專利名稱：一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體激光器中激光棒的熱透鏡效應(yīng)，尤其是涉及一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的固體激光器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中吸收泵浦光能量，除小部分以激光方式輸出外，大多數(shù)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊岵⒊练e在激光工作物質(zhì)內(nèi)使其產(chǎn)生溫升，在不斷重復(fù)泵浦和熱傳導(dǎo)作用下，工作物質(zhì)內(nèi)溫度梯度不斷增加，直到發(fā)熱功率與冷卻液帶走熱量相等時(shí)達(dá)到熱平衡。工作物質(zhì)中溫度梯度的存在使原本折射率完全均勻的工作物質(zhì)變?yōu)轭愅哥R介質(zhì)，光束通過工作物質(zhì)后發(fā)生聚焦，俗稱為熱自聚焦。在對(duì)稱泵浦的情況下，園柱形激光棒成為類球透鏡，其主平面到焦點(diǎn)的距離稱為熱透鏡焦距。熱自聚焦不但使激光束發(fā)散角迅速增加，更為嚴(yán)重的是會(huì)在工作物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生實(shí)焦點(diǎn)，它將在材料內(nèi)部產(chǎn)生激光損傷。為了減輕熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器件的影響，目前廣泛采用將工作物質(zhì)端面磨成凹面以作補(bǔ)償，但只能對(duì)特定泵浦功率下的特定的熱透鏡效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。為此，人們?cè)O(shè)法尋找外加的附加補(bǔ)償裝置來實(shí)現(xiàn)熱透鏡效應(yīng)的補(bǔ)償，如2003年8月27日公告授權(quán)的02266147.6號(hào)中國(guó)實(shí)用新型專利說明書中公開了一種新型的熱穩(wěn)腔，在固體激光介質(zhì)(相當(dāng)于本發(fā)明中的激光棒)與輸出鏡之間設(shè)置一由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)償透鏡，補(bǔ)償透鏡根據(jù)固體激光介質(zhì)功率的大小，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前后移動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償透鏡的位置。該補(bǔ)償裝置的所應(yīng)用的光學(xué)原理是使激光介質(zhì)與補(bǔ)償透鏡之間的距離始終保持為熱透鏡焦距與補(bǔ)償透鏡焦距之和，即使熱透鏡與補(bǔ)償透鏡形成開普勒望遠(yuǎn)鏡，由此來達(dá)到補(bǔ)償固體激光介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，使不穩(wěn)定腔變?yōu)榉€(wěn)定腔，高功率的激光輸出具有較好的穩(wěn)定性和光束質(zhì)量的目的。但是上述的補(bǔ)償裝置也存在以下問題該補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方法是使棒與透鏡之距離等于“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”即熱透鏡與透鏡形成開普勒望遠(yuǎn)鏡，由于棒的熱效應(yīng)只是類透鏡，采用單透鏡不可能完全補(bǔ)償；該補(bǔ)償裝置只有當(dāng)熱透鏡焦距很小時(shí)，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”可為實(shí)際激光器件采用，當(dāng)熱透鏡焦距較大(如幾米)時(shí)，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”相當(dāng)大，難于為實(shí)際激光器件采用；此外，腔內(nèi)加透鏡后，使得激光器無法進(jìn)行單次運(yùn)轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法，能夠?qū)崿F(xiàn)不同泵浦功率下對(duì)固體激光器中的激光棒的熱自聚焦效應(yīng)進(jìn)行完全補(bǔ)償。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置，它包括設(shè)置在激光棒后的一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡，所述的凹透鏡的中心與所述的激光棒的端面為一固定的距離，所述的凸透鏡設(shè)置有位置移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的凹透鏡的光軸、所述的凸透鏡的光軸及所述的激光棒的光軸三者重合。
