專利名稱：通過(guò)驅(qū)動(dòng)固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消除固體激光器空間燒孔效應(yīng)的方法，具體的說(shuō)就是將固體激光 器的增益介質(zhì)固定在壓電陶瓷上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷使得增益介質(zhì)在軸向產(chǎn)生位移，來(lái)消 除激光器工作物質(zhì)的空間燒孔現(xiàn)象。
背景技術(shù)：
對(duì)于常見(jiàn)的駐波腔激光器來(lái)說(shuō)，腔內(nèi)振蕩的縱模在空間上具有完全確定的駐波圖 樣，光強(qiáng)沿腔軸并不是均勻分布的，因此隨著腔軸上各點(diǎn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的不同，增益也就不 同。在某個(gè)縱模達(dá)到閾值并開(kāi)始振蕩后，隨著激發(fā)的增強(qiáng)，在駐波波腹處的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)因被 該縱模大量消耗，其值變?yōu)樽钚?，而在波?jié)處則最大。因而增益沿腔軸呈周期性變化，這種 現(xiàn)象稱為空間燒孔效應(yīng)。由于增益空間燒孔效應(yīng)的存在，凡滿足駐波振蕩條件的各縱模就 會(huì)利用空間不同部分的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)同時(shí)產(chǎn)生振蕩，這一現(xiàn)象稱為縱模的空間競(jìng)爭(zhēng)。如果激 活粒子的空間轉(zhuǎn)移很迅速，空間燒孔便無(wú)法形成。但是在固體工作物質(zhì)中，激活粒子被束縛 在晶格上，借助粒子和晶格的能量交換形成激發(fā)態(tài)粒子是空間轉(zhuǎn)移，激發(fā)態(tài)粒子在空間轉(zhuǎn) 移半個(gè)波長(zhǎng)所需的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光形成所需的時(shí)間，所以空間燒孔不容易消除。在未采取選頻措施時(shí)，駐波腔激光器通常為多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)引起很多 問(wèn)題，如使激光輸出頻帶加寬、激光時(shí)間和空間相干性變差、縱模競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致輸出功率不穩(wěn)等 問(wèn)題。尤其是在腔內(nèi)插入非線性光學(xué)器件時(shí)，不同的縱模之間還會(huì)在極化物質(zhì)中相互耦合， 產(chǎn)生隨機(jī)的和頻、差頻等現(xiàn)象，使輸出激光的質(zhì)量進(jìn)一步下降。所以消除空間燒孔效應(yīng)以盡 量實(shí)現(xiàn)激光器的單縱模輸出是一個(gè)需要解決的問(wèn)題，目前已有的方法主要有以下幾種1、短程吸收法其原理是使激光器增益介質(zhì)短，這樣粒子的空間轉(zhuǎn)移很迅速，就不 會(huì)產(chǎn)生空間燒孔，也就不會(huì)形成多縱模振蕩。這種方法比較簡(jiǎn)單，但是只能消除部分空間燒 孔，且難以得到較高的泵浦吸收效率。{激光與紅外}雜志2001年第4期、由鄭權(quán)，檀慧明， 趙嶺所著“LD泵浦全固體單頻YV04/KTP綠光激光器研究”的文章中所述的既是此列。2、采用含光隔離器的環(huán)形行波腔，利用諧振腔內(nèi)的光隔離器使得腔內(nèi)光束僅沿單 一方向行進(jìn)，從而形成行波場(chǎng)振蕩來(lái)消除空間燒孔。這種方法輸出穩(wěn)定性好，受外界影響 小，但是大功率泵浦下會(huì)產(chǎn)生多橫模，且調(diào)節(jié)困難。華東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文.2004.由 武愕所著“半導(dǎo)體泵浦的全固化單縱模激光器”一文中述及的既是此列。3、采用扭轉(zhuǎn)模腔其原理是利用兩塊λ/4波片使諧振腔內(nèi)的激光在激光晶體中 形成一個(gè)均勻能量分布的駐波場(chǎng)，即介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在空間上均勻分布，便可以消除空 間燒孔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有消除空間燒孔效應(yīng)方法的不足，提供一種更方便有效、 低成本的利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)固體激光器增益物質(zhì)來(lái)消除空間燒孔效應(yīng)的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的
