專利名稱：實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出的電光晶體透鏡調(diào)q諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，用于固體激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)固體激光器高能量激光輸出，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Q開關(guān)技術(shù)是一項(xiàng)獲得窄脈沖、高峰值功率激光輸出的技術(shù)，其措施是在激光器諧 振腔振蕩過(guò)程中高頻率改變諧振腔Q值，又稱諧振腔品質(zhì)因子，形成高頻振蕩。電光晶體是 一種制作Q開關(guān)的材料，如鈮酸鋰晶體，所制作的Q開關(guān)具有開關(guān)速度快的特點(diǎn)，與偏振器 件結(jié)合，以2X105Hz的重復(fù)頻率工作，獲得窄脈沖、高峰值功率激光輸出，峰值功率能夠達(dá) 到幾十兆瓦。但是，當(dāng)峰值功率達(dá)到一定高度時(shí)，電光晶體Q開關(guān)消光比嚴(yán)重降低，電光晶 體的偏振特性喪失。因此，現(xiàn)有電光晶體調(diào)Q技術(shù)難以應(yīng)用到高峰值功率固體激光器中，也 就不能獲得高能量激光輸出。然而，電光晶體電光響應(yīng)時(shí)間在納秒量級(jí)，最高重復(fù)頻率可達(dá) IO9Hz,由電光晶體調(diào)Q技術(shù)獲得更高能量激光輸出仍有可能。

發(fā)明內(nèi)容
為了通過(guò)應(yīng)用電光晶體調(diào)Q技術(shù)獲得更高能量的激光輸出，我們發(fā)明了一種實(shí)現(xiàn) 高峰值功率輸出的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，用于固體激光器，峰值功率可以達(dá)到百兆瓦 級(jí)，能夠?qū)崿F(xiàn)固體激光器更高能量的激光輸出。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)圖1所示，電光晶體、激光棒1位于反射鏡2、輸出耦合鏡 3之間，精密高壓電源電路4的電場(chǎng)電極OUT+、OUT-為電光晶體施加電場(chǎng)，其特征在于，電 光晶體為電光晶體透鏡5，位于反射鏡2與激光棒1之間，并與激光棒1光學(xué)同軸；當(dāng)諧振 腔工作時(shí)，激光棒1同時(shí)因熱透鏡效應(yīng)成為等效透鏡，電光晶體透鏡5與該等效透鏡構(gòu)成一 個(gè)透鏡組，并且，透鏡組的總光焦度D為臨界光焦度，見(jiàn)圖2所示；溫度傳感器Ql與激光棒 1接觸，并與溫度采集與控制電路6相連，溫度采集與控制電路6接精密高壓電源電路4。本發(fā)明之技術(shù)效果在于，開啟泵浦后，在諧振腔內(nèi)發(fā)生光的振蕩，在激光棒1上出 現(xiàn)熱透鏡效應(yīng)，形成一個(gè)等效透鏡，在諧振腔的正常工作溫度下，電光晶體透鏡5的焦點(diǎn)Fl 與等效透鏡的焦點(diǎn)F2重合，二者構(gòu)成一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，諧振腔處在穩(wěn)定腔狀態(tài)。由于透鏡組 的總光焦度D為臨界光焦度，當(dāng)激光棒1溫度一出現(xiàn)高于諧振腔的正常工作溫度的情況，因 等效透鏡焦距變短，進(jìn)而望遠(yuǎn)系統(tǒng)受到破壞，透鏡組的總光焦度D變小，諧振腔就轉(zhuǎn)而處于 非穩(wěn)腔狀態(tài)，諧振腔內(nèi)增益小于損耗，沒(méi)有激光輸出，這一過(guò)程相當(dāng)于Q開關(guān)關(guān)閉。此時(shí)溫 度傳感器Ql將溫升信號(hào)傳送給溫度采集與控制電路6，經(jīng)處理后作為控制信號(hào)啟動(dòng)精密高 壓電源電路4，通過(guò)電場(chǎng)電極OUT+、OUT-為電光晶體透鏡5施加電場(chǎng)，使其焦距變長(zhǎng)，恢復(fù) 原來(lái)的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，諧振腔回到穩(wěn)定腔狀態(tài)，諧振腔內(nèi)增益大于損耗，產(chǎn)生激光輸出，這一過(guò) 程相當(dāng)于Q開關(guān)開啟，同時(shí)，因激光輸出，激光棒1溫度下降。在諧振腔的工作過(guò)程中，透鏡 組的總光焦度D在臨界光焦度值的附近周期性往復(fù)變化，諧振腔在穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔狀態(tài)之 間周期性往復(fù)變化，實(shí)現(xiàn)電光晶體透鏡調(diào)Q。
