CN107800029A - 一种自动温控自动调光固体激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自动温控自动调光固体激光系统，包括，第一光学系统，包括，第一激光泵浦装置、第二激光泵浦装置、第一输入镜、第一激光晶体、第一三维调整台、第一全反射镜、选模装置、第二三维调整台、第一输出镜；第二光学系统，包括，第二输入镜、第二激光晶体、温控调整装置、第二输出镜、滤光器；还包括第二全反射镜、探测装置；计算机控制系统，所述探测装置将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制系统，计算机控制系统根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台、所述第二三维调整台进行自动调节；根据所述温度信号控制所述温控调整装置。本发明通过两级激光装置的设计，获得稳定的理想波长光束需求，结构紧凑。

Description

一种自动温控自动调光固体激光系统
技术领域
本发明涉及一种固体激光发生装置，特别是一种自动温控自动调光固体激光系统。
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。
另外，为了获得特定波长的激光，往往需要设计较为复杂的光学谐振腔，而这些腔型结构复杂，对光路调节技术要求较高，因此，要获得稳定的光学输出，就会变得比较困难，因此，对于复杂谐振腔下既要克服热效应问题又要解决光路调节问题就变得十分迫切。
发明内容
本发明为了解决现有复杂谐振腔下热效应突出及调光难的技术问题而设计的全新固体激光系统方案。
本发明提供的一种自动温控自动调光固体激光系统，包括：
第一光学系统，包括，第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2、第一输入镜2-1、第一激光晶体2-3、第一三维调整台2-2、第一全反射镜2-4、选模装置2-5、第二三维调整台2-6、第一输出镜2-7；其中，第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2分别以双端泵浦的方式发射抽运光束到第一激光晶体2-3，获得的2μm的震荡光束，所述2μm震荡光束经选模装置2-4后从输出镜2-7输出；
第二光学系统，包括，第二输入镜4-1、第二激光晶体4-3、温控调整装置4-2、第二输出镜4-4、滤光器4-5；其中，从所述第一光学系统输出的2μm光束从所述第二输入镜4-1进入所述第二光学系统后，入射到所述第二激光晶体4-3，产生3μm-5μm震荡光束后从所述第二输出镜4-4输出，所述滤光器4-5用于过滤3μm-5μm震荡光束以外的光束；
第二全反射镜3，用于连接所述第一光学系统与所述第二光学系统，所述第一光学系统产生的2μm光束一部分经所述第二全反射镜3反射后进入所述第二光学系统，一部分从所述第二全反射镜3透射后进入探测装置5；
计算机控制系统6，所述探测装置5将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制系统6，计算机控制系统6根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台2-2、所述第二三维调整台2-6进行自动调节，从而获得预设的光束质量；所述温控调整装置4-2将所述第二激光晶体4-3的温度信号输入所述计算机控制系统6，所述计算机控制系统6根据所述温度信号形成第二控制信号，所述第二控制信号控制所述温控调整装置4-2的温度从而保证所述第二激光晶体4-3的温度与预设值相符。
进步一的，所述温控调整装置4-2包括：至少一个温度传感器，用于探测第二激光晶体4-3的温度；冷却装置，包括：紧密包裹第二激光晶体4-3的热沉以及与所述热沉相连接的温控系统。
进步一的，所述温控系统为水冷系统；所述计算机控制系统6接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生水泵控制信号，根据控制信号控制水泵系统的压力进而控制冷却水的流速。
进步一的，所述微通道呈单通道蛇形设置或多通道并排设置。
进步一的，所述温控系统为半导体致冷系统；所述计算机控制系统6接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生电压控制信号，根据电压控制信号控制半导体致冷系统的温度值。
进步一的，所述“根据比较结果，产生电压控制信号”包括：晶体温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为40V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为52V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为69V。
进步一的，所述第一三维调整台2-2、第二三维调整台2-6可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。
