一種判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置的製作方法

2023-07-26 01:49:31 1

專利名稱：一種判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射晶體和器件領域，特別涉及一種判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置。
背景技術：
隨著雷射技術的發展及其在信息存儲、生物醫學、雷射顯示、光學研究等領域越來越廣泛的應用，對具有不同輸出波長的固體雷射器的需求也越來越迫切。可見波長雷射在雷射顯示、醫療、印刷、娛樂和科學研究等方面都有廣泛的應用。目前，獲得綠光輸出的主要途徑是採用倍頻晶體KTP、PPLN或LBO等對Nd3+離子產生的I. 06 μ m雷射進行倍頻獲得 O. 53μπι的綠光輸出。對於中小功率的綠光輸出，通常採用Nd:YV04+KTP的方式來得到。但是這種包含雷射工作物質和倍頻材料兩種晶體的雷射器，結構比較複雜，穩定性不是很強， 而且兩塊晶體的膠合工藝一直限制了這種雷射器的成本和簡化。自倍頻晶體是一種可以直接獲得可見雷射輸出的理想材料。將激活離子摻雜入一塊具有非線性光學特性的晶體，使其既是雷射晶體，又具有雷射變頻非線性的功能。當晶體沿著倍頻的最佳相位匹配方向切割時，就可以在晶體內部對離子產生的基頻雷射直接進行倍頻，從而獲得自倍頻雷射輸出。從原理上講，自倍頻雷射器結構簡單緊湊，穩定性強，製作成本低。但是，自倍頻晶體在實際應用中，卻面臨著效率不高的問題，致使自倍頻輸出效率不高的原因主要有以下三個方面(I)材料的自激活特性(即晶體的雷射特性與非線性特性的匹配程度)；(2)激活離子自身對倍頻光的自吸收問題；(3)雷射運轉過程中，最佳相位匹配方向的失配問題。對於前兩個原因,可以通過改良自倍頻晶體材料本身性質來改善,對於第三個原因，可以通過對晶體加工和實驗條件的控制來解決。在自倍頻雷射實驗中，自倍頻雷射輸出的功率有一個逐漸穩定的變化過程。這是因為隨著晶體對泵浦光的吸收，晶體內部溫度逐漸升高，而晶體又處於製冷控溫裝置內， 最後在晶體內部會形成穩定的熱梯度分布；因此，晶體內部的真實溫度是由泵浦光的吸收情況和邊界的製冷條件共同決定的；晶體自倍頻效率與晶體的溫度有著密切關係隨著溫度的改變，晶體折射率會發生變化，導致最佳相位匹配方向也隨之改變，從而改變倍頻效率；所以，最終的自倍頻雷射輸出過程也是一個隨著晶體內部溫度變化逐漸趨於穩定的平衡過程。一般情況下，自倍頻晶體是按照室溫下對應的最佳相位匹配方向進行切割的，但是在自倍頻晶體吸收泵浦光形成穩定熱梯度分布的過程中，只有某一時刻的晶體中心溫度才滿足與該溫度相同，只有這時倍頻過程才是發生在最佳相位匹配方向上，效率最高。但是當晶體達到穩定熱梯度分布後，晶體中心溫度一般都不等於室溫，這時相位匹配方向發生偏轉，不能再滿足最佳相位匹配。因此，實際雷射運轉過程中的倍頻效率一般要低於理論上可達到的最佳效率。同理，所有基於二階非線性的自變頻過程，都具有與自倍頻一樣的特性和雷射運轉過程中由於晶體內部溫度改變導致的相位失配問題。因此，我們需要找到相應的解決辦法，來調整實際運轉過程中的自變頻雷射晶體的熱平衡運轉條件，使其最優化，從而顯著提高自變頻雷射的輸出效率。

發明內容