所述的凹透鏡的焦距值小于所述的凸透鏡的焦距值。
所述的凸透鏡移動(dòng)的最大距離為所述的凸透鏡的焦距減去所述的凹透鏡的焦距。
所述的凹透鏡是薄球面凹透鏡，所述的凸透鏡是薄球面凸透鏡。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的又一技術(shù)方案為一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償方法，包括下述步驟，步驟一將一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡設(shè)置在激光棒的輸出端面后，通過調(diào)整使所述的凹透鏡和所述的凸透鏡的光軸與所述的激光器棒的光軸重合，使所述的凹透鏡的中心與所述的激光棒的端面為一固定的距離，并調(diào)整所述的凹透鏡與凸透鏡之間的距離為所述的凸透鏡的焦距減去所述的凹透鏡的焦距；步驟二確定所述的激光棒在不同泵浦平均功率下達(dá)到熱平衡時(shí)的熱透鏡焦距；步驟三計(jì)算出所述的凸透鏡和所述的凹透鏡之間的調(diào)整距離，并使所述的凸透鏡向兩透鏡距離減小方向移動(dòng)所述的調(diào)整距離；步驟四在激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中移動(dòng)所述的凸透鏡進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。
所述的步驟二中的熱透鏡焦距是根據(jù)下列公式通過計(jì)算獲得的，f=2κ(β+P)×WpL,]]>其中f-熱透鏡焦距，κ-激光材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，β-激光材料的折射率溫度系數(shù)，χ-激光器件的發(fā)熱效率，即發(fā)熱功率與泵浦平均功率之比值，Wp-單位體積激光工作物質(zhì)泵浦平均功率，L-激光棒的長(zhǎng)度，P-激光工作物質(zhì)的應(yīng)力熱光系數(shù)。所述的步驟二中的熱透鏡焦距也可以通過測(cè)量獲得。
所述的步驟三中的調(diào)整距離根據(jù)下列公式計(jì)算獲得，Δd=-f12f-f1-d1-L/2n,]]>其中Δd-為凸透鏡移動(dòng)的調(diào)整距離，n-為激光棒的折射率，f-為熱透鏡焦距，f1-為凹透鏡的焦距，d1-為凹透鏡與激光棒輸出端面的距離，L-為激光棒的長(zhǎng)度，“-”表示沿著兩透鏡距離減小方向調(diào)節(jié)。
所述的步驟四中的動(dòng)態(tài)修正是移動(dòng)所述的凸透鏡使激光輸出的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑與近場(chǎng)光斑接近。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)激光棒在任意泵浦功率下產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)所引起的激光器光束發(fā)散角增大的現(xiàn)象作完全補(bǔ)償，能夠完全避免熱自聚焦現(xiàn)象所引起的激光工作物質(zhì)的損傷，并且不會(huì)對(duì)激光輸出功率產(chǎn)生大的影響；而在激光器單次脈沖工作時(shí)，補(bǔ)償裝置等同于一個(gè)伽利略擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡，因而不會(huì)影響激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)；通過選擇具有不同焦距參數(shù)的凹透鏡和凸透鏡，可以不受熱透鏡焦距大小的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱透鏡效應(yīng)的完全補(bǔ)償。本發(fā)明的補(bǔ)償裝置可以設(shè)置在激光器的光學(xué)諧振腔內(nèi)和光學(xué)諧振腔外，也可以設(shè)置在作為放大器的激光棒的后面。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的補(bǔ)償透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