进步一的，所述“计算机控制系统6根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台2-2、所述第二三维调整台2-6进行自动调节，从而获得预设的光束质量”包括：先对所述第一三维调整台2-2进行调节或先对所述第二三维调整台2-6进行调节。
本发明的有益效果：本发明通过两级激光装置的设计，获得稳定的理想波长光束需求，结构紧凑，有效的解决了复杂光学结构下通过计算机自动调光技术，避免了人为技术的缺陷，而且节约了调光成本。同时，结合现有的冷却技术，通过计算机自动温控监测系统，能够实时自动监测晶体温度，并结合模拟的晶体温度与冷却量的匹配关系，实现自动控温，从而保证了晶体温度的基本恒定，为实现稳定的光学输出创造条件，进而获得理想的光束质量。
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，本发明提供的一种自动温控自动调光固体激光系统，包括：
第一光学系统，包括，第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2、第一输入镜2-1、第一激光晶体2-3、第一三维调整台2-2、第一全反射镜2-4、选模装置2-5、第二三维调整台2-6、第一输出镜2-7；其中，第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2分别以双端泵浦的方式发射抽运光束到第一激光晶体2-3，获得的2μm的震荡光束，所述2μm震荡光束经选模装置2-4后从输出镜2-7输出；
第二光学系统，包括，第二输入镜4-1、第二激光晶体4-3、温控调整装置4-2、第二输出镜4-4、滤光器4-5；其中，从所述第一光学系统输出的2μm光束从所述第二输入镜4-1进入所述第二光学系统后，入射到所述第二激光晶体4-3，产生3μm-5μm震荡光束后从所述第二输出镜4-4输出，所述滤光器4-5用于过滤3μm-5μm震荡光束以外的光束；
第二全反射镜3，用于连接所述第一光学系统与所述第二光学系统，所述第一光学系统产生的2μm光束一部分经所述第二全反射镜3反射后进入所述第二光学系统，一部分从所述第二全反射镜3透射后进入探测装置5；
计算机控制系统6，所述探测装置5将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制系统6，计算机控制系统6根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台2-2、所述第二三维调整台2-6进行自动调节，从而获得预设的光束质量；所述温控调整装置4-2将所述第二激光晶体4-3的温度信号输入所述计算机控制系统6，所述计算机控制系统6根据所述温度信号形成第二控制信号，所述第二控制信号控制所述温控调整装置4-2的温度从而保证所述第二激光晶体4-3的温度与预设值相符。
本实施方式所述光纤激光器泵浦的高功率3μm-5μm波段固体激光器，所述第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2是两个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1，第一光学系统为单掺Ho激光器，第二光学系统为3μm-5μm ZnGeP2光学参量振荡器。
单掺Ho激光器的特征输出波长为2.1μm，单掺Ho激光器还包括与第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2配合的第一耦合系统、第二耦合系统(未图示)。
一个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1-1发射的激光束通过第一耦合系统耦合后，经由平面输入镜2-1透射后入射至单掺Ho晶体2-3；另一个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束通过第二耦合系统耦合后，经由折叠镜2-4透射后入射至单掺Ho晶体2-3，单掺Ho晶体2-3对其两侧入射的光纤激光束进行吸收后，产生2μm波长的激光，该2μm波长的激光通过折叠镜2-4反射至石英声光调Q晶体2-5，石英声光调Q晶体2-5对输入的激光进行调制后，入射至平凹输出镜2-7，通过平凹输出镜2-7输出Ho激光；
该Ho激光经第三耦合系统耦合后变换成近平行光进入第二输入镜4-1，由第二输入镜4-1透射的激光由ZnGeP2晶体4-3吸收并进行频率下转换后，依次经由第二平面镜4-4和二色片4-5透射后输出，获得3μm-5μm波段激光。
本实施方式包括采用光纤耦合的792nm激光二极管泵浦的Tm光纤激光器；Tm光纤激光器泵浦的单掺Ho激光器；单掺Ho激光器泵浦的3-5μm ZnGeP2光学参量振荡器。
3μm-5μm ZnGeP2光学参量振荡器的光学参量振荡谐振腔由OPO输入镜，即第二输入镜4-1，和OPO输出镜构成。
单掺Ho晶体2-3选用Ho:YAP晶体，其通光轴为c轴，长度50mm；Ho3+掺杂浓度为0.3at.％。1.9μm单掺铥Tm光纤激光器的发射波长为1940nm，单掺Ho激光器的平凹输出镜曲率半径为-200mm，对2μm光的透过率为30％。