本發明目的針對由於晶體內部溫度改變導致的相位失配引起的自變頻固體雷射器效率不高的問題，從晶體內部熱梯度分布與自變頻相位匹配的關係著手，提出採用光電探測器探測自變頻雷射信號並轉化為電信號，傳送至示波器，利用示波器對得出自變頻雷射對應的電信號強度隨時間的變化曲線，經過分析確定不同情況下自變頻晶體的最佳熱平衡運轉條件。為實現上述發明目的本發明的技術方案如下本發明提供的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，其包括置於自變頻雷射器輸出光路上的分光稜鏡,所述分光稜鏡將自變頻雷射器的出射雷射進行分光得到自變頻雷射信號；設置於所述自變頻雷射信號光路上的小孔光闌；位於所述小孔光闌光出射方向上的光電探測器；和與所述光電探測器電相連的示波器；所述光電探測器探測由小孔光闌透過的自變頻雷射信號並轉化為電信號，之後傳送至示波器，在示波器中對所述電信號隨自變頻雷射器中的自變頻晶體內部熱平衡建立的變化過程進行存儲和分析，得出自變頻雷射對應的電信號強度隨時間的變化曲線；該曲線顯示的電信號最強點的幅度值為自變頻雷射器輸出自變頻雷射最大強度經過光電探測器轉換得到的電信號值，橫坐標為自變頻雷射器從初始運轉到實現最強自變頻雷射輸出所對應的時間，該時刻對應的自變頻晶體的控溫條件為自變頻晶體的最佳熱平衡運轉條件；不同泵浦條件下自變頻晶體的最佳熱平衡運轉條件不同；通過調整自變頻晶體的冷卻散熱裝置對自變頻晶體控溫，使自變頻雷射器穩定運轉時自變頻晶體的平衡溫度控制在所述曲線顯示的電信號最強點對應的晶體溫度，實現自變頻雷射器中自變頻晶體的最佳熱平衡運轉；或者計算出該時刻對應的自變頻晶體內部的真實溫度，將自變頻晶體按照該溫度下的最佳變頻相位匹配方向進行切割，以實現自變頻雷射器中自變頻晶體的最佳熱平衡運轉。本發明為了確定自變頻晶體的最佳熱平衡運轉條件，通過調整自變頻晶體的冷卻散熱裝置對自變頻晶體進行控溫，使自變頻雷射器穩定運轉時自變頻晶體的平衡溫度控制在所述曲線顯示的電信號最強點對應的晶體溫度，即曲線達到最高點後不再下降，從而實現自變頻雷射器中自變頻晶體的最佳熱平衡運轉；或者計算出最佳熱平衡運轉時刻對應的自變頻晶體內部的真實溫度，將自變頻晶體按照該溫度下的最佳相位匹配方向進行切割， 也能實現自變頻雷射器中自變頻晶體的最佳熱平衡運轉。因此，通過本判定裝置可以解決自變頻雷射器運轉過程中自變頻晶體內部的相位失配問題，最終達到提高自變頻雷射輸出效率的目的。上述技術方案中，所述的自變頻雷射器可為所有基於二階非線性的自變頻雷射器 (自倍頻雷射器、自和頻雷射器、自差頻雷射器、或自參量振蕩雷射器)。上述技術方案中，所述的自變頻晶體可為所有相位匹配自變頻晶體，例如 NdxYhAl3 (BO3) 4 (NYAB)、Nd: YCa4O (BO3) 3 (Nd: Y⑶B)、Nd: GdCa4O (BO3) 3 (Nd: GdCOB)、 Nd = La2CaBltlO19(Nd:LCB)等。本發明的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，還可包括放置於光電探測器接收窗口前方的散射障礙物，所述散射障礙物為任意將過強的雷射進行散射，以減弱探測器接收到的雷射強度的物體；當光強較弱時，光電探測器可以直接探測自變頻雷射信號； 當光強較強時，為了保護光電探測器接收光強度小於其損傷閾值，光電探測器可以探測自變頻雷射信號經過散射障礙物散射後的光。所述的光電探測器為Si探測器或InGaAs探測器，探測器的響應波段要包含自變頻雷射波長。