由前一段內(nèi)容可知，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)諧振腔調(diào)Q的過(guò)程與現(xiàn)有技術(shù)電光調(diào)Q完全不同， 與電光晶體自身消光比無(wú)關(guān)，當(dāng)峰值功率達(dá)到百兆瓦級(jí)時(shí)，諧振腔仍能在高重復(fù)頻率下工 作，如當(dāng)電光晶體透鏡5采用鈮酸鋰晶體時(shí)，由于鈮酸鋰晶體的電光響應(yīng)時(shí)間在納秒量級(jí)， 最高重復(fù)頻率可達(dá)IO9Hz,實(shí)現(xiàn)了固體激光器的高能量激光輸出。


圖1是本發(fā)明之電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖2 是激光器諧振腔為平_平腔時(shí)光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ oi隨透鏡組總光焦度D變化關(guān)系曲線圖。 圖3是本發(fā)明之電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔中的溫度采集與控制電路的電路圖。圖4是本發(fā) 明之電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔中的精密高壓電源電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)圖1所示，電光晶體、激光棒1位于反射鏡2、輸出耦合 鏡3之間，精密高壓電源電路4的電場(chǎng)電極OUT+、OUT-為電光晶體施加電場(chǎng)。激光棒1采 用Nd:YAG晶體制成，兩端面均鍍1064nm增透膜，透過(guò)率大于99. 9 %，常溫尺寸半徑rO在 1 10mm、長(zhǎng)度L在2 20mm范圍內(nèi)確定，例如rQ = 1. 5mm,L = 4mm ；激光棒1熱導(dǎo)率K = 0. 14ff/cm°C，熱膨脹系數(shù)a = 7. 5 X 10_6,C，彈光系數(shù)C = O. 017，折射率n0 = 1. 82，折射率 隨溫度變化的變化率dn/dT = 7. 3X KT6IT1,表面的傳熱系數(shù)h = 1. 5。反射鏡2是一種圓 片狀平面鏡，直徑為Φ 10mm,厚2mm，諧振腔端鍍1064nm反射膜，反射率大于99. 9%，另一端 不鍍膜。輸出耦合鏡3也是一種圓片狀平面鏡，直徑為①川讓，厚？讓，諧振腔端鍍^^如!!!， 透射率為30%，另一端鍍1064nm增透膜，透射率大于99. 9%。反射鏡2與輸出耦合鏡3構(gòu) 成一個(gè)平行平面腔，即平-平腔。電光晶體為電光晶體透鏡5，位于反射鏡2與激光棒1之 間，并與激光棒1光學(xué)同軸。電光晶體透鏡5為正透鏡，例如采用凸透鏡形式，曲率半徑r 在50 150cm范圍內(nèi)確定，例如選取r = 100cm,在其兩端鏡面鍍1064nm增透膜，透過(guò)率大 于99.9% ；其未加電場(chǎng)時(shí)的折射率η = 2. l，1064nm光垂直c軸方向入射，電光系數(shù)、= 5. 4X 10_7m/v，1064nm光平行a軸方向入射，電場(chǎng)方向平行c軸。當(dāng)諧振腔工作時(shí)，激光棒 1同時(shí)因熱透鏡效應(yīng)成為等效透鏡，電光晶體透鏡5與該等效透鏡構(gòu)成一個(gè)透鏡組，激光棒 1等效透鏡與電光晶體透鏡5的間距d在20 200cm范圍確定，例如d = 140cm。并且，透 鏡組的總光焦度D為臨界光焦度，見(jiàn)圖2所示。諧振腔冷卻液體溫度Tf = 20°C。溫度傳感 器Ql與激光棒1接觸，并與溫度采集與控制電路6相連，溫度采集與控制電路6接精密高 壓電源電路4，見(jiàn)圖3、圖4所示。透鏡組的總光焦度D由公式(1)決定D = DJD11-ClD1D11(1)式中=D1為電光晶體透鏡5光焦度，D11為激光棒1等效透鏡光焦度，d為激光棒1 等效透鏡與電光晶體透鏡5的間距。電光晶體透鏡5光焦度D1由公式⑵決定n nel-l n'2 椒r 、