采用上述参数，当向3μm-5μm ZnGeP2光学参量振荡器注入3μm Ho:YAP泵浦激光7.8W时，能够获得5.1W稳定的3-5μm中红外激光输出，3μm到3-5μm的光转换效率达到65.6％。
折叠镜2-4与反射镜3的光轴呈45°设置。
第二输入镜4-1镀2μm高透膜和3μm-5μm高反膜。
输出镜4-4镀2μm高透膜和3μm-5μm的部分透射膜，透过率为30-50％。
ZnGeP2晶体端面镀2μm和3-5μm的高增透膜，切割角度55°，采用第一类相位匹配方式。
二色片4-5镀2μm高反膜和3μm-5μm高增透膜。
二色片4-5表面的镀膜是为了用来反射掉3μm-5μm激光中残留的2μm泵浦光。
1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1由792nm的激光二极管、传导光纤、双包层光敏光纤、光纤光栅和单掺铥Tm石英光纤组成，光纤光栅设置在双包层光敏光纤的传输路径上，792nm的激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤、双包层光敏光纤以及光纤光栅传输，再被单掺铥Tm石英光纤吸收后，产生1.9μm激光，作为1.9μm单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束；传导光纤与双包层光敏光纤焊接连接，双包层光敏光纤与单掺铥Tm石英光纤焊接连接。
1.9μm单掺铥Tm光纤激光器的基质包括氟基、硅基和ZBLAN玻璃，使用光纤光栅对单掺铥Tm石英光纤发射的1.9μm激光的发射波长进行控制，以与单掺Ho激光晶体的吸收波长相匹配。单掺杂Ho激光晶体的掺杂基质包括氟化钇锂YLF、氟化镥锂LuLF、铝酸钇YAP、镏铝石榴石LuAG、钒酸钇YVO4和钇铝石榴石YAG。
1.9μm单掺铥Tm光纤激光器采用792nm的激光二极管泵浦。双包层光敏光纤的纤芯直径为25μm、包层直径为250μm，传导光纤与双包层光敏光纤通过光纤熔接技术熔接。光纤光栅为利用飞秒fs激光刻写技术在双包层光敏光纤刻写的飞秒布拉格反射光栅FBG，光纤光栅的衍射中心波长与单掺Ho晶体吸收峰相对应。双包层光敏光纤与单掺铥Tm石英光纤通过光纤熔接技术熔接在一起，单掺铥Tm石英光纤的纤芯直径为25μm，包层直径为250μm，并且采用风扇对其进行强制冷却。
本实施方式中，激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤以及双包层光敏光纤的传输后被单掺铥Tm石英光纤吸收，792nm激光的功率达到光纤激光器的阈值之后，在光纤光栅的作用下，光纤激光器输出与Ho晶体吸收峰相匹配波长的1.9μm激光。
本实施例中，所述温控调整装置4-2包括：至少一个温度传感器，用于探测第二激光晶体4-3的温度；所述温度传感器的数量以5-10个为益，均匀分布在晶体周围，优选的，温度传感器可以设置于热沉当中，热沉中开设有相应的盲孔，温度传感器设置于盲孔中。冷却装置，包括：紧密包裹第二激光晶体4-3的热沉以及与所述热沉相连接的温控系统，热沉于晶体通过导热材料(例如铟)包裹。
所述温控系统可以为水冷系统；所述计算机控制系统6接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生水泵控制信号，根据控制信号控制水泵系统的压力进而控制冷却水的流速，模拟信息参数包括晶体当前位置的当前温度值，水流速度与单位时间内疏散热量值，或者单位时间内晶体降低温度值等。其中，所述微通道呈单通道蛇形设置或多通道并排设置。蛇形通道为串联结构，多通道并排设置为并联结构。
所述温控系统也可以为半导体致冷系统；所述计算机控制系统6接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生电压控制信号，根据电压控制信号控制半导体致冷系统的温度值。所述模拟信息参数包括晶体当前位置的当前温度值、半导体致冷器的冷却能力参数(如电流、电压、单位时间冷却能力等)等。根据比较结果，产生电压控制信号具体为：晶体温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为36-42V，优选，40V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为48-55V，优选52V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为65-80V，优选69V。
另外，所述第一三维调整台2-2、第二三维调整台2-6可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。所述三维调整台包括步进电机，转台，罗盘，所述步进电机实现被调整装置的前后左右移动，转台实现被调整装置的俯仰，罗盘上设置有刻度，提供移动量参考。其中，在对第一三维调整台2-2、第二三维调整台2-6进行调节时，可先对所述第一三维调整台2-2进行调节再对所述第二三维调整台2-6进行调节或先对所述第二三维调整台2-6进行调节再对所述第一三维调整台2-2进行调节，从而获得理想光束质量的输出光束，所述调整根据预设的计算模型进行。
