專利名稱：一種激光棒熱透鏡效應的補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固體激光器中的激光棒，尤其是涉及一種固體激光器中的激光棒熱透鏡效應的補償方法。
背景技術：
現(xiàn)有的現(xiàn)有的固體激光器在運轉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)能量轉變?yōu)闊岵⒊练e在激光工作物質內(nèi)使其產(chǎn)生溫升，在不斷重復泵浦和熱傳導作用下，工作物質內(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達到熱平衡。工作物質中溫度梯度的存在使原本折射率完全均勻的工作物質變?yōu)轭愅哥R介質，光束通過工作物質后發(fā)生聚焦，俗稱為熱自聚焦。在對稱泵浦的情況下，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，更為嚴重的是會在工作物質內(nèi)部產(chǎn)生實焦點，它將在材料內(nèi)部產(chǎn)生激光損傷。為了減輕熱透鏡效應對激光器件的影響，目前廣泛采用將工作物質端面磨成凹面以作補償，但只能對特定泵浦功率下的特定的熱透鏡效應進行補償。為此，人們設法尋找外加的附加補償裝置來實現(xiàn)熱透鏡效應的補償，如2003年8月27日公告授權02266147.6號中國實用新型專利說明書中公開了一種補償方法，在固體激光介質(相當于本發(fā)明中的激光棒)與輸出鏡之間設置一由步進電機驅動的補償透鏡，補償透鏡根據(jù)固體激光介質功率的大小，由步進電機驅動前后移動調整補償透鏡的位置。該補償裝置的所應用的光學原理是使激光介質與補償透鏡之間的距離始終保持為熱透鏡焦距與補償透鏡焦距之和，即使熱透鏡與補償透鏡形成開普勒望遠鏡，由此來達到補償固體激光介質的熱透鏡效應，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)定性和光束質量的目的。但是上述的補償裝置也存在以下問題該補償裝置的補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鏡，該補償裝置只有當熱透鏡焦距很小時，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”可為實際激光器件采用，當熱透鏡焦距較大(如幾米)時，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”相當大，難于為實際激光器件采用；光學諧振腔內(nèi)插入光學元件使激光損耗增加，會導至激光能量轉換效率下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種不用外加光學元件就能實現(xiàn)對固體激光器中的激光棒熱透鏡效應進行補償?shù)姆椒ā?br> 本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為一種激光棒熱透鏡效應的補償方法，將激光器中光學諧振腔的全反射鏡設置成向激光棒方向凸起的凸面鏡，在所述的全反射鏡上設置由步進馬達驅動的移動機構，所述的步進馬達由控制電腦控制驅動，使所述的全反射鏡與所述的激光棒之間的距離為a＝f-R/2-d/2n，其中，R為全反射鏡的曲率半徑，d為激光棒的長度，n為激光棒的折射率，f為熱透鏡焦距，它滿足公式f=2κN(β+P)χEpd,]]>其中，κ、β、P、x、d分別為激光棒材料的熱傳導系數(shù)、折射率溫度系數(shù)、應力熱光系數(shù)、發(fā)熱效率和激光棒的長度，N為激光器的重復頻率，Ep為單位體積激光工作物質的泵浦平均功率，取激光器的高重復頻率和最低重復頻率之間的任意值和泵浦平均功率的任意值，此時利用上述公式求出熱透鏡焦距的任意值f，當f小于200cm時(例如對重復頻率釹玻璃激光器、高平均功率YAG激光器)，可將所述的全反射鏡的曲率半徑R設置成等于f；當f大于等于200cm時(例如中低平均功率YAG激光器)，可將所述的全反射鏡的曲率半徑R設置成等于1.8f。
上述的補償方法包括下述具體步驟①將激光工作物質的折射率溫度系數(shù)、折射率、應力熱光系數(shù)、發(fā)熱效率、熱傳導系數(shù)和激光棒長度及相關公式和條件編成程序送入電腦；②利用電腦控制激光器重復頻率N和泵浦能量密度Ep，并利用公式f=2κN(β+P)χEpd]]>來確定激光棒達到熱平衡時的熱透鏡焦距；③由電腦利用公式a＝f-R/2-d/2n計算出實現(xiàn)熱透鏡補償時凸面全發(fā)射鏡與激光棒之間的距離，然后利用電腦驅動步進馬達帶動凸面全發(fā)射鏡沿著光軸平移到對熱透鏡補償時的位置，實現(xiàn)完全自動補償。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于結構簡單，不需要附加的補償裝置，不會使光學諧振腔內(nèi)的激光損耗增加，不影響激光能量轉換效率，在確定了全反射鏡的曲率半徑后，就可以利用電腦控制激光器重復頻率N和泵浦能量密度Ep，利用電腦驅動步進馬達帶動球面鏡沿著光軸平移，自動驅動馬達實現(xiàn)完全自動補償。


