專利名稱：一種低功耗固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體激光器，尤其涉及一種多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍、低功耗固體激光器。
背景技術(shù)：
LD陣列抽運的固體激光器具有效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于軍事國防，航天技術(shù)，激光探測等領(lǐng)域。為降低和緩解激光晶體的熱效應(yīng)，常采用水冷或TEC制冷兩種冷卻方式。采用水冷方式制冷的激光器由于制冷水箱的緣故，使得整機體積過大，不方便攜帶。相比之下，無水冷激光器省去了制冷水箱，采用TEC制冷裝置具有體積小、方便攜帶等優(yōu)點，同時能克服惡劣環(huán)境工作，所以更適合航天，軍事等應(yīng)用場合。國內(nèi)外學(xué)者對于LD陣列抽運的無水冷激光器進行了大量的理論和實驗研究，模擬和分析了不同泵浦方式下晶體內(nèi)部的光場和熱場分布情況；采取多向泵浦的方式抽運棒狀晶體，以使晶體內(nèi)部光場分布均勻；使用板條狀或棒狀晶體，棱鏡，改變諧振腔結(jié)構(gòu)及放大技術(shù)等方法以達到所需激光輸出指標(biāo)。均勻泵浦，使晶體內(nèi)部熱分布均勻，都是需要解決的首要問題。同時采取TEC制冷裝置對激光介質(zhì)及LD陣列進行冷卻，以提高激光器輸出性能。目前，無水冷激光器的LD陣列普遍采用單一中心波長的Bar條組成。Bar條固有的工作性質(zhì)決定其輸出的中心波長隨溫度的增加以0. 3nm/°C的變化速率向長波方向移動。所以當(dāng)溫度改變大于3°C時，LD陣列輸出的波長會發(fā)生大于Inm的改變，導(dǎo)致其波長可能偏離激光晶體的吸收峰，使激光器的輸出性能大大降低。為了避免上述情況，需要提高TEC制冷裝置的溫度控制精度，使其穩(wěn)定工作在最佳溫度。但是，隨著Bar條輸出功率和激光器工作環(huán)境的變化，為了保證TEC溫控的精度，無疑會使無水冷激光器整機的功耗大大增加，導(dǎo)致激光器的整機插頭效率下降，使LD抽運的固體激光器失去了其體積小、效率高等優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對現(xiàn)有LD陣列抽運的固體激光器在溫度變化時工作穩(wěn)定性下降，使用TEC制冷裝置大量降低整機插頭效率的技術(shù)瓶頸，提供一種可以在降低TEC制冷裝置制冷功耗的情況下，在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗無水冷激光器。為了解決這個技術(shù)缺陷，設(shè)計一臺在不影響整機插頭效率的情況下，能在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的激光器。本發(fā)明提供了一種采用不同中心波長的Bar條通過組間合理的排布設(shè)計組成LD陣列，對激光晶體進行抽運的方法和裝置。本發(fā)明的中心思想是依據(jù)激光晶體的吸收譜線，參考Bar條工作中心波長隨溫度的變化速率，根據(jù)所需要的工作溫度范圍，選擇不同中心波長的Bar條，組成LD陣列，對激光晶體進行抽運。其中，不同中心波長Bar條的排布和設(shè)計理念遵循激光晶體內(nèi)部的光場分布均勻性最佳的原則。


圖I為本發(fā)明多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器裝置圖。圖2為本發(fā)明多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器抽運模塊結(jié)構(gòu)模型圖。圖3為摻雜濃度為I %的Nd: YAG晶體吸收波長譜線圖。圖4為多波長LD陣列Bar條具體排列方式圖。圖5為不同中心波長Bar條工作時隨溫度變化晶體吸收效率曲線圖。圖6為同種中心波長Bar條工作時隨溫度變化晶體吸收效率曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明設(shè)有下面結(jié)合附圖和具體實例進行詳細(xì)的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。以Nd:YAG晶體激光器為例，詳細(xì)說明本發(fā)明的思想。LD陣列(共3組)的組成中心波長806nm 5個(工作溫度25 °C )中心波長8O7Iim 5個(工作溫度25 °C )中心波長8OSnm 5個(工作溫度25 °C )中心波長8O9Iim 5個(工作溫度25 °C )中心波長8IOnm 5個(工作溫度25°C )激光晶體棒狀Nd: YAG晶體(晶體直徑d = 0. 