射至第一反射镜(2)后形成反射光，该反射光穿透第二反射镜(10)后形成单纵模连续波1645nm激光，该反射光经所述第二反射镜(10)反射后入射至所述光电探测器(9)供信号检测。
2.根据权利要求1所述的一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，其特征在于，所述第一反射镜(2)的一面镀45度1532nm高透膜，另一面镀45度1532nm高透且1645nm高反膜。
3.根据权利要求1所述的一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，其特征在于，所述的单块非平面环形腔Er:YAG晶体(3)的入射端面上同时镀有对泵浦光高透、对激光波长垂直偏振光高反和水平偏振光高透的膜。
4.根据权利要求1至3之一所述的一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，其特征在于，所述冷却装置(5)为热电制冷器，且制冷精度为±0.001℃。
5.根据权利要求4所述的一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，其特征在于，所述温控系统(6)根据所述匹配结果形成磁控制信号，并对所述磁场装置(8)进行微控制。
6.根据权利要求5所述的一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，其特征在于，所述的泵浦激光器(1)输出的泵浦光的光谱半峰全宽为2nm。
7.根据权利要求5所述的一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，其特征在于，所述磁场装置(8)包括位于晶体(3)两侧对称设置的异性磁铁，其产生的磁场强度大于0.6T。
8.根据权利要求1所述的一种LD泵浦的单纵模连续波1645nm固体激光装置，其特征在于，温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为25V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为30V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为35V。
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