CN114336246A - 一种具有自动温度补偿的激光器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有自动温度补偿的激光器结构，包括泵浦源、工作物质和谐振腔。谐振腔有固定光学元件的谐振腔基板，谐振腔中的至少一个影响光学腔长的光学器件固定在补偿悬臂上，补偿悬臂的热胀系数大于谐振腔基板的热胀系数；补偿悬臂的固定端与谐振腔基板固定，自由端固定所述影响光学腔长的光学器件且延伸方向与该光学元件的朝向一致。所说的各部分间的固定可以是直接固定（如直接胶接），也可以是通过固定构件固定。本发明中，利用补偿悬臂与谐振腔基板热胀系数的不同，自动补偿温度对光学腔长的影响。其结构简单，性能可靠，可适用于各种不同结构的激光器。还可用于激光器中准直器类泵浦源的稳定聚焦。

Description

一种具有自动温度补偿的激光器结构

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种具有自动温度补偿的激光器结构。

背景技术

在腔体类光学结构中，如固体激光器的谐振腔，光学FP腔体等，腔体长度会随材料的热胀冷缩发生改变，导致负面效果。例如在无源谐振腔中，腔长的变化会引起谐振频率的变化；在固体激光器中，腔长的变化会引起激光波长的漂移；在锁模固体激光器中，腔长的变化会引起脉冲重复频率的变化。在采用部分自由空间光路的光纤激光器中，即使采用极低膨胀系数材料来制作自由空间部分的腔体以极大降低腔体的热膨胀，但还存在光纤本身的热膨胀。此类由温度带来改变由材料的物理特性决定，很难消除。有些结构采用极低膨胀系数材料来尽量减少腔长的热胀效应，然而，低膨胀系数材料有一定的工作温度范围。在温度变化大的环境中，依然难以消除此类热胀引起的负面效果。

为了解决现有技术存在的以上问题，本发明提出一种利用反向膨胀补偿来稳定腔体长度的结构。

发明内容

首先说明本发明的基本原理。如图1所示，假设图中的L为激光器谐振腔的光学腔长，因材料的热胀特性，随着温度的变化L值发生变化，导致激光器的负面效果。再如2所示，图中A表示材料为A的底板，B表示材料为B的补偿悬臂，材料B的热胀系数大于材料A，补偿悬臂与方向反向延伸。根据材料A和B的热胀系数比，调整底板与补偿悬臂的长度比，即可补偿腔长的热胀变化，使L保持恒定。当然，也可以是两个相向布置的补偿悬臂，使两个补偿悬臂自由端的距离不受热胀的影响。在更复杂的腔体结构中，还可以是多个补偿悬臂。

本发明即根据该原理提出一种具有自动温度补偿的激光器结构。

以下具体说明本发明的技术方案。

一种具有自动温度补偿的激光器结构，包括泵浦源、工作物质和谐振腔。谐振腔有固定光学元件的谐振腔基板，谐振腔中的至少一个影响光学腔长的光学器件固定在补偿悬臂上，补偿悬臂的热胀系数大于谐振腔基板的热胀系数，补偿悬臂的固定端与谐振腔基板固定，自由端固定所说影响光学腔长的光学器件且延伸方向与该光学元件的朝向一致。所说的各部分间的固定可以是直接固定（如直接胶接），也可以是通过固定构件固定。

常见的激光器谐振腔为反射镜构成的自由空间谐振腔，或为设在两端共两个反射镜造成直线光路，或多个反射镜造成折线光路。光学腔长为空间腔长，即两端反射镜间的单程光路长度，所说的影响光学腔长的光学器件即为反射镜。也有激光器的谐振腔采用其它结构，比如全光纤谐振腔，光纤的光学长度则为光学腔长，所说的影响光学腔长的光学器件为光纤；再如，兼有光纤和自由空间的谐振腔，光学腔长为空间腔长与光纤腔长之和，其中的反射镜、光纤、光纤准直器均为影响光学腔长的光学器件。

谐振腔基板热胀冷缩导致光学腔长发生变化，补偿悬臂的加入，带动其上固定的光学器件逆向伸缩。悬臂的长度小于谐振腔的长度，但由于其热胀系数大于谐振腔基板的热胀系数，只要选取适当的材料长度，即可抵消谐振腔基板热胀冷缩对光学腔长的影响。

