專利名稱：通過驅動固體激光器增益介質消除空間燒孔效應的方法
技術領域：
本發明涉及一種消除固體激光器空間燒孔效應的方法，具體的說就是將固體激光 器的增益介質固定在壓電陶瓷上，通過驅動壓電陶瓷使得增益介質在軸向產生位移，來消 除激光器工作物質的空間燒孔現象。
背景技術：
對于常見的駐波腔激光器來說，腔內振蕩的縱模在空間上具有完全確定的駐波圖 樣，光強沿腔軸并不是均勻分布的，因此隨著腔軸上各點的反轉粒子數的不同，增益也就不 同。在某個縱模達到閾值并開始振蕩后，隨著激發的增強，在駐波波腹處的反轉粒子數因被 該縱模大量消耗，其值變為最小，而在波節處則最大。因而增益沿腔軸呈周期性變化，這種 現象稱為空間燒孔效應。由于增益空間燒孔效應的存在，凡滿足駐波振蕩條件的各縱模就 會利用空間不同部分的反轉粒子數同時產生振蕩，這一現象稱為縱模的空間競爭。如果激 活粒子的空間轉移很迅速，空間燒孔便無法形成。但是在固體工作物質中，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態粒子是空間轉移，激發態粒子在空間轉 移半個波長所需的時間遠遠大于激光形成所需的時間，所以空間燒孔不容易消除。在未采取選頻措施時，駐波腔激光器通常為多縱模運轉。多縱模運轉會引起很多 問題，如使激光輸出頻帶加寬、激光時間和空間相干性變差、縱模競爭導致輸出功率不穩等 問題。尤其是在腔內插入非線性光學器件時，不同的縱模之間還會在極化物質中相互耦合， 產生隨機的和頻、差頻等現象，使輸出激光的質量進一步下降。所以消除空間燒孔效應以盡 量實現激光器的單縱模輸出是一個需要解決的問題，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短，這樣粒子的空間轉移很迅速，就不 會產生空間燒孔，也就不會形成多縱模振蕩。這種方法比較簡單，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，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形行波腔，利用諧振腔內的光隔離器使得腔內光束僅沿單 一方向行進，從而形成行波場振蕩來消除空間燒孔。這種方法輸出穩定性好，受外界影響 小，但是大功率泵浦下會產生多橫模，且調節困難。華東師范大學碩士學位論文.2004.由 武愕所著“半導體泵浦的全固化單縱模激光器”一文中述及的既是此列。3、采用扭轉模腔其原理是利用兩塊λ/4波片使諧振腔內的激光在激光晶體中 形成一個均勻能量分布的駐波場，即介質中反轉粒子數在空間上均勻分布，便可以消除空 間燒孔。
發明內容
本發明的目的是克服現有消除空間燒孔效應方法的不足，提供一種更方便有效、 低成本的利用壓電陶瓷驅動固體激光器增益物質來消除空間燒孔效應的方法。本發明的技術方案是按以下方式實現的
一種通過驅動固體激光器增益介質消除空間燒孔效應的裝置，包括固體激光器、 壓電陶瓷和驅動電路，其特征在于壓電陶瓷為長條形，被固定在固體激光器增益介質下面 的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質的軸向方向一致；驅動電路為產生三角波信號的電 路，其信號輸出端通過導線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應和電致伸縮效應， 壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質沿軸向產生λ/4位移，使固體激光 器的增益介質得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應。