所述的自變頻雷射器主要包括泵浦源、自變頻晶體和雷射諧振腔，利用泵浦源激發自變頻晶體，並在雷射諧振腔內形成基頻光雷射振蕩，利用自變頻晶體的非線性效應，對基頻光進行自變頻並輸出。上述技術方案中，所述的自變頻雷射器可以為任意形式。包括一、所述的自變頻雷射器的泵浦源可以選擇閃光燈、單管或者模塊形式的半導體雷射器、光纖雷射器或者可調諧鈦寶石雷射器；泵浦源的輸出波長對應自變頻晶體內激活離子的吸收峰位置；泵浦源的輸出形式可以是連續輸出，也可以是脈衝輸出；泵浦方式可以為端面泵浦方式或側面泵浦方式。二、所述的自變頻雷射器的雷射諧振腔可以為獨立的輸入腔鏡和輸出腔鏡構成， 也可以為直接在自變頻晶體的兩個端面都鍍上雷射腔鏡膜的微片形式；腔型可以選擇平平腔、平凹腔、平凸腔、凹凸腔、凹凹腔、凸凸腔等。三、另外，還可以採用各種不同雷射技術，例如調Q，鎖模等。本發明的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，對於自變頻雷射輸出效率的提高和性能的優化有著非常重要的意義。


圖I為本發明裝置應用於判定NchGdCOB自倍頻固體雷射器最佳熱平衡運轉條件的系統結構示意圖。圖2為實施例I中，泵浦功率2W，不同晶體製冷控溫下綠光信號強度隨晶體熱平衡建立過程的變化曲線。圖3為本發明裝置應用於判定Nd = GdCOB自倍頻固體雷射器最佳熱平衡運轉條件的系統結構示意圖。圖4為實施例I中，泵浦功率4W，不同晶體製冷控溫下綠光信號強度隨晶體熱平衡建立過程的變化曲線。圖5為實施例I中，泵浦功率5W，晶體製冷8°C時，綠光信號強度隨晶體熱平衡建立過程的變化曲線。圖6為本發明裝置應用於Nd = YCOB晶體平凹腔型自和頻雷射系統的結構示意圖。圖7為本發明裝置應用於Nd = YCOB晶體調Q輸出自倍頻雷射系統的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。實施例I參考圖1，本實施例將本發明裝置應用於判定低功率泵浦時Nd = GdCOB晶體綠光自倍頻固體雷射器最佳熱平衡運轉條件。本實施例提供的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，其包括置於自變頻雷射器輸出光路上的分光稜鏡5,所述分光稜鏡5將自變頻雷射器的出射雷射進行分光得到自變頻雷射信號6;設置於所述自變頻雷射信號6光路上的小孔光闌7 ；位於所述小孔光闌光出射方向上的光電探測器8 ;和與所述光電探測器電相連的示波器8 ；光電探測器探測8由小孔光闌透過的自變頻雷射信號6並轉化為電信號，之後傳送至示波器8，在示波器中對所述電信號隨自變頻雷射器中的自變頻晶體內部熱平衡建立的變化過程進行存儲和分析，得出自變頻雷射對應的電信號強度隨時間的變化曲線；本實施例判定的自倍頻雷射系統情況如下泵浦源I採用發射波長為808nm的連續輸出雷射二極體，泵浦功率為2W ；自倍頻晶體2採用5at. % Nd:GdCOB,自倍頻晶體2按室溫下空間最佳相位匹配方向Θ = 113°， Φ =47.6°切割,其通光方向的兩個端面拋光處理；該自倍頻晶體尺寸為3mmX3mmX5mm, 其通光面為正方形；該自倍頻晶體兩端直接鍍雷射諧振腔腔鏡膜3，自倍頻晶體2輸入端鍍膜參數為對泵浦光波長(808nm)高透(HT)、對基頻光1061nm和倍頻光530. 5nm高反(HR)； 自倍頻晶體輸出端鍍膜參數為對基頻光1061nm高反(HR)、對倍頻光530. 