一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置，包括固體激光器、 壓電陶瓷和驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于壓電陶瓷為長(zhǎng)條形，被固定在固體激光器增益介質(zhì)下面 的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質(zhì)的軸向方向一致；驅(qū)動(dòng)電路為產(chǎn)生三角波信號(hào)的電 路，其信號(hào)輸出端通過(guò)導(dǎo)線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)， 壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質(zhì)沿軸向產(chǎn)生λ/4位移，使固體激光 器的增益介質(zhì)得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)。所述的驅(qū)動(dòng)電路是頻率和輸出電壓可調(diào)的電壓驅(qū)動(dòng)電源，其頻率為10ΗΖ-30ΚΗΖ， 輸出電壓為0V-+4V。一種利用上述裝置消除固體激光器空間燒孔效應(yīng)的方法，步驟如下1、打開(kāi)固體激光器的電源，使其正常工作；將激光功率測(cè)量裝置放置在固體激光 器的輸出端以備測(cè)量功率之用；2、將驅(qū)動(dòng)電路的輸出端通過(guò)導(dǎo)線和壓電陶瓷連接好，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)電路的電源，使驅(qū) 動(dòng)電路產(chǎn)生穩(wěn)定的三角波信號(hào)；3、調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的頻率，同時(shí)由激光功率測(cè)量裝置觀察有無(wú)輸出功率的變化，如 無(wú)功率的變化時(shí)，緩慢增加驅(qū)動(dòng)電路的電壓值，再調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的頻率，當(dāng)激光功率測(cè)量裝 置觀察到有輸出功率的變化時(shí)，反復(fù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的頻率，使固體激光器的輸出功率最大 時(shí)，此時(shí)即為消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)后所得的測(cè)量值。本發(fā)明消除空間燒孔效應(yīng)的工作原理如下激光的形成需要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。以三能級(jí)系統(tǒng)為例敘述反轉(zhuǎn)粒子數(shù)形成的過(guò) 程，三個(gè)能級(jí)從小到大依次分別為0，1，2，原子從基態(tài)被激勵(lì)到能級(jí)2，然后通過(guò)非輻射躍 遷衰變到能級(jí)1，能級(jí)1的壽命為T(mén)1，能級(jí)2的壽命為τ2，且1/τ2= 1/τ&+1/τ2 ，τ 2r 為自發(fā)發(fā)射躍遷壽命，T2m為非輻射躍遷壽命。一般T1比較長(zhǎng)，為亞穩(wěn)態(tài)，增大激發(fā)速率 可實(shí)現(xiàn)能級(jí)1和能級(jí)0的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。假設(shè)激光器為駐波腔，產(chǎn)生激光時(shí)某個(gè)縱模達(dá)到閾 值開(kāi)始振蕩，圖2(a)為腔內(nèi)光強(qiáng)分布圖，圖2(b)為對(duì)應(yīng)位置處的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布圖。由 圖2可看出在駐波光強(qiáng)最強(qiáng)處，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被大量消耗，數(shù)值變?yōu)樽钚。鈴?qiáng)最弱處的反 轉(zhuǎn)粒子數(shù)未被消耗數(shù)值為最大。設(shè)計(jì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生三角波電壓，電壓幅值和頻率 可調(diào)。由于壓電晶體的逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下會(huì)在軸向產(chǎn)生 位移，其軸向位移大小計(jì)算公式為AL = dil/La + MU2/l4，其中d為壓電陶瓷的壓電應(yīng)變常 數(shù)，U為電壓，Ltl為壓電陶瓷的長(zhǎng)度，M為壓電陶瓷的電致伸縮系數(shù)。設(shè)置壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)頻 率，使得在小于τ 1+τ 2的時(shí)間內(nèi)激光器的增益介質(zhì)在軸向產(chǎn)生λ/4的位移，由圖3可知， 原為波腹的A處將變?yōu)椴ü?jié)，而原為波節(jié)的B處將變?yōu)椴ǜ?，從而使得B處的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也 被消耗。壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)頻率變化只要使激光器增益介質(zhì)在軸向稍有位移便可以使得燒 孔效應(yīng)減弱，使激光器增益介質(zhì)更多的得到有效利用。通過(guò)這種方法可以方便有效的消除 激光器的空間燒孔效應(yīng)，使增益介質(zhì)得到有效利用，提高了激光器的輸出特性。本發(fā)明的利用壓電陶瓷消除激光器空間燒孔效應(yīng)的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)有效地提 高固體激光器增益介質(zhì)的利用率，使激光器的輸出性能得到極大的提高。另外，可以有效地 消除多模競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)激光器的單頻輸出，方法簡(jiǎn)單有效，成本較低。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖其中1、增益介質(zhì)，2、底座，3、壓電陶瓷，4、驅(qū)動(dòng)電源，5、導(dǎo)線，6、激光器腔鏡，7、激
光器腔鏡。圖2(a)是駐波腔中光強(qiáng)分布圖，(b)是駐波腔中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布圖。圖3是固體激光器駐波腔中光的某一模式下反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電路示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。實(shí)施例1 (裝置實(shí)施例)如圖1所示，一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置，包括 固體激光器、壓電陶瓷3和驅(qū)動(dòng)電路4，其特征在于壓電陶瓷4為長(zhǎng)條形，被固定在固體激光 器增益介質(zhì)1下面的底座2上，壓電陶瓷3的軸向和增益介質(zhì)1的軸向方向一致；驅(qū)動(dòng)電路 4為產(chǎn)生三角波信號(hào)的電路，其信號(hào)輸出端通過(guò)導(dǎo)線5和壓電陶瓷4連接，由于壓電陶瓷4 的逆壓電效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷4在軸向伸縮致使固體激光器的增益介質(zhì)1沿軸 向產(chǎn)生X/4位移，使固體激光器的增益介質(zhì)1得到有效的利用，從而消除固體激光器的空 間燒孔效應(yīng)。所述的驅(qū)動(dòng)電路4是頻率和輸出電壓可調(diào)的電壓驅(qū)動(dòng)電源，其頻率為 10Hz-30KHz，輸出電壓為 0V-+4V。本發(fā)明方法采用Nd:YAG固體激光器，輸出波長(zhǎng)為1064nm，熒光壽命為230 y s，所 需軸向位移為X /4 = 246nm，驅(qū)動(dòng)電路頻率為4kHz。圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電路。采用常見(jiàn)的單片精密函數(shù)發(fā)生器 ICL8038輸出一電壓和頻率可調(diào)的三角波電壓信號(hào)，管腳6接12V正電壓，管腳9通過(guò)R1和 管腳6相接，管腳4和5分別通過(guò)電阻R2和R3接正電壓；滑動(dòng)變阻器VR1的3腳接ICL8038 的管腳8，1腳接12V正電壓，2腳通過(guò)電阻R4接-12V負(fù)電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)VR1可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng) 電路的信號(hào)輸出頻率。Cl，C2，C3為去耦電容，其中C1連接在12V正電壓和地之間；C2連 接在12V正電壓和ICL8038的管腳8之間；C3連接在-12V負(fù)電壓和ICL8038的管腳10之 間。ICL8038的管腳12接滑動(dòng)變阻器VR2的1腳，VR2的2、3腳相連后接-12V負(fù)電壓；VR3 的2腳接地，1腳接ICL8038的管腳3，滑動(dòng)腳接運(yùn)算放大器0P07的管腳3，0P07的管腳6 通過(guò)C8和R5接地；0P07的管腳4、7分別連接在-12V和12V負(fù)、正電源上；濾波電容C5、 C6 一端分別連接在-12V和12V上，另一端接地。通過(guò)VR3能夠調(diào)節(jié)電壓幅值；ICL8038的 管腳2為三角波信號(hào)輸出端。實(shí)施例2 (方法實(shí)施例)一種利用上述裝置消除固體激光器空間燒孔效應(yīng)的方法，步驟如下1、打開(kāi)固體激光器的電源，使其正常工作；將激光功率測(cè)量裝置放置在固體激光 器的輸出端以備測(cè)量功率之用；2、將驅(qū)動(dòng)電路4的三角波信號(hào)輸出端通過(guò)導(dǎo)線5和壓電陶瓷3連接好，打開(kāi)驅(qū)動(dòng) 電路4的電源，使驅(qū)動(dòng)電路4產(chǎn)生穩(wěn)定的三角波信號(hào)；