综上，本发明通过两级激光装置的设计，获得稳定的理想波长光束需求，结构紧凑，有效的解决了复杂光学结构下通过计算机自动调光技术，避免了人为技术的缺陷，而且节约了调光成本。同时，结合现有的冷却技术，通过计算机自动温控监测系统，能够实时自动监测晶体温度，并结合模拟的晶体温度与冷却量的匹配关系，实现自动控温，从而保证了晶体温度的基本恒定，为实现稳定的光学输出创造条件，进而获得理想的光束质量。
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)

1.一种自动温控自动调光固体激光系统，其特征在于，包括：
第一光学系统，包括，第一激光泵浦装置(1-1)、第二激光泵浦装置(1-2)、第一输入镜(2-1)、第一激光晶体(2-3)、第一三维调整台(2-2)、第一全反射镜(2-4)、选模装置(2-5)、第二三维调整台(2-6)、第一输出镜(2-7)；其中，第一激光泵浦装置(1-1)、第二激光泵浦装置(1-2)分别以双端泵浦的方式发射抽运光束到第一激光晶体(2-3)，获得的2μm的震荡光束，所述2μm震荡光束经选模装置(2-4)后从输出镜(2-7)输出；
第二光学系统，包括，第二输入镜(4-1)、第二激光晶体(4-3)、温控调整装置(4-2)、第二输出镜(4-4)、滤光器(4-5)；其中，从所述第一光学系统输出的2μm光束从所述第二输入镜(4-1)进入所述第二光学系统后，入射到所述第二激光晶体(4-3)，产生3μm-5μm震荡光束后从所述第二输出镜(4-4)输出，所述滤光器(4-5)用于过滤3μm-5μm震荡光束以外的光束；
第二全反射镜(3)，用于连接所述第一光学系统与所述第二光学系统，所述第一光学系统产生的2μm光束一部分经所述第二全反射镜(3)反射后进入所述第二光学系统，一部分从所述第二全反射镜(3)透射后进入探测装置(5)；
计算机控制系统(6)，所述探测装置(5)将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制系统(6)，计算机控制系统(6)根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台(2-2)、所述第二三维调整台(2-6)进行自动调节，从而获得预设的光束质量；所述温控调整装置(4-2)将所述第二激光晶体(4-3)的温度信号输入所述计算机控制系统(6)，所述计算机控制系统(6)根据所述温度信号形成第二控制信号，所述第二控制信号控制所述温控调整装置(4-2)的温度从而保证所述第二激光晶体(4-3)的温度与预设值相符。
2.根据权利要求1所述的固体激光系统，其特征在于，所述温控调整装置(4-2)包括：
至少一个温度传感器，用于探测第二激光晶体(4-3)的温度；
冷却装置，包括：紧密包裹第二激光晶体(4-3)的热沉以及与所述热沉相连接的温控系统。
3.根据权利要求2所述的固体激光系统，其特征在于，所述温控系统为水冷系统；所述计算机控制系统(6)接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生水泵控制信号，根据控制信号控制水泵系统的压力进而控制冷却水的流速。
4.根据权利要求3所述的固体激光系统，所述热沉为微通道热沉，所述微通道呈单通道蛇形设置或多通道并排设置。
5.根据权利要求2所述的固体激光系统，其特征在于，所述温控系统为半导体致冷系统；所述计算机控制系统(6)接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生电压控制信号，根据电压控制信号控制半导体致冷系统的温度值。
6.根据权利要求5所述的固体激光系统，其特征在于，所述“根据比较结果，产生电压控制信号”包括：晶体温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为40V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为52V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为69V。
7.根据权利要求1所述的固体激光系统，其特征在于，所述第一三维调整台(2-2)、第二三维调整台(2-6)可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。
8.根据权利要求7所述的固体激光系统，其特征在于，所述“计算机控制系统(6)根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台(2-2)、所述第二三维调整台(2-6)进行自动调节，从而获得预设的光束质量”包括：先对所述第一三维调整台(2-2)进行调节或先对所述第二三维调整台(2-6)进行调节。
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