5nm高透(HT)； 如圖1，在泵浦源I的輸出光前方順序設置光路耦合裝置11和雷射諧振腔，自倍頻晶體2置於雷射諧振腔內；泵浦光以端面泵浦的方式入射在自倍頻晶體2的輸入端端面，當泵浦光達到閾值時，獲得530. 5nm自倍頻綠光出射雷射4的輸出；本實施例光電探測器8採用Si光電探測器，利用置於自倍頻綠光出射雷射4輸出光路上的分光稜鏡5將出射雷射4中自倍頻綠光和剩餘的泵浦光和基頻光成份分開，在自倍頻光路上位於探測器接收窗口前設置過濾其它雜散光的小孔光闌7，由位於小孔光闌7 之後的光電探測器8直接接收自倍頻綠光信號6，並將該自倍頻綠光信號6轉換的自倍頻綠光電信號並傳輸至不波器9上；當泵浦源I發出的泵浦光功率為2W時，改變自倍頻晶體冷卻散熱裝置10-02的控制溫度Tc，觀察示波器9上自倍頻綠光電信號強度變化曲線(圖2)，圖2中綠光電信號出現的時刻為起始時刻，即泵浦光注入自倍頻晶體2的時刻；自倍頻綠光信號強度隨著系統熱平衡建立過程，逐漸增強，並最終保持穩定值；由圖2，可以判定該泵浦條件下，所達到的最佳熱平衡運轉條件是自倍頻晶體溫度Tc為26°C。分析原因是由於低功率泵浦下，由於泵浦光導致的自倍頻晶體溫度升高不明顯， 自倍頻晶體內部溫度分布主要取決於自倍頻晶體的冷卻散熱裝置；而且，自倍頻晶體實際的切割方向與計算結果還是有一定誤差的，利用此裝置，能夠精確的找到最佳熱平衡運轉條件。該實施例同樣可以推廣應用於其它自倍頻晶體(如Nd:YC0B、Nd:YAB)、其它基於二階非線性效應的自變頻過程(如自和頻、自差頻、自參量振蕩)較低泵浦功率下晶體最
6佳熱平衡運轉條件的判定。實施例2參考圖3，本實施例將本發明裝置應用於判定較高功率泵浦時Nd = GdCOB晶體綠光自倍頻固體雷射器最佳熱平衡運轉條件。該裝置的基本組成結構和判定的雷射系統與實施例I基本相同，區別在於 (I)自倍頻雷射系統中的泵浦光強度有所增加。(2)本實施例採用InGaAs探測器。(3)本實施例採用散射接收方式。實驗情況I :圖4是當泵浦光強度為4W時，不同晶體控溫Tc下的綠光信號強度變化曲線。由圖可知，當晶體控制溫度較高時，綠光強度先增加再減弱，最後保持在較低的穩定值；隨著晶體控制溫度降低，綠光強度減弱的幅度減小，最終穩定後的值逐漸抬升。當晶體製冷系統的控制溫度降低至8°C時，綠光強度升高至最高點後基本上沒有減小，而是逐漸趨於穩定。這說明該運轉條件下，晶體平衡時的中心溫度剛好等於晶體最佳相位匹配方向對應的溫度，從而使倍頻達到了最佳相位匹配，實現了該泵浦條件下最高的自倍頻發射效率。分析原因是由於較高功率泵浦下，由於泵浦光吸收導致的晶體溫度升高非常明顯，一般遠遠高於室溫，這時必須依靠晶體控溫系統降低晶體溫度，將晶體中心溫度控制調節至室溫附近，實現最佳相位匹配和高效率的倍頻轉換。圖4中的最高點就是晶體溫度平衡過程中，某時刻的中心溫度等於晶體最佳相位匹配方向對應的溫度時，實現了最大效率的倍頻轉換。我們利用本裝置要實現的目的，是找到一定泵浦條件下對應的最佳晶體控溫， 最終實現自倍頻光信號強度升高到最高點後不再減小，一直保持最大效率的自倍頻輸出， 如圖4中晶體控溫8°C時的結果。實驗情況2 :泵浦功率繼續升高至5W。當泵浦功率繼續增加至5W，晶體製冷系統的控制溫度為8°C時，由示波器上信號強度變化曲線(圖5)可以判定此時仍未達到最佳熱平衡運轉條件，綠光信號強度升高後又逐漸降低，最後趨於較低的平衡穩定值。