3、調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路4的頻率，同時(shí)由激光功率測(cè)量裝置觀察有無(wú)輸出功率的變化， 如無(wú)功率的變化時(shí)，緩慢增加驅(qū)動(dòng)電路4的電壓值，再調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路4的頻率，當(dāng)激光功率 測(cè)量裝置觀察到有輸出功率的變化時(shí)，反復(fù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路4的頻率，使固體激光器的輸出 功率最大，此時(shí)即為消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)后所得的測(cè)量值。
權(quán)利要求
一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝置，包括固體激光器、壓電陶瓷和驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于壓電陶瓷為長(zhǎng)條形，被固定在固體激光器增益介質(zhì)下面的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質(zhì)的軸向方向一致；驅(qū)動(dòng)電路為產(chǎn)生三角波信號(hào)的電路，其信號(hào)輸出端通過(guò)導(dǎo)線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質(zhì)沿軸向產(chǎn)生λ/4位移，使固體激光器的增益介質(zhì)得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的裝 置，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電路是頻率和輸出電壓可調(diào)的電壓驅(qū)動(dòng)電源電路，其頻率為 10Ηζ-30ΚΗζ，輸出電壓為 0V-+4V。
3.一種利用權(quán)利要求1所述裝置消除固體激光器空間燒孔效應(yīng)的方法，步驟如下1)打開(kāi)固體激光器的電源，使其正常工作；將激光功率測(cè)量裝置放置在固體激光器的 輸出端以備測(cè)量功率之用；2)將驅(qū)動(dòng)電路的輸出端通過(guò)導(dǎo)線和壓電陶瓷連接好，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)電路的電源，使驅(qū)動(dòng)電 路產(chǎn)生穩(wěn)定的三角波信號(hào)；3)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的頻率，同時(shí)由激光功率測(cè)量裝置觀察有無(wú)輸出功率的變化，如無(wú)功 率的變化時(shí)，緩慢增加驅(qū)動(dòng)電路的電壓值，再調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的頻率，當(dāng)激光功率測(cè)量裝置觀 察到有輸出功率的變化時(shí)，反復(fù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的頻率，使固體激光器的輸出功率最大，此時(shí) 即為消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)后所得的測(cè)量值。
全文摘要
一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)固體激光器增益介質(zhì)消除空間燒孔效應(yīng)的方法，屬固體激光器技術(shù)領(lǐng)域，使用裝置包括固體激光器、壓電陶瓷和驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于壓電陶瓷為長(zhǎng)條形，被固定在固體激光器增益介質(zhì)下面的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質(zhì)的軸向方向一致；驅(qū)動(dòng)電路為產(chǎn)生三角波信號(hào)的電路，其信號(hào)輸出端通過(guò)導(dǎo)線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質(zhì)沿軸向產(chǎn)生λ/4位移，使固體激光器的增益介質(zhì)得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應(yīng)，可以有效地消除多模競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)激光器的單頻輸出，方法簡(jiǎn)單有效，成本較低。
文檔編號(hào)H01S3/02GK101976794SQ201010277829
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者孔德龍, 宋復(fù)俊, 常軍, 張燕, 王偉杰, 王宗良 申請(qǐng)人:山東大學(xué)