所述的驅動電路是頻率和輸出電壓可調的電壓驅動電源，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的方法，步驟如下1、打開固體激光器的電源，使其正常工作；將激光功率測量裝置放置在固體激光 器的輸出端以備測量功率之用；2、將驅動電路的輸出端通過導線和壓電陶瓷連接好，打開驅動電路的電源，使驅 動電路產生穩定的三角波信號；3、調整驅動電路的頻率，同時由激光功率測量裝置觀察有無輸出功率的變化，如 無功率的變化時，緩慢增加驅動電路的電壓值，再調整驅動電路的頻率，當激光功率測量裝 置觀察到有輸出功率的變化時，反復調整驅動電路的頻率，使固體激光器的輸出功率最大 時，此時即為消除固體激光器的空間燒孔效應后所得的測量值。本發明消除空間燒孔效應的工作原理如下激光的形成需要實現粒子數反轉。以三能級系統為例敘述反轉粒子數形成的過 程，三個能級從小到大依次分別為0，1，2，原子從基態被激勵到能級2，然后通過非輻射躍 遷衰變到能級1，能級1的壽命為T1，能級2的壽命為τ2，且1/τ2= 1/τ&+1/τ2 ，τ 2r 為自發發射躍遷壽命，T2m為非輻射躍遷壽命。一般T1比較長，為亞穩態，增大激發速率 可實現能級1和能級0的粒子數反轉。假設激光器為駐波腔，產生激光時某個縱模達到閾 值開始振蕩，圖2(a)為腔內光強分布圖，圖2(b)為對應位置處的反轉粒子數分布圖。由 圖2可看出在駐波光強最強處，反轉粒子數被大量消耗，數值變為最小，而光強最弱處的反 轉粒子數未被消耗數值為最大。設計壓電陶瓷驅動電路產生三角波電壓，電壓幅值和頻率 可調。由于壓電晶體的逆壓電效應和電致伸縮效應，壓電陶瓷在電場作用下會在軸向產生 位移，其軸向位移大小計算公式為AL = dil/La + MU2/l4，其中d為壓電陶瓷的壓電應變常 數，U為電壓，Ltl為壓電陶瓷的長度，M為壓電陶瓷的電致伸縮系數。設置壓電陶瓷的驅動頻 率，使得在小于τ 1+τ 2的時間內激光器的增益介質在軸向產生λ/4的位移，由圖3可知， 原為波腹的A處將變為波節，而原為波節的B處將變為波腹，從而使得B處的反轉粒子數也 被消耗。壓電陶瓷的驅動頻率變化只要使激光器增益介質在軸向稍有位移便可以使得燒 孔效應減弱，使激光器增益介質更多的得到有效利用。通過這種方法可以方便有效的消除 激光器的空間燒孔效應，使增益介質得到有效利用，提高了激光器的輸出特性。本發明的利用壓電陶瓷消除激光器空間燒孔效應的方法具有以下優點有效地提 高固體激光器增益介質的利用率，使激光器的輸出性能得到極大的提高。另外，可以有效地 消除多模競爭，實現激光器的單頻輸出，方法簡單有效，成本較低。
圖1是本發明裝置的結構示意圖其中1、增益介質，2、底座，3、壓電陶瓷，4、驅動電源，5、導線，6、激光器腔鏡，7、激
光器腔鏡。圖2(a)是駐波腔中光強分布圖，(b)是駐波腔中反轉粒子數分布圖。圖3是固體激光器駐波腔中光的某一模式下反轉粒子數分布。圖4是本發明實施例1的壓電陶瓷的驅動電路示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。實施例1 (裝置實施例)如圖1所示，一種通過驅動固體激光器增益介質消除空間燒孔效應的裝置，包括 固體激光器、壓電陶瓷3和驅動電路4，其特征在于壓電陶瓷4為長條形，被固定在固體激光 器增益介質1下面的底座2上，壓電陶瓷3的軸向和增益介質1的軸向方向一致；驅動電路 4為產生三角波信號的電路，其信號輸出端通過導線5和壓電陶瓷4連接，由于壓電陶瓷4 的逆壓電效應即電致伸縮效應，壓電陶瓷4在軸向伸縮致使固體激光器的增益介質1沿軸 向產生X/4位移，使固體激光器的增益介質1得到有效的利用，從而消除固體激光器的空 間燒孔效應。所述的驅動電路4是頻率和輸出電壓可調的電壓驅動電源，其頻率為 10Hz-30KHz，輸出電壓為 0V-+4V。