圖1為使用本發(fā)明的補償方法的激光器的結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
實施例一如圖所示，其中1為鍍1053nm波長的全反膜球面鏡，2為φ8×200的N3122磷酸鹽釹玻璃激光棒，3為激光輸出耦合鏡。玻璃激光棒體積為10cm3，設泵浦能量密度Ep＝20J/cm3，重復頻率為N＝5Hz，將N3122玻璃的發(fā)熱效率χ＝0.08、折射率溫度系數(shù)β＝-4.3×10-6/℃，應力熱光系數(shù)P＝5.8×10-6/℃、熱傳導系數(shù)κ＝0.0056W/cm℃、棒長d＝20cm代入公式f=2κN(β+P)χEpd]]>得到玻璃棒2的熱透鏡焦距為f＝47cm，取球面鏡1的曲率半徑R＝47cm，將f、d值和激光玻璃折射率n＝1.53代入a＝0.5f-d/2n得到玻璃棒2的熱透鏡補償距離a＝17cm。對不同泵浦能量密度Ep或不同重復頻率N，使用計算機可分別計算相應熱透鏡焦距f，并利用公式 a＝f-R/2-d/2n計算出相應的補償位置a。
實施例二如圖所示，其中1為鍍1064nm全反膜的球面鏡，2為φ6×100的YAG激光棒，3為激光輸出耦合鏡。設定泵浦能量密度Ep＝15J/cm3，重復頻率為N＝10Hz，將YAG發(fā)熱效率χ＝0.05、折射率溫度系數(shù)β＝7.3×10-6/℃、應力熱光系數(shù)P＝8×10-6/℃、熱傳導系數(shù)κ＝0.13W/cm℃、棒長d＝10cm代入公式f=2κN(β+P)χEpd]]>得到所述玻璃棒的熱透鏡焦距為f＝227cm，取球面鏡1的曲率半徑R＝1.8 f＝409cm，并將f、d值和激光玻璃折射率n＝1.82代入a＝0.1f-d/2n得到補償位置a＝20cm。對不同泵浦能量密度Ep或不同重復頻率N，使用計算機可分別計算相應熱透鏡焦距f，并利用公式a＝f-R/2-d/2n計算出相應的補償位置a。
權利要求
1.一種激光棒熱透鏡效應的補償方法，其特征在于將激光器中光學諧振腔的全反射鏡設置成向激光棒方向凸起的凸面鏡，在所述的全反射鏡上設置由步進馬達驅動的移動機構，所述的步進馬達由控制電腦控制驅動，使所述的全反射鏡與所述的激光棒之間的距離為a＝f-R/2-d/2n，其中，R為全反射鏡的曲率半徑，d為激光棒的長度，n為激光棒的折射率，f為熱透鏡焦距，它滿足公式f=2κN(β+P)χEpd,]]>其中，κ、β、P、χ、d分別為激光棒材料的熱傳導系數(shù)、折射率溫度系數(shù)、應力熱光系數(shù)、發(fā)熱效率和激光棒的長度，N為激光器的重復頻率，Ep為單位體積激光工作物質的泵浦平均功率，取激光器的高重復頻率和最低重復頻率之間的任意值和泵浦平均功率的任意值，此時利用上述公式求出熱透鏡焦距的任意值f，當f小于200cm時，將所述的全反射鏡的曲率半徑R設置成等于f，當f大于等于200cm時，所述的全反射鏡的曲率半徑R設置成等于1.8f。
2.根據(jù)權利要求1或2所述的一種激光棒熱透鏡效應的補償方法，其特征在于它包括下述具體步驟①將激光工作物質的折射率溫度系數(shù)、折射率、應力熱光系數(shù)、發(fā)熱效率、熱傳導系數(shù)和激光棒長度及相關公式和條件編成程序送入電腦；②利用電腦控制激光器重復頻率N和泵浦能量密度Ep，并利用公式f=2κN(β+P)χEpd]]>來確定激光棒達到熱平衡時的熱透鏡焦距；③由電腦利用公式a＝f-R/2-d/2n計算出實現(xiàn)熱透鏡補償時凸面全發(fā)射鏡與激光棒之間的距離，然后利用電腦驅動步進馬達帶動凸面全發(fā)射鏡沿著光軸平移到對熱透鏡補償時的位置，實現(xiàn)完全自動補償。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光棒熱透鏡效應的補償方法，特點是將激光器中光學諧振腔的全反射鏡設置成向激光棒方向凸起的凸面鏡，在全反射鏡上設置由步進馬達驅動的移動機構，步進馬達由控制電腦控制驅動，使全反射鏡與激光棒之間的距離為a＝f－R/2－d/2n，其中，R為全反射鏡的曲率半徑，d為激光棒的長度，n為激光棒的折射率，f為熱透鏡焦距，優(yōu)點在于結構簡單，不需要附加的補償裝置，不會使光學諧振腔內(nèi)的激光損耗增加，不影響激光能量轉換效率，在確定了全反射鏡的曲率半徑后，就可以利用電腦控制激光器重復頻率N和泵浦能量密度E
文檔編號H01S3/086GK101017951SQ200710067328
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權日2007年2月13日
發(fā)明者聶秋華, 徐鐵峰, 戴世勛, 楊燕, 沈祥, 王訓四, 周亞訓, 董建峰, 黃國松 申請人:寧波大學