實(shí)施例一如圖1和圖2所示，一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置，包括激光棒1，在激光棒1的兩端分別設(shè)置有全反射鏡2和激光輸出鏡3構(gòu)成激光器的光學(xué)諧振腔，一個(gè)凹透鏡4和一個(gè)凸透鏡5設(shè)置在激光棒1后的光學(xué)諧振腔內(nèi)，凹透鏡4的中心與激光棒1的端面為一固定的距離d1，凸透鏡5設(shè)置有位置移動(dòng)機(jī)構(gòu)，凹透鏡4是具有焦距f1的薄球面凹透鏡，凸透鏡5是具有焦距f2的薄球面凸透鏡，凹透鏡4的焦距值f1小于凸透鏡5的焦距值f2，凸透鏡5移動(dòng)的最大距離為凸透鏡5的焦距f2減去凹透鏡4的焦距f1，凹透鏡4的光軸、凸透鏡5的光軸及激光棒1的光軸三者重合。
實(shí)施例二如圖3所示，一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置，包括激光棒1，在激光棒1的兩端分別設(shè)置有全反射鏡2和激光輸出鏡3構(gòu)成激光器的光學(xué)諧振腔，一個(gè)凹透鏡4和一個(gè)凸透鏡5設(shè)置在激光棒1后的光學(xué)諧振腔外，凹透鏡4的中心與激光棒1的端面為一固定的距離d1，凸透鏡5設(shè)置有位置移動(dòng)機(jī)構(gòu)，凹透鏡4是具有焦距f1的薄球面凹透鏡，凸透鏡5是具有焦距f2的薄球面凸透鏡，凹透鏡4的焦距值f1小于凸透鏡5的焦距值f2，凸透鏡5移動(dòng)的最大距離為凸透鏡5的焦距f2減去凹透鏡4的焦距f1，凹透鏡4的光軸、凸透鏡5的光軸及激光棒1的光軸三者重合，在凸透鏡5的后面設(shè)置有第二激光棒1′作為放大器，在第二激光棒1′的后面設(shè)置一個(gè)第二凹透鏡4′和一個(gè)第二凸透鏡5′，第二凹透鏡4′的中心與第二激光棒1′的端面為一固定的距離d1′，第二凸透鏡5′設(shè)置有位置移動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二凹透鏡4′是具有焦距f1′的薄球面凹透鏡，第二凸透鏡5′是具有焦距f2′的薄球面凸透鏡，第二凹透鏡4′的焦距值f1′小于第二凸透鏡5′的焦距值f2′，第二凸透鏡5′移動(dòng)的最大距離為第二凸透鏡5′的焦距f2′減去第二凹透鏡4′的焦距f1′，第二凹透鏡4′的光軸、第二凸透鏡5′的光軸及第二激光棒1′的光軸三者重合。
實(shí)施例三一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償方法，包括下述步驟，步驟一將一個(gè)凹透鏡4和一個(gè)凸透鏡5設(shè)置在激光棒1的輸出端面后，通過類似于四維光學(xué)調(diào)整架這樣的調(diào)整裝置(圖未顯示)使凹透鏡4和凸透鏡5的光軸與激光棒1的光軸重合，使凹透鏡4的中心與激光棒1的輸出端面為一固定的距離d1，并調(diào)整凹透鏡4與凸透鏡5之間的距離為凸透鏡5的焦距f2減去凹透鏡4的焦距f1；步驟二根據(jù)下列公式f=2κ(β+P)×WpL]]>，通過計(jì)算確定激光棒1在不同泵浦平均功率下達(dá)到熱平衡時(shí)的熱透鏡焦距f，其中f-熱透鏡焦距，κ-激光棒1的材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，β-激光棒1的材料折射率溫度系數(shù)，χ-激光器件的發(fā)熱效率，即發(fā)熱功率與泵浦平均功率之比值，Wp-單位體積激光工作物質(zhì)泵浦平均功率，L-激光棒1的長(zhǎng)度，P-激光工作物質(zhì)的應(yīng)力熱光系數(shù)；步驟三根據(jù)下列公式Δd=-f12f-f1-d1-L/2n,]]>計(jì)算出凸透鏡5和凹透鏡4之間的調(diào)整距離Δd，并使凸透鏡5向兩透鏡距離減小方向移動(dòng)調(diào)整距離Δd，其中Δd-為凸透鏡5移動(dòng)的調(diào)整距離，n-為激光棒1的折射率，f-為熱透鏡焦距，f1-為凹透鏡4的焦距，d1-為凹透鏡4的中心與激光棒1輸出端面的距離，L-為激光棒1的長(zhǎng)度，“-”表示沿著兩透鏡距離減小方向調(diào)節(jié)；步驟四配上計(jì)算機(jī)、智能激光電源和步進(jìn)電機(jī)，在激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通過移動(dòng)凸透鏡5使激光輸出的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑與近場(chǎng)光斑接近來進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。
