專利名稱：高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器及方法，屬于綠光激光器技術(shù)。
背景技術(shù)：
激光二極管泵浦的高重復(fù)頻率(1～50kHz)、高平均功率(＞20W)、內(nèi)腔倍頻綠光固體激光器，由于具有效率高、光束質(zhì)量好、體積小、壽命長、運轉(zhuǎn)成本低等特點，在工業(yè)加工、激光醫(yī)療、海底探測、分離同位素以及科研等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。
采用基于KTP非線性光學(xué)晶體的聲光調(diào)Q NdYAG內(nèi)腔倍頻技術(shù)是實現(xiàn)高功率綠光輸出的重要途徑之一。但是在輸出平均功率達幾百瓦的紅外激光輻射下，在晶體內(nèi)部既會線性吸收紅外光和綠光功率，還可能發(fā)生非線性吸收如雙光子吸收等三階非線性效應(yīng)，KTP晶體吸收了激光功率，會在內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度分布，從而會在以下兩個方面限制轉(zhuǎn)換效率，一方面由于溫度分布的不均勻?qū)е铝薑TP晶體折射率的分布不均勻，從而破壞了晶體的最佳相位匹配環(huán)境導(dǎo)致晶體的倍頻效率下降；另一方面，晶體內(nèi)部溫度不均勻，導(dǎo)致折射率會不均勻分布，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，相應(yīng)的產(chǎn)生熱透鏡相應(yīng)，在內(nèi)腔倍頻中會改變激光諧振腔參數(shù)，從而引起激光功率的不穩(wěn)定和倍頻效率的下降。
當(dāng)前，高功率綠光激光器中倍頻晶體的相位補償技術(shù)有低溫(4-10℃)冷卻和改變倍頻晶體角度(即改變紅外光入射到晶體中的角度)的方法，但是由于低溫冷卻環(huán)境降低了KTP晶體的損傷閾值，容易導(dǎo)致KTP晶體的’灰跡’(所謂的灰跡指的是KTP晶體中由于晶格缺陷而在低溫下產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象)的出現(xiàn)。另外，改變倍頻晶體的角度雖然在一定程度上會補償相位失配，但是由于改變了紅外光的入射方向，這樣增大了紅外光的損耗，降低了綠光輸出的功率，同時由于晶體角度的折射，會導(dǎo)致綠光輸出出現(xiàn)多光斑的現(xiàn)象。而在高功率內(nèi)腔全固態(tài)綠光激光器中采用相位失配補償加熱器及方法的技術(shù)可以克服以上缺點，目前采用該技術(shù)方案的相關(guān)專利和文獻還沒有報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器及方法，采用該裝置及方法可使激光器輸出平均功率為110W，不穩(wěn)定性小于2％，重復(fù)頻率1kHz～30kHz可調(diào)。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的，一種高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器。其技術(shù)特征在于，該加熱器包括一個密閉的金屬盒8，在金屬盒體內(nèi)放置KTP倍頻晶體10，與KTP晶體上下部位分別設(shè)置溫度傳感器9和加熱管12，在金屬盒底部設(shè)置半導(dǎo)體制冷器11，金屬盒內(nèi)溫度傳感器9與系統(tǒng)控制單元14相連，加熱管12與固態(tài)繼電器13相連，系統(tǒng)控制單元14和固態(tài)繼電器13相連，220V交流電源與固態(tài)繼電器13相連。
上述的密閉金屬盒為紫銅金屬盒。
采用上述的加熱器實現(xiàn)高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱的方法，其特征在于包括以下過程當(dāng)KTP晶體底部的加熱管通電升溫達到設(shè)定值之后，通過溫度傳感器9將晶體邊界溫度信號傳遞給系統(tǒng)控制單元14，系統(tǒng)控制單元根據(jù)設(shè)定值做出判斷，當(dāng)KTP晶體邊界溫度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)控制單元14發(fā)出指令控制固態(tài)繼電器13，增大加熱管12的功率，同時系統(tǒng)減小半導(dǎo)體制冷器11的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設(shè)定值；當(dāng)KTP晶體邊界溫度高于設(shè)定值時，通過溫度傳感器9將晶體邊界溫度信號傳給系統(tǒng)控制單元14，系統(tǒng)控制單元14發(fā)出指令控制固態(tài)繼電器，減小加熱管12的功率，同時增大半導(dǎo)體制冷器11的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設(shè)定值，如此在不斷加熱制冷的動態(tài)平衡過程中保證KTP倍頻晶體10的邊界溫度保持在一定的穩(wěn)定工作溫度范圍內(nèi)。