当激光器的谐振腔为双反射镜结构时，优选方案为一端或两端反射镜固定在补偿悬臂上，以补偿光学腔长的热胀缩。

当激光器的谐振腔为多反光镜的折叠光路谐振腔时，作为优选案，一个或多个反射镜，分别固定在各自的补偿悬臂上。

当激光器的谐振腔为全光纤谐振腔时，将光纤绷紧，一端与谐振腔基板固定，另一端与补偿悬臂固定，或两端分别与相向布置的两个补偿悬臂固定。固定之前，将固定位置的光纤的涂覆层剥去，露出裸纤。因光纤有一定的弹性，将其绷紧固定后其两端固定点间的光纤长度就被固定点间的空间距离所决定。而两个固定点经过补偿悬臂的温度补偿，其距离不随温度变化。光纤长度即光纤腔长被固定。

当激光器的谐振腔为兼有光纤和自由空间的谐振腔时，采取将反光镜和/或光纤准直器固定在补偿悬臂上进行温度补偿，或采取前述固定光纤的方式进行温度补偿，或同时采取这两种方式。

当激光器的泵浦光源为准直光时，需保证准直光有稳定的聚焦性能，即需要保证尾纤端面与透镜间的距离及透镜与透镜间的距离恒定，不受材料热胀效应的影响。本发明可对准直器采用相同的温度补偿方案，即将光纤的尾纤端和/或透镜固定在补偿悬臂上，实现温度补偿。

本发明中，利用补偿悬臂与谐振腔基板热胀系数的不同，自动补偿温度对光学腔长的影响。其结构简单，性能可靠，可适用于各种不同结构的激光器。还可用于激光器中准直器类泵浦源的稳定聚焦。

附图说明

图1为激光器谐振腔的光学腔长的示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图3为本发明实施例1的示意图；

图4为本发明实施例2的平面示意图；

图5为本发明实施例2的立体示意图；

图6为本发明实施例2中泵浦源的平面示意图；

图7为本发明实施例2中泵浦源的立体示意图；

图8为本发明实施例3的示意图；

图9为本发明实施例4的平面示意图；

图10为本发明实施例4的立体示意图。

图中：1-谐振腔基板，2-补偿悬臂，31-反射镜一，32-反射镜二，33-反射镜三，34-反射镜四，4-工作物质，5-泵浦源，50-尾纤，51-透镜一，52-透镜二，6-光纤，71-准直器一，72-准直器二。

具体实施方式

实施例1

如图3所示。一种具有自动温度补偿的激光器结构，包括泵浦源（图中未示出）、工作物质4和谐振腔。工作物质4置于相向设置的反射镜一31和反射镜二32之间，反射镜31固定于谐振腔基板1的一侧，谐振腔基板1的另一侧固定有补偿悬臂2，补偿悬臂2的自由端固定反射镜32且其延伸方向与反射镜32的朝向一致。补偿悬臂2的热胀系数大于谐振腔基板1的热胀系数。各部分间的固定可以是直接固定（如直接胶接），也可以是通过固定构件固定。其中反射镜31或反射镜32为分光反射镜，即可以使形成的激光透射出。

在本实施例中，反射镜31和反射镜32之间的空间腔长（镜间距）即为谐振腔的光学腔长。谐振腔基板1热胀冷缩使其长度发生变化，补偿悬臂2的加入，带动其上固定的反射镜32逆向伸缩。由于补偿悬臂2其热胀系数大于谐振腔基板1的热胀系数，只要选取适当的材料和长度，即可抵消谐振腔基板1热胀冷缩对光学腔长的影响。

本实施例的一个变形方案是，反射镜31和反射镜32分别置于两个相向布置的补偿悬臂2的自由端。

实施例2

如图4和图5所示。本实施例的谐振腔为多反光镜的折叠光路谐振腔。泵浦源5产生的泵浦光进入谐振腔，沿反射镜一31、反射镜二32、反射镜三33、反射镜四34再回到反射镜一31的路线传播谐振，如图4中虚线所示。反射镜三33和反射镜四34分别固定在各自的补偿悬臂2上，以补偿谐振腔基板1热胀缩引起的光学腔长的变化。