Di=-=--(2)
rrv ^式中有關(guān)電光晶體透鏡5的參數(shù)的含義r為曲率半徑，為在電場(chǎng)作用下的折射率，η為未加電場(chǎng)時(shí)的折射率，Y為電光系數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。由此可知電光晶體透鏡5 的光焦度D1是電場(chǎng)強(qiáng)度E的函數(shù)。將本說(shuō)明書具體實(shí)施方式
部分第一段的數(shù)據(jù)代入公式 (2)，可知施加在電光晶體透鏡5兩端的電壓增加時(shí)，電光晶體透鏡5的焦距變長(zhǎng)、光焦度變 小。激光棒1等效透鏡光焦度D11由公式(3)決定
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中有關(guān)激光棒1的參數(shù)的含義A為橫截面積，L為長(zhǎng)度，Γ(ι為半徑，K為熱導(dǎo)率， a為熱膨脹系數(shù)，C為彈光系數(shù)，n0為折射率，dn/dT為折射率隨溫度變化的變化率，Pa為耗 散總熱量，并且
<formula>formula see original document page 6</formula>式中有關(guān)激光棒1的參數(shù)的含義F為表面積，h為表面的傳熱系數(shù)，T,為溫度 ’另 夕卜，式中的Tf為諧振腔冷卻液體溫度。將本說(shuō)明書具體實(shí)施方式
部分第一段的數(shù)據(jù)代入公 式(3)、(4)，可知隨激光棒1溫度升高，激光棒1等效透鏡的焦距變短、光焦度變大。在平-平腔中，因諧振腔腔長(zhǎng)等參數(shù)的不同，諧振腔會(huì)在第一工作區(qū)或者第二工 作區(qū)工作，工作區(qū)為動(dòng)力穩(wěn)定區(qū)，見(jiàn)圖2所示，位于光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ oi隨透鏡組總光焦度 D變化的U形關(guān)系曲線對(duì)應(yīng)的區(qū)域。對(duì)于每一個(gè)工作區(qū)，都有兩個(gè)動(dòng)力敏感區(qū)，對(duì)應(yīng)的光焦 度Dp D2、D3、D4為臨界光焦度，分別由公式(5)、(6)、(7)、(8)決定
<formula>formula see original document page 6</formula>式中=Cl1為透鏡組到反射鏡2的距離，d2為透鏡組到輸出耦合鏡3的距離。當(dāng)透鏡組的總光焦度D介于D1與D2之間，或者介于D3與D4之間時(shí)，諧振腔處在穩(wěn) 定腔狀態(tài)。而當(dāng)透鏡組的總光焦度D小于D1，或者介于D2與D3之間，或者大于D4時(shí)，諧振 腔處在非穩(wěn)腔狀態(tài)。而當(dāng)透鏡組的總光焦度D為臨界光焦度DpD2、D3、D4之一時(shí)，諧振腔工 作在四個(gè)動(dòng)力敏感區(qū)之一，諧振腔都會(huì)在穩(wěn)定腔狀態(tài)、非穩(wěn)腔狀態(tài)之間變化。本發(fā)明限定透 鏡組的總光焦度D為臨界光焦度，因此，令透鏡組總光焦度D等于Di、D2、D3、D4之一，即可實(shí) 現(xiàn)本發(fā)明之電光晶體透鏡調(diào)Q技術(shù)效果。于是，令D = D1 = O,再根據(jù)公式(2)、(3)、(4)、 (1)以及本說(shuō)明書具體實(shí)施方式