本發(fā)明專利的優(yōu)點在于，整個加熱器系統(tǒng)溫度易控、穩(wěn)定，從而改善了綠光激光器的平均輸出功率低于85W、輸出不穩(wěn)定以及應(yīng)用范圍窄的缺點，而采用本發(fā)明設(shè)計的平均輸出功率為110W以及不穩(wěn)定性小于2％的高功率綠光激光器，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)激光雕刻加工、激光醫(yī)療、激光顯示、海底探測以及軍事光電對抗等領(lǐng)域。


圖1為高功率內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中采用本發(fā)明設(shè)計的KTP倍頻晶體加熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1為凹面全反鏡；2為聲光Q開關(guān)；3為高功率半導(dǎo)體激光器泵浦組件；4為諧波反射鏡；5為設(shè)有加熱器的KTP倍頻晶體；6為輸出鏡；7為NdYAG棒(Φ6.45×146mm)；8為密閉的金屬盒；9為溫度傳感器；10為KTP倍頻晶體；11為半導(dǎo)體制冷器；12為加熱管；13為固態(tài)繼電器；14為系統(tǒng)控制單元。
具體實施例方式本發(fā)明的具體實施方案體現(xiàn)在一種如圖1所示的高功率內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器中，為該激光器提供一種相位失配補償加熱器裝置及方法，采用該裝置可使激光器輸出平均功率為110W，不穩(wěn)定性小于2％，重復(fù)頻率1kHz～30kHz可調(diào)。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下采用的倍頻晶體是II類相位匹配的KTP晶體，相位匹配角為φ＝24.7°和θ＝90°，其尺寸為6×6×9.2mm，兩面鍍1064nm和532nm的增透膜；將KTP倍頻晶體放置于紫銅材料做成的密閉金屬盒中心，金屬盒的尺寸為20×20×30mm；在KTP倍頻晶體的上方5mm處嵌入溫度傳感器，其型號為pt100，縫隙用導(dǎo)熱硅脂填滿以增加傳熱效果；在KTP倍頻晶體的下方5mm處嵌入加熱管，加熱管是由100Ω的電阻絲繞在陶瓷棒制成的，縫隙用導(dǎo)熱硅脂填滿以增加傳熱效果；在紫銅密閉金屬盒的下方固定型號為TEC1-7104的半導(dǎo)體制冷器，金屬盒和半導(dǎo)體制冷器之間用導(dǎo)熱硅脂緊密結(jié)合，以增加導(dǎo)熱性能；系統(tǒng)控制單元采用富士公司生產(chǎn)的PXW型號雙向控制溫控器；將pt100溫度傳感器接在溫控器的DC1端，半導(dǎo)體制冷器接在溫控器的TEC端，將加熱管和型號為AC～DC10A的固態(tài)繼電器交流端子串接連在220V交流電上，將固態(tài)繼電器的直流端子與溫控器的DC2端連接。
按照上述技術(shù)方案實現(xiàn)高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器，將其放置在高功率內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器的諧波反射鏡和輸出鏡之間，調(diào)整加熱器的高度，使KTP倍頻晶體的中心高度與激光器光軸一致；接通加熱器的電源，設(shè)置溫控器的溫度初始值，此時KTP晶體邊界溫度低于設(shè)定值，通過溫度傳感器pt100將KTP倍頻晶體邊界溫度信號傳遞給溫控器PXW，溫控器根據(jù)設(shè)定值做出判斷，控制固態(tài)繼電器增大加熱管的功率，同時減小半導(dǎo)體制冷器的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設(shè)定值；將激光器開啟，增大泵浦電流，綠光輸出，此時由于KTP倍頻晶體吸收了紅外光和綠光，其邊界溫度會高于設(shè)定值，通過溫度傳感器pt100將KTP倍頻晶體邊界溫度信號傳遞給溫控器PXW，溫控器根據(jù)設(shè)定值做出判斷，控制固態(tài)繼電器減小加熱管的功率，同時增大半導(dǎo)體制冷器的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設(shè)定值，如此在不斷加熱制冷的動態(tài)平衡過程中保證KTP倍頻晶體的邊界溫度保持在一定的穩(wěn)定工作溫度范圍內(nèi)；在激光器一定泵浦功率下，調(diào)整溫控器的溫度設(shè)定值，使綠光輸出最大；在LD泵浦功率為1000W，將KTP晶體邊界溫度設(shè)定到48.8℃，溫度精度為±0.1℃，聲光Q開光重復(fù)頻率為10.6KHz時，獲得了110W的532nm綠光輸出，脈沖寬度為110ns，工作5小時，不穩(wěn)定性小于2％。