這是因為高功率泵浦下，晶體中心平衡溫度總高於晶體最佳相位匹配方向對應的溫度，因此很難能達到最佳相位匹配。這時，我們可以不再通過繼續降低晶體溫度來尋找最佳熱平衡運轉條件，使自倍頻輸出效率提高；而是利用熱場分布的理論計算，推算出最佳運轉時晶體內部溫度梯度分布，指導晶體按照該特定溫度下最佳相位匹配方向切割。具體計算裝置是本專業技術人員可以實現的。由於實際加工時，晶體切割總是存在一定誤差，所以在根據溫度改變晶體切割方向後，仍可以根據此裝置來進一步精確確定最佳熱平衡運轉條件。該實施例同樣可以推廣應用於其它自倍頻晶體(如Nd:YC0B、Nd:YAB)、其它基於二階非線性效應的自變頻過程(如自和頻、自差頻、自參量振蕩)較高泵浦功率下晶體最佳相位匹配方向對應溫度的判定。實施例3參考圖6，本實施例將本發明裝置應用於判定Nd = GdCOB晶體綠光自和頻固體雷射器最佳熱平衡運轉條件。
該系統的組成結構與實施例I基本相同，區別在於(I)晶體端面經過曲面加工後鍍腔鏡膜，形成平凹腔。(2)泵浦源選用閃光燈，泵浦方式為側面泵浦。(3)本實施例觀測的是NchGdCOB晶體綠光自和頻，腔鏡膜針對此波長設計如下。 輸入端鍍膜參數為對泵浦光波長(808nm)高透(HT)、對1060 1091nm和537nm的高反 (HR);輸出端加腔鏡，鍍膜參數為:對1060 1091nm的高反(HR)膜和537nm的高透(HT)膜。與實施例1-2相同，通過觀察示波器上和頻光信號熱變化曲線可以判定某一泵浦條件下最佳的熱平衡運轉條件，即特定泵浦條件下最佳晶體製冷溫度。或者在高功率下，還可以利用此裝置，結合理論計算，得出晶體最佳相位匹配方向對應的溫度，來實現晶體特定溫度下匹配角切割，提高自變頻輸出效率。實施例4參考圖7，本實施例給出一種判定Nd = YCOB晶體調Q綠光自倍頻固體雷射器最佳熱平衡運轉條件的裝置。本實施例泵浦源和晶體的基本情況與實施例I相同，區別在於(I)晶體為8at. % Nd:YC0B，晶體按室溫下空間最佳相位匹配方向Θ =113°， Φ=47.6°切割，通光方向的兩個端面拋光處理。晶體通光面為正方形，晶體尺寸為 3 X 3 X 5mm。(2)本實施例不在晶體兩端面加工鍍膜，而是採用外加腔鏡構成諧振腔。(3)腔鏡鍍膜參數為對泵浦光波長(808nm)高透(HT)、對1061nm和530. 5nm的高反(HR);輸出端鍍膜參數為對1061nm的高反(HR)膜和530. 5nm的高透(HT)膜。(4)雷射諧振腔內加入聲光Q開關9進行調Q，可以得到脈衝形式的雷射輸出，從而實現提高峰值功率的目的。(5)本實施例觀測的倍頻光信號變化曲線，是由脈衝峰值位置形成的包絡線。脈衝輸出重複頻率越高，此包絡線隨泵浦強度和晶體控溫的變化趨勢，越趨近於連續雷射的情況。與實施例1、2相同，通過觀察示波器上脈衝包絡曲線的變化，可以判定某一泵浦條件和調Q頻率下，最佳的熱平衡運轉條件；或者在高功率、高重頻情況下，還可以根據本發明的裝置，結合理論計算，得出自變頻晶體最佳相位匹配方向對應的溫度，來實現晶體特定溫度下匹配角切割，提高自變頻輸出效率。
權利要求