部分第一段的數(shù)據(jù)，求得本發(fā)明之實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出的 電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔中的一個(gè)主要參數(shù)激光棒1等效透鏡與電光晶體透鏡5的間距d， 結(jié)果為d = 140cm。為了保持透鏡組的總光焦度D為臨界光焦度，如D = 0，即保持透鏡組為一個(gè)望遠(yuǎn) 系統(tǒng)，當(dāng)激光棒1溫度升高時(shí)，溫度傳感器Ql將溫升信號(hào)傳送給溫度采集與控制電路6，經(jīng) 處理后作為控制信號(hào)啟動(dòng)精密高壓電源電路4，通過(guò)電場(chǎng)電極0UT+、0UT-為電光晶體透鏡5 施加電場(chǎng)，使其焦距變長(zhǎng)，恢復(fù)原來(lái)的望遠(yuǎn)系統(tǒng)。溫度傳感器Q1、溫度采集與控制電路6、精密高壓電源電路4、電場(chǎng)電極OUT+、OUT-的工作狀態(tài)為，見(jiàn)圖3、圖4所示，溫度傳感器Ql探測(cè)溫升信號(hào)，使用恒流電流源供電，與微處理器Ul的1腳連接。VRl和C4組成低噪聲精密 恒流電流源，輸入端與12V電源相連，輸出電流與Ql連接。電容C4為溫度傳感器Ql的濾 波電容，接在Ql的1腳和3腳之間，有效消除激光器的干擾噪聲。溫度傳感器Ql的溫度測(cè) 量范圍為O度到250度，溫度傳感器Ql與激光棒1接觸，測(cè)試溫度響應(yīng)速度為10_7秒，精度 為0.5度。C9、R2、R1、S1為Ul的復(fù)位電路。其中C9、R2為單片機(jī)開機(jī)時(shí)的上電復(fù)位電路 部分，Ul上電時(shí)，從RST端輸出一個(gè)高電平脈沖，連接在Ul的9腳；R1、S1為手動(dòng)復(fù)位電路 部分，人為將單片機(jī)復(fù)位。C5、C7、Yl為Ul的振蕩電路，輸出12MHz的時(shí)鐘頻率，它連接在 Ul的18腳和19腳，為Ul提供機(jī)器時(shí)鐘。R8和ClO組成電壓積分電路，Ul輸出的脈寬調(diào) 制信號(hào)連接到R8，然后ClO輸出直流信號(hào)，此電壓積分電路輸入連接Ul的22腳，輸出連接 U2的1腳。U2為高壓電路的脈寬控制芯片，輸出PWM脈沖控制信號(hào)，通過(guò)R3與Q2的柵極 連接；R12、R11組成電阻高壓分壓電路，C6、C8組成電容高壓分壓電路，兩者并聯(lián)；分壓電路 的分壓端與U2的2腳連接，高壓端連接高壓正極輸出。U2的13腳為使能控制端，當(dāng)13腳 電壓為OV時(shí)，U2不工作；當(dāng)13腳的電壓為5V時(shí)，U2立即產(chǎn)生P麗信號(hào)輸出。PORT端口與 U2的13腳相連，和外部觸發(fā)脈沖相連接，讓U2受外部信號(hào)的控制。Tl為高頻升壓變壓器， 初級(jí)與Q2連接。Q2為功率型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，Dl和D5是Q2尖峰電壓脈沖的吸收元件，防止 Tl輸出的高壓脈沖過(guò)高損壞Q2。Q3和R2組成過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，切斷Q2的柵 極控制信號(hào)，切斷電流，可以放置輸出高壓端的短路，保護(hù)高壓電路不被燒毀。D3、D2、D4、 C2、C1和C3組成三倍壓升壓電路，在C2和C3兩端獲得高壓輸出電壓，升壓電路與Tl的次 級(jí)連接。C11、C12、C13和C14組成高壓濾波電路，R4、R5、R6和R7組成均壓電阻電路，此部 分與三倍壓電路輸出相連。輸出精密高壓電壓，紋波可到0. 1%，從電場(chǎng)電極0UT+、0UT-引 出ο
權(quán)利要求
一種實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，電光晶體、激光棒(1)位于反射鏡(2)、輸出耦合鏡(3)之間，精密高壓電源電路(4)的電場(chǎng)電極OUT+、OUT-為電光晶體施加電場(chǎng)，其特征在于，電光晶體為電光晶體透鏡(5)，位于反射鏡(2)與激光棒(1)之間，并與激光棒(1)光學(xué)同軸；當(dāng)諧振腔工作時(shí)，激光棒(1)同時(shí)因熱透鏡效應(yīng)成為等效透鏡，電光晶體透鏡(5)與該等效透鏡構(gòu)成一個(gè)透鏡組，并且，透鏡組的總光焦度D為臨界光焦度；溫度傳感器Q1與激光棒(1)接觸，并與溫度采集與控制電路(6)相連，溫度采集與控制電路(6)接精密高壓電源電路(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，其特征在于，電光晶體透鏡(5)為 