在高功率內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器中采用高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器及方法具有以下的幾個優(yōu)點1、相比于恒定控溫方式，采用改變晶體邊界溫度可以實現(xiàn)倍頻器具有較寬的允許相位匹配寬度；2、通過精密調(diào)整KTP加熱器的溫度可以使通過KTP晶體的基波在很大尺寸范圍內(nèi)滿足相位匹配條件；3、不需要通過采用調(diào)節(jié)KTP晶體的旋轉(zhuǎn)角度的方法來補償由于溫度升高造成的相位失配，這樣可以有效的減小KTP晶體傾斜對1064nm紅外光產(chǎn)生的損耗，從而可以有效的提高倍頻效率；4、采用改變晶體邊界溫度補償相位失配的方案，綠光輸出功率隨KTP晶體邊界溫度的變化幅度較小，有利于提高激光器的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器，其特征在于，該加熱器包括一個密閉的金屬盒(8)，在金屬盒體內(nèi)放置KTP倍頻晶體(10)，與KTP晶體上下部位分別設(shè)置溫度傳感器(9)和加熱管(12)，在金屬盒底部設(shè)置半導(dǎo)體制冷器(11)，金屬盒內(nèi)溫度傳感器(9)與系統(tǒng)控制單元(14)相連，與固態(tài)繼電器(13)直流端子相連，系統(tǒng)控制單元(14)固態(tài)繼電器(13)交流端子相連。
2.按權(quán)利要求1所述的高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器，其特征在于，密閉金屬盒為紫銅金屬盒。
3.一種采用權(quán)利要求1所述的加熱器實現(xiàn)高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱方法，其特征在于，包括以下過程當(dāng)KTP倍頻晶體(10)底部的加熱管通電升溫達到設(shè)定值之后，通過溫度傳感器(9)將晶體邊界溫度信號傳遞給系統(tǒng)控制單元(14)，系統(tǒng)控制單元(14)根據(jù)設(shè)定值做出判斷，當(dāng)KTP倍頻晶體(10)邊界溫度低于設(shè)定值時，系統(tǒng)控制單元(14)發(fā)出指令控制控制固態(tài)繼電器(13)，增大加熱管(12)的功率，同時減小半導(dǎo)體制冷器(11)的電壓，從而使KTP倍頻晶體(10)的邊界溫度接近設(shè)定值；當(dāng)KTP倍頻晶體(10)的邊界溫度高于設(shè)定值時，通過溫度傳感器(9)將溫度信號傳給系統(tǒng)控制單元(14)，固態(tài)繼電器(13)減小加熱管(12)的功率，同時增大半導(dǎo)體制冷器(11)的電壓，從而使KTP倍頻晶體(10)的邊界溫度接近設(shè)定值，如此在不斷加熱制冷的動態(tài)平衡過程中保證KTP倍頻晶體(10)的邊界溫度保持在一定的穩(wěn)定工作溫度范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率內(nèi)腔倍頻激光器相位失配補償加熱器及方法，屬于綠光激光器技術(shù)。所述的加熱器包括，在密閉的金屬盒體內(nèi)放置KTP倍頻晶體，并嵌入溫度傳感器和加熱管，其底部設(shè)置半導(dǎo)體制冷器，金屬盒設(shè)置控制器盒固態(tài)繼電器。所述的方法過程為設(shè)定KTP晶體邊界溫度值，當(dāng)溫度低時，增大加熱管的功率，減小制冷器的電壓，使溫度接近設(shè)定值；當(dāng)溫度高時，減小加熱管的功率，增大制冷器的電壓，使溫度接近設(shè)定值，如此在不斷加熱制冷的動態(tài)平衡過程中保證KTP倍頻晶體的邊界溫度保持在一定的穩(wěn)定工作溫度范圍內(nèi)。本發(fā)明專利的優(yōu)點在于，整個加熱器系統(tǒng)溫度易控、穩(wěn)定，采用本發(fā)明設(shè)計的平均輸出功率為110W以及不穩(wěn)定性小于2％的高功率綠光激光器。
文檔編號H01S3/042GK1794521SQ200510122588
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者徐德剛, 姚建銓, 于意仲, 張百鋼, 王鵬 申請人:天津大學(xué)