我們以圖3為例來實(shí)施一個(gè)具體的方案激光棒1為Nd3+玻璃激光棒，其尺寸為φ8×200，體積為10cm3，在激光器后設(shè)置的放大器使用的激光棒1′為Nd3+玻璃激光棒，其尺寸為φ12×300，體積為34cm3，在激光器的設(shè)置有第一凹透鏡4和第一凸透鏡5，在放大器后設(shè)置有第二凹透鏡4′和第二凸透鏡5′，玻璃激光棒的濃度為2×1020/cm3的N3122磷酸鹽激光玻璃，其發(fā)熱效率χ＝8％，折射率溫度系數(shù)β＝-4.3×10-6/℃，應(yīng)力熱光系數(shù)為P＝5.8×10-6/℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)為κ＝0.56W/m℃。激光系統(tǒng)工作重復(fù)頻率為2Hz，振蕩器每脈沖泵浦能量為200J，泵浦平均功率密度為40W/cm3，計(jì)算得到熱透鏡焦距為117cm；放大器每脈沖泵浦能量為1000J，泵浦平均功率密度為59W/cm3，計(jì)算得到其熱透鏡焦距為53cm。兩個(gè)補(bǔ)償裝置參數(shù)分別設(shè)置為第一凹透鏡4的焦距f1＝10cm，第一凸透鏡5的焦距f2＝15cm，第二凹透鏡4′的焦距f1′＝10cm，第二凸透鏡5′的焦距f2′＝15cm。
調(diào)節(jié)第一凹透鏡4、第一凸透鏡5的光軸和第二凹透鏡4′、第二凸透鏡5′的光軸與激光系統(tǒng)光軸重合，第一凹透鏡4是心距激光棒1輸出端d1＝30cm，第二凹透鏡4′的中心距放大器激光棒1′輸出端面d2＝5cm，當(dāng)激光系統(tǒng)單脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，d＝f2-f1＝50mm，d′＝f2′-f1′＝50mm，即Δd＝0，Δd′＝0，補(bǔ)償裝置作為擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡使用，其擴(kuò)束倍率為1.5。當(dāng)激光系統(tǒng)以上述工作條件重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)算得到補(bǔ)償裝置調(diào)節(jié)量分別為Δd＝-14。1mm和Δd′＝-35.1mm，即兩補(bǔ)償裝置的透鏡距離從伽利略望遠(yuǎn)鏡時(shí)的50mm分別減小到35.9mm和14.9mm。在完成調(diào)節(jié)后使器件在上述工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中作動(dòng)態(tài)微調(diào)，直至振蕩器和放大器輸出近、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑尺寸相同時(shí)即可認(rèn)為已實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。
上述的實(shí)施例中，我們也可以將移動(dòng)凸透鏡改變?yōu)橐苿?dòng)凹透鏡，不過此時(shí)應(yīng)對(duì)計(jì)算公式作相應(yīng)的調(diào)整，其計(jì)算起來不如移動(dòng)凸透鏡的情況來得簡(jiǎn)便。
本發(fā)明適用于各種不同介質(zhì)材料的固體激光器，包括連續(xù)或高重復(fù)頻率的YAG激光器，同時(shí)也適用于比較復(fù)雜的“激光振蕩-放大系統(tǒng)”中。
權(quán)利要求
1.一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置，其特征在于它包括設(shè)置在激光棒后的一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡，所述的凹透鏡的中心與所述的激光棒的端面為一固定的距離，所述的凸透鏡設(shè)置有位置移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的凹透鏡的光軸、所述的凸透鏡的光軸及所述的激光棒的光軸三者重合。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的凹透鏡的焦距值小于所述的凸透鏡的焦距值。
3.如權(quán)利要求2所述的一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的凸透鏡移動(dòng)的最大距離為所述的凸透鏡的焦距減去所述的凹透鏡的焦距。
