專利名稱：高功率內腔倍頻激光器相位失配補償加熱器及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高功率內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。
背景技術：
激光二極管泵浦的高重復頻率(1～50kHz)、高平均功率(＞20W)、內腔倍頻綠光固體激光器，由于具有效率高、光束質量好、體積小、壽命長、運轉成本低等特點，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域有著重要的應用。
采用基于KTP非線性光學晶體的聲光調Q NdYAG內腔倍頻技術是實現(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，KTP晶體吸收了激光功率，會在內部產(chǎn)生溫度梯度分布，從而會在以下兩個方面限制轉換效率，一方面由于溫度分布的不均勻導致了KTP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)境導致晶體的倍頻效率下降；另一方面，晶體內部溫度不均勻，導致折射率會不均勻分布，從而導致熱應力的產(chǎn)生，相應的產(chǎn)生熱透鏡相應，在內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。
當前，高功率綠光激光器中倍頻晶體的相位補償技術有低溫(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，會導致綠光輸出出現(xiàn)多光斑的現(xiàn)象。而在高功率內腔全固態(tài)綠光激光器中采用相位失配補償加熱器及方法的技術可以克服以上缺點，目前采用該技術方案的相關專利和文獻還沒有報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種高功率內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％，重復頻率1kHz～30kHz可調。
本發(fā)明通過下述技術方案加以實現(xiàn)的，一種高功率內腔倍頻激光器相位失配補償加熱器。其技術特征在于，該加熱器包括一個密閉的金屬盒8，在金屬盒體內放置KTP倍頻晶體10，與KTP晶體上下部位分別設置溫度傳感器9和加熱管12，在金屬盒底部設置半導體制冷器11，金屬盒內溫度傳感器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KTP晶體底部的加熱管通電升溫達到設定值之后，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)設定值做出判斷，當KTP晶體邊界溫度低于設定值時，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)減小半導體制冷器11的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設定值；當KTP晶體邊界溫度高于設定值時，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，同時增大半導體制冷器11的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設定值，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。
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)定以及應用范圍窄的缺點，而采用本發(fā)明設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域。


圖1為高功率內腔倍頻全固態(tài)綠光激光器結構示意圖。
圖2為圖1中采用本發(fā)明設計的KTP倍頻晶體加熱器的結構示意圖。
圖中1為凹面全反鏡；2為聲光Q開關；3為高功率半導體激光器泵浦組件；4為諧波反射鏡；5為設有加熱器的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％，重復頻率1kHz～30kHz可調。
本發(fā)明的具體技術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的半導體制冷器，金屬盒和半導體制冷器之間用導熱硅脂緊密結合，以增加導熱性能；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。
按照上述技術方案實現(xiàn)高功率內腔倍頻激光器相位失配補償加熱器，將其放置在高功率內腔倍頻全固態(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，設置溫控器的溫度初始值，此時KTP晶體邊界溫度低于設定值，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，同時減小半導體制冷器的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設定值；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，同時增大半導體制冷器的電壓，從而使KTP晶體的邊界溫度接近設定值，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；在激光器一定泵浦功率下，調整溫控器的溫度設定值，使綠光輸出最大；在LD泵浦功率為1000W，將KTP晶體邊界溫度設定到48.8℃，溫度精度為±0.1℃，聲光Q開光重復頻率為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％。
在高功率內腔倍頻全固態(tài)綠光激光器中采用高功率內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滿足相位匹配條件；3、不需要通過采用調節(jié)KTP晶體的旋轉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。
權利要求
1.一種高功率內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)，在金屬盒體內放置KTP倍頻晶體(10)，與KTP晶體上下部位分別設置溫度傳感器(9)和加熱管(12)，在金屬盒底部設置半導體制冷器(11)，金屬盒內溫度傳感器(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.按權利要求1所述的高功率內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。
3.一種采用權利要求1所述的加熱器實現(xiàn)高功率內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KTP倍頻晶體(10)底部的加熱管通電升溫達到設定值之后，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)設定值做出判斷，當KTP倍頻晶體(10)邊界溫度低于設定值時，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)的邊界溫度接近設定值；當KTP倍頻晶體(10)的邊界溫度高于設定值時，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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率內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。所述的加熱器包括，在密閉的金屬盒體內放置KTP倍頻晶體，并嵌入溫度傳感器和加熱管，其底部設置半導體制冷器，金屬盒設置控制器盒固態(tài)繼電器。所述的方法過程為設定KTP晶體邊界溫度值，當溫度低時，增大加熱管的功率，減小制冷器的電壓，使溫度接近設定值；當溫度高時，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。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