4cm，晶體長度L = 8cm)諧振腔全反射鏡(HR@1064nm，R>99. 9% )輸出鏡(T= 40% il064nm)制冷裝置金屬熱沉，TEC制冷片,風(fēng)扇。圖I為本發(fā)明多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器裝置圖。圖I中從左至右，I為全反鏡，2為多波長LD陣列抽運模塊，3為輸出鏡。圖2為多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器的結(jié)構(gòu)模型圖。圖2中4為棒狀Nd:YAG晶體，與金屬棒連接的部分5為金屬支架，在固定晶體棒的同時作為熱沉將晶體棒中的熱量傳遞給6金屬熱沉，圖中7-9為多波長LD陣列，其中7為中心波長806nm的Bar條(工作溫度25°C )，8為中心波長807nm的Bar條(工作溫度25°C )，9為中心波長808nm的Bar條(工作溫度25°C )，10為中心波長809nm的Bar條(工作溫度25°C )，11為中心波長8IOnm的Bar條(工作溫度25°C )。本發(fā)明采用五種不同工作中心波長的Bar條共同組成LD陣列，對棒狀Nd:YAG激光晶體進行抽運。與單一波長Bar條組成LD陣列抽運的激光器相比，采用該設(shè)計的激光器對TEC制冷裝置的制冷精度要求大大降低，并可保證激光器在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，有效的提高了激光器的整機插頭效率。本發(fā)明的工作過程如下圖3是摻雜濃度為I %的Nd: YAG晶體吸收波長譜線圖。由圖可以確定Nd: YAG晶體對不同光波長的吸收系數(shù)，并利用公式仏=P )[l-eXp(-5cO]，可以計算其對應(yīng)的吸收效率(單個Bar條的輸出功率Ptl = 100W,晶體直徑d = 0. 4cm,晶體長度L = 8cm)。該晶體807nm，808nm，809nm波長光的吸收效率都在70%以上，其中對808nm波長光的吸收效率最高，達86. 5 %，但是對800nm，801nm, 802nm, 803nm, 811nm, 814nm光波長的吸收效率均不到40%。參考以上信息，考慮Bar條中心波長隨溫度變化的特性(溫度每升高3°C，Bar條中心波長向長波方向漂移Inm)，選擇五種不同中心波長的Bar條組成一個LD陣列，使其在IO0C _40°C溫度區(qū)間內(nèi)的工作效率保持穩(wěn)定。通過模擬和計算可對全部可能性組合進行分析和選擇，最終，由25°C時工作中心波長分別為806nm，807nm, 808nm, 809nm和8IOnm的Bar條組成的LD陣列，在10°C -40°C的溫度區(qū)間內(nèi)，可使Nd = YAG激光晶體總的吸收效率始終在40%以上，且吸收穩(wěn)定。同時為達到均勻抽運晶體的 目的，采用5個25°C時工作中心波長為806nm的Bar條，5個25°C時工作中心波長為807nm的Bar條，5個25°C時工作中心波長為808nm的Bar條，5個25°C時工作中心波長為809nm的Bar條和5個25°C時工作中心波長為8IOnm的Bar條共同組成LD陣列，通過排布方式的合理設(shè)計，可使激光晶體內(nèi)部光場分布均勻性最佳。排布結(jié)果如圖3所示，圖中12為中心波長806nm的Bar條(工作溫度25°C )，13為中心波長807nm的Bar條(工作溫度25°C )，14為中心波長808nm的Bar條(工作溫度25°C )，15為中心波長809nm的Bar條(工作溫度25°C )，16為中心波長8IOnm的Bar條(工作溫度25°C )。在選定所需穩(wěn)定工作的溫度范圍(10°C -40°C )內(nèi)，對比本發(fā)明多波長LD陣列激光器與普通單一波長LD陣列(采用25個25°C時工作中心波長為808nm的Bar條組成的LD陣列)激光器的晶體吸收效率，假設(shè)兩臺激光器除LD陣列不同外，其他條件一致。分別計算出溫度每變化3°C時每臺激光器的晶體吸收效率，對比列表如下
單一波長Bar
本發(fā)明激單一波長Bar條LD 條LD陣列激光本設(shè)計激光器LD陣列Bar條工作中心波光器晶體陣列激光器LD陣列器晶體吸收效溫度長吸收效率 Bar條工作中心波長率
10°C 801nm，802nm, 803nm, 804nm, 805nm 42.95%803nm32.51%
13°C 802nm, 803nm, 804nm，805nm, 806nm 50.97%804nm64. 14%
160C 803nm, 804nm, 805nm, 806nm, 807nm 59.99%805nm67.64%
19°C 804nm, 805nm, 806nm, 807nm, 808nm 70.78%806nm65.35%
22°C 805nm, 806nm, 807nm, 808nm, 809nm 74.85%807nm70.29%