4.如權(quán)利要求1所述的一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的凹透鏡是薄球面凹透鏡，所述的凸透鏡是薄球面凸透鏡。
5.一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償方法，包括下述步驟，步驟一將一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡設(shè)置在激光棒的輸出端面后，通過調(diào)整使所述的凹透鏡和所述的凸透鏡的光軸與所述的激光棒的光軸重合，使所述的凹透鏡的中心與所述的激光棒的端面為一固定的距離，并調(diào)整所述的凹透鏡與凸透鏡之間的距離為所述的凸透鏡的焦距減去所述的凹透鏡的焦距；步驟二確定所述的激光棒在不同泵浦平均功率下達(dá)到熱平衡時(shí)的熱透鏡焦距；步驟三計(jì)算出所述的凸透鏡和所述的凹透鏡之間的調(diào)整距離，并使所述的凸透鏡向兩透鏡距離減小方向移動(dòng)所述的調(diào)整距離；步驟四在激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中移動(dòng)所述的凸透鏡進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。
6.如權(quán)利要求5所述的一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于所述的步驟二中的熱透鏡焦距是根據(jù)下列公式通過計(jì)算獲得的，f=2κ(β+P)χWpL,]]>其中f-熱透鏡焦距，κ-激光材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，β-激光材料的折射率溫度系數(shù)，x-激光器件的發(fā)熱效率，即發(fā)熱功率與泵浦平均功率之比值，Wp-單位體積激光工作物質(zhì)泵浦平均功率，L-激光棒的長(zhǎng)度，P-激光工作物質(zhì)的應(yīng)力熱光系數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于所述的步驟三中的調(diào)整距離根據(jù)下列公式計(jì)算獲得，Δd=-f12f-f1-d1-L/2n,]]>其中Δd-為凸透鏡移動(dòng)的調(diào)整距離，n-為激光棒的折射率，f-為熱透鏡焦距，f1-為凹透鏡的焦距，d1-為凹透鏡與激光棒輸出端面的距離，L-為激光棒的長(zhǎng)度，“-”表示沿著兩透鏡距離減小方向調(diào)節(jié)。
8.如權(quán)利要求5所述的一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償方法，其特征在于所述的步驟四中的動(dòng)態(tài)修正是移動(dòng)所述的凸透鏡使激光輸出的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑與近場(chǎng)光斑接近。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光棒熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)償裝置和補(bǔ)償方法，裝置包括設(shè)置在激光棒后的一個(gè)凹透鏡和一個(gè)凸透鏡，凹透鏡的中心與激光棒的端面為一固定的距離，凸透鏡設(shè)置有位置移動(dòng)機(jī)構(gòu)，凹透鏡的光軸、凸透鏡的光軸及激光棒的光軸三者重合，通過計(jì)算或測(cè)量確定激光棒在不同泵浦平均功率下達(dá)到熱平衡時(shí)的熱透鏡焦距，并計(jì)算出凸透鏡和凹透鏡之間的調(diào)整距離，使凸透鏡向兩透鏡距離減小方向移動(dòng)相應(yīng)調(diào)整距離，可以對(duì)激光棒在任意泵浦功率下產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)所引起的激光器光束發(fā)散角增大的現(xiàn)象作完全補(bǔ)償，能夠完全避免熱自聚焦現(xiàn)象所引起的激光工作物質(zhì)的損傷，并且不會(huì)對(duì)激光輸出功率產(chǎn)生大的影響，同時(shí)也不會(huì)對(duì)激光器的單脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。
文檔編號(hào)H01S3/05GK1595737SQ20041002570
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者聶秋華, 徐鐵峰, 楊燕, 王訓(xùn)四 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)