在本实施例中，可以是任一或任两个或三个或全部四个反射镜分别固定在补偿悬臂2上。

本实施例中，泵浦源5为准直光，需保证准直光有稳定的聚焦性能，即需要保证尾纤端面与透镜间的距离及透镜与透镜间的距离保持恒定，不受材料热胀效应的影响。本发明可对准直器采用相同的温度补偿方案，即将光纤的尾纤端和/或透镜固定在补偿悬臂上，实现温度补偿。如图6和图7所示，泵浦源5在谐振腔基板1上，光从尾纤50的端面出射通过透镜一51和透镜二52准直和聚焦，尾纤50的端面与透镜一51间的距离L1及透镜一51与透镜二52之间的距离L2应保持恒定。本实施例中，分别将尾纤50和透镜二52固定在各自补偿悬臂2的自由端，补偿悬臂2的固定端与谐振腔基板1固定，自由端朝向透镜一51。因补偿悬臂2的热胀系数大于谐振腔基板1，根据两者热胀系数的比例选择补偿悬臂2的适当长度，即可抵消热胀缩对间距L1和L2的影响。

这种结构的泵浦源不仅可以用于本实施例的激光器，也可用于其他各种激光器。

实施例3

本实施例的激光器结构采用全光纤谐振腔。如图8所示，利用将光纤6具有的一定弹性，将光纤6绷紧，一端与谐振腔基板1固定，另一端与补偿悬臂2固定。固定之前，将固定位置的光纤的涂覆层剥去，露出裸纤。固定后其两端固定点间的光纤长度就被固定点间的空间距离所决定。经过补偿悬臂的温度补偿，该距离不随温度变化，即光学腔长保持不变。

实施例4

如图9图10。本实施例的激光器的谐振腔为固定在谐振腔基板1上兼有光纤谐振腔和自由空间谐振腔，其谐振腔包括两端为准直器一71和准直器二72中间为光纤6的光纤谐振腔部分，以及准直器二72、反射镜一31、反射镜二32和准直器71构成的空间谐腔部分。光学腔长由光纤腔长（图9中La）和空间腔长（图9中Lb）构成。准直器二72固定在补偿悬臂2的自由端进行温度补偿。根据全部光学腔长的热胀缩变化，选择合适的补偿悬臂2的材料和长度，即可实现全光学腔长的温度补偿。

本实施中，也可以是任一反射镜和准直器或其组合固定在补偿悬臂上，实现温度补偿。还可以将光纤的全部或部分采用实施例3中的结构进行温度补偿。

Claims (7)

1.一种具有自动温度补偿的激光器结构，包括泵浦源、工作物质和谐振腔，谐振腔有固定光学元件的谐振腔基板（1），其特征是：谐振腔中的至少一个影响光学腔长的光学器件固定在补偿悬臂（2）上，补偿悬臂的热胀系数大于谐振腔基板的热胀系数；补偿悬臂的固定端与谐振腔基板固定，自由端固定所述影响光学腔长的光学器件且延伸方向与该光学元件的朝向一致。

2.根据权利要求1所述的一种具有自动温度补偿的激光器结构，其特征是：所述的谐振腔为由反射镜一（31）和反射镜二（32）构成的双反射镜结构，反射镜一（31）和/或反射镜二（32）固定在补偿悬臂（2）上。

3.根据权利要求1所述的一种具有自动温度补偿的激光器结构，其特征是：所述的谐振腔为至少三面反光镜的折叠光路谐振腔，一个或多个反射镜固定在补偿悬臂（2）上。

4.根据权利要求1所述的一种具有自动温度补偿的激光器结构，其特征是：所述的谐振腔为全光纤谐振腔，以光纤（6）为谐振腔，将两端去除涂覆层露出裸纤的光纤（6）绷紧，一端与谐振腔基板（1）固定，另一端与补偿悬臂（2）固定。

5.根据权利要求1所述的一种具有自动温度补偿的激光器结构，其特征是：所述的谐振腔由光纤谐振腔和自由空间谐振腔共同构成，包括两端为准直器一（71）和准直器二（72）中间为光纤（6）的光纤谐振腔部分，以及准直器二（72）、至少一个反射镜和准直器（71）构成的空间谐振腔部分；至少一个准直器和/或至少一个反射镜固定在补偿悬臂（2）上。

6.根据权利要求5所述的一种具有自动温度补偿的激光器结构，其特征是：所述的光纤（6）的全部或部分绷紧，其一端与谐振腔基板（1）固定，另一端与补偿悬臂（2）固定。

7.根据权利要求1至6之一所述的一种具有自动温度补偿的激光器结构，其特征是：所述的泵浦源5为准直光源，固定在谐振腔基板1上，由尾纤（50）、透镜一（51）和透镜二（52）构成，尾纤（50）和透镜二（52）固定在各自的补偿悬臂（2）的自由端，两补偿悬臂（2）的固定端分别与谐振腔基板（1）固定，自由端分别朝向透镜一（51）。

Images