1.一種判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，其包括置於自變頻雷射器輸出光路上的分光稜鏡，所述分光稜鏡將自變頻雷射器的出射雷射進行分光得到自變頻雷射信號；設置於所述自變頻雷射信號光路上的小孔光闌；位於所述小孔光闌光出射方向上的光電探測器；和與所述光電探測器電相連的示波器；所述光電探測器探測由小孔光闌透過的自變頻雷射信號並轉化為電信號，之後傳送至示波器，在示波器中對所述電信號隨自變頻雷射器中的自變頻晶體內部熱平衡建立的變化過程進行存儲和分析，得出自變頻雷射對應的電信號強度隨時間的變化曲線；該曲線顯示的電信號最強點的幅度值為自變頻雷射器輸出自變頻雷射最大強度經過光電探測器轉換得到的電信號值，橫坐標為自變頻雷射器從初始運轉到實現最強自變頻雷射輸出所對應的時間，該時刻對應的自變頻晶體的控溫條件為自變頻晶體的最佳熱平衡運轉條件；不同泵浦條件下自變頻晶體的最佳熱平衡運轉條件不同；通過調整自變頻晶體的冷卻散熱裝置對自變頻晶體控溫，使自變頻雷射器穩定運轉時自變頻晶體的平衡溫度控制在所述曲線顯示的電信號最強點對應的晶體溫度，實現自變頻雷射器中自變頻晶體的最佳熱平衡運轉；或者計算出該時刻對應的自變頻晶體內部的真實溫度，將自變頻晶體按照該溫度下的最佳變頻相位匹配方向進行切割，以實現自變頻雷射器中自變頻晶體的最佳熱平衡運轉。
2.按權利要求I所述的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，其特徵在於所述的自變頻雷射器為自倍頻雷射器、自和頻雷射器、自差頻雷射器或自參量振蕩雷射器。
3.按權利要求I所述的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，其特徵在於所述的自變頻晶體為 NdxYhAl3 (BO3) 4、Nd: YCa4O (BO3) 3、Nd: GdCa4O (BO3) 3 或 Nd: La2CaBltlO19。
4.按權利要求I所述的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，其特徵在於，還包括放置於光電探測器接收窗口前方的散射障礙物，所述散射障礙物為任意將過強的雷射進行散射，以減弱探測器接收到的雷射強度的物體。
5.按權利要求I所述的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置，其特徵在於所述的光電探測器為Si探測器或InGaAs探測器，探測器的響應波段要包含自變頻雷射波長。
全文摘要
本發明的判定自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件的裝置採用光電探測器探測自變頻雷射器產生的自變頻光信號，並轉化為電信號，再利用示波器對該電信號進行存儲和分析；即可通過改變自變頻晶體製冷裝置控制溫度，來確定不同泵浦下自變頻晶體最佳熱平衡運轉條件；又可結合熱場分布理論計算出自變頻雷射器最佳運轉情況下自變頻晶體內部溫度梯度分布，指導自變頻晶體按特定溫度下最佳相位匹配方向切割；還可同步觀測自變頻雷射器產生自變頻雷射信號強度隨晶體內部熱平衡建立的變化過程，指導自變頻晶體的最佳熱平衡運轉條件設置，或指導計算自變頻晶體最佳相位匹配方向時所對應溫度的選擇，使自變頻雷射器中自變頻晶體的熱平衡運轉條件實現最優化。
文檔編號H01S3/102GK102593703SQ201210012439
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者於浩海, 宗楠, 張懷金, 彭欽軍, 王正平, 王繼揚, 許祖彥, 韓琳 申請人:中國科學院理化技術研究所, 山東大學