正透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，其特征在于，激光棒(1)等效透鏡 與電光晶體透鏡(5)的間距d在20 200cm范圍確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，其特征在于，透鏡組的總光焦度D 由下式?jīng)Q定D = DfD11-ClD1D11,式中=D1為電光晶體透鏡(5)光焦度，D11為激光棒⑴等效透鏡光焦度，d為激光棒 (1)等效透鏡與電光晶體透鏡(5)的間距。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，其特征在于，電光晶體透鏡(5)光 焦度D1由下式?jīng)Q定<formula>formula see original document page 2</formula>式中有關(guān)電光晶體透鏡(5)的參數(shù)的含義r為曲率半徑，Iiel為在電場(chǎng)作用下的折射 率，η為未加電場(chǎng)時(shí)的折射率，y為電光系數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，其特征在于，激光棒(1)等效透鏡 光焦度D11由下式)決定<formula>formula see original document page 2</formula>式中有關(guān)激光棒(1)的參數(shù)的含義A為橫截面積，L為長(zhǎng)度，r0為半徑，K為熱導(dǎo)率，a 為熱膨脹系數(shù)，C為彈光系數(shù)，n0為折射率，dn/dT為折射率隨溫度變化的變化率，Pa為耗散 總熱量，并且Pa = Fh(Tr-Tp),式中有關(guān)激光棒(1)的參數(shù)的含義F為表面積，h為表面的傳熱系數(shù)， ；為溫度；另外， 式中的Tf為諧振腔冷卻液體溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔，其特征在于，在平_平腔 中，透鏡組的總光焦度D為分別與四個(gè)動(dòng)力敏感區(qū)對(duì)應(yīng)的臨界光焦度Dp D2、D3、D4之一，并 且<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula>,<formula>formula see original document page 3</formula>式中噸為透鏡組到反射鏡(2)的距離，d2為透鏡組到輸出耦合鏡(3)的距離。
全文摘要
實(shí)現(xiàn)高峰值功率輸出的電光晶體透鏡調(diào)Q諧振腔屬于激光技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)采用電光晶體Q開關(guān)，與偏振器件結(jié)合，當(dāng)峰值功率達(dá)到一定高度時(shí)，電光晶體Q開關(guān)消光比嚴(yán)重降低，電光晶體的偏振特性喪失，不能獲得高能量激光輸出。本發(fā)明其特征在于，電光晶體為電光晶體透鏡，位于反射鏡與激光棒之間，并與激光棒光學(xué)同軸；當(dāng)諧振腔工作時(shí)，激光棒同時(shí)因熱透鏡效應(yīng)成為等效透鏡，電光晶體透鏡與該等效透鏡構(gòu)成一個(gè)透鏡組，并且，透鏡組的總光焦度D為臨界光焦度；溫度傳感器Q1與激光棒接觸，并與溫度采集與控制電路相連，溫度采集與控制電路接精密高壓電源電路。本發(fā)明用于固體激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)固體激光器高能量激光輸出。
文檔編號(hào)H01S3/10GK101820131SQ201010138240
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者呂彥飛, 陳躋峰 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)