25°C 806nm, 807nm, 808nm, 809nm, 81Onm 69,94%808nm86.47%
28°C 807nm, 808nm, 809nm, 810nm, 811nm 65.48%809nm84.48%
3TC 808nm, 809nm, 810nm, 81 lnm, 812nm 61.00%810nm43.11%
34°C 809nm, 810nm, 81 lnm, 812nm, 813nm 56.15%81 lnm38.05%
37°C 810nm, 811nm, 812nm, 813nm, 814nm 46.43%812nm52.86%
40°C 81 lnm, 812nm, 813nm, 814nm, 815nm 43. 11%813nm62.26%表I本設(shè)計激光器與普通激光器在相同情況下晶體吸收效率利用上述數(shù)據(jù)進行曲線繪制，在激光器工作溫度從10°C上升至40°C時，冷卻裝置溫控精度較差的情況下，多波長LD陣列抽運的固體激光器中，Nd:YAG晶體總吸收效率的變化情況如圖5所示，單一波長Bar條組成LD陣列抽運的固體激光器中，NchYAG晶體總吸收效率的變化情況如圖6所示。通過對比兩幅曲線圖可知，在制冷裝置溫控精度較差時，與普通單一 Bar條組成LD陣列抽運的固體激光器相比，本設(shè)計中的多波長LD陣列抽運的激光器中，晶體吸收效率更為穩(wěn)定，可在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
本設(shè)計使得無水冷Nd:YAG激光器在溫控精度較差時，可在10°C _40°C范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。利用該設(shè)計理念，通過對多波長Bar條的合理組合和排布，可使其他晶體激光器也能 在所需的較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
權(quán)利要求
1.多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器，依據(jù)Bar條工作中心波長隨溫度變化而變化的性質(zhì)，采用多種不同工作中心波長的Bar條組成LD陣列，根據(jù)激光晶體對不同波長光的不同吸收系數(shù)和預(yù)期要達到的晶體吸收效率指標(biāo)，選取多種不同工作中心波長的Bar條，并且盡量使得晶體均勻吸收抽運光而設(shè)計不同工作中心波長Bar條的排列方式。
2.如權(quán)利要求I所述的多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器，其特征在于其LD陣列是由多種不同工作中心波長的Bar條組成。
3.如權(quán)利要求I所述的多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器，其特征在于其不同工作中心波長的Bar條的規(guī)格及數(shù)量的選擇方法，結(jié)合使用的激光晶體對不同波長光的不同吸收系數(shù)，預(yù)期要達到穩(wěn)定工作的溫度范圍而定。
4.如權(quán)利要求I所述的多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器，其特征在于依據(jù)激光晶體內(nèi)光場均勻分布最佳原則，而采用的對于不同工作中心波長Bar條的排列方式。
全文摘要
多波長LD陣列抽運的寬溫度工作范圍低功耗固體激光器，涉及一種激光器，尤其是涉及一種寬溫度工作范圍無水冷激光器。這種激光器滿足寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的同時，有效的提高整機插頭效率。根據(jù)所需工作溫度范圍，參考激光晶體對不同波長光的不同吸收系數(shù)，選擇不同工作中心波長的Bar條，根據(jù)光場分布最佳原則排列，組成多波長LD陣列。本發(fā)明舉例設(shè)計了一種在10℃-40℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的Nd:YAG激光器，其結(jié)構(gòu)模型如圖所示。本臺激光器的插頭效率也得到了有效的提升。該方法具有穩(wěn)定，節(jié)能，方便等優(yōu)點，適用于激光器研究?？梢詰?yīng)用到軍事國防，航天技術(shù)，激光探測等領(lǐng)域。
文檔編號H01S5/40GK102638002SQ20121008721
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者于永吉, 吳春婷, 孫建楠, 王超, 金光勇, 陳薪羽 申請人:長春理工大學(xué)