本發明方法采用Nd:YAG固體激光器，輸出波長為1064nm，熒光壽命為230 y s，所 需軸向位移為X /4 = 246nm，驅動電路頻率為4kHz。圖4是本發明實施例1的壓電陶瓷的驅動電路。采用常見的單片精密函數發生器 ICL8038輸出一電壓和頻率可調的三角波電壓信號，管腳6接12V正電壓，管腳9通過R1和 管腳6相接，管腳4和5分別通過電阻R2和R3接正電壓；滑動變阻器VR1的3腳接ICL8038 的管腳8，1腳接12V正電壓，2腳通過電阻R4接-12V負電壓，通過調節VR1可以調節驅動 電路的信號輸出頻率。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負電壓和ICL8038的管腳10之 間。ICL8038的管腳12接滑動變阻器VR2的1腳，VR2的2、3腳相連后接-12V負電壓；VR3 的2腳接地，1腳接ICL8038的管腳3，滑動腳接運算放大器0P07的管腳3，0P07的管腳6 通過C8和R5接地；0P07的管腳4、7分別連接在-12V和12V負、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VR3能夠調節電壓幅值；ICL8038的 管腳2為三角波信號輸出端。實施例2 (方法實施例)一種利用上述裝置消除固體激光器空間燒孔效應的方法，步驟如下1、打開固體激光器的電源，使其正常工作；將激光功率測量裝置放置在固體激光 器的輸出端以備測量功率之用；2、將驅動電路4的三角波信號輸出端通過導線5和壓電陶瓷3連接好，打開驅動 電路4的電源，使驅動電路4產生穩定的三角波信號；
3、調整驅動電路4的頻率，同時由激光功率測量裝置觀察有無輸出功率的變化， 如無功率的變化時，緩慢增加驅動電路4的電壓值，再調整驅動電路4的頻率，當激光功率 測量裝置觀察到有輸出功率的變化時，反復調整驅動電路4的頻率，使固體激光器的輸出 功率最大，此時即為消除固體激光器的空間燒孔效應后所得的測量值。
權利要求
一種通過驅動固體激光器增益介質消除空間燒孔效應的裝置，包括固體激光器、壓電陶瓷和驅動電路，其特征在于壓電陶瓷為長條形，被固定在固體激光器增益介質下面的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質的軸向方向一致；驅動電路為產生三角波信號的電路，其信號輸出端通過導線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應和電致伸縮效應，壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質沿軸向產生λ/4位移，使固體激光器的增益介質得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應。
2.如權利要求1所述的一種通過驅動固體激光器增益介質消除空間燒孔效應的裝 置，其特征在于所述的驅動電路是頻率和輸出電壓可調的電壓驅動電源電路，其頻率為 10Ηζ-30ΚΗζ，輸出電壓為 0V-+4V。
3.一種利用權利要求1所述裝置消除固體激光器空間燒孔效應的方法，步驟如下1)打開固體激光器的電源，使其正常工作；將激光功率測量裝置放置在固體激光器的 輸出端以備測量功率之用；2)將驅動電路的輸出端通過導線和壓電陶瓷連接好，打開驅動電路的電源，使驅動電 路產生穩定的三角波信號；3)調整驅動電路的頻率，同時由激光功率測量裝置觀察有無輸出功率的變化，如無功 率的變化時，緩慢增加驅動電路的電壓值，再調整驅動電路的頻率，當激光功率測量裝置觀 察到有輸出功率的變化時，反復調整驅動電路的頻率，使固體激光器的輸出功率最大，此時 即為消除固體激光器的空間燒孔效應后所得的測量值。
全文摘要
一種通過驅動固體激光器增益介質消除空間燒孔效應的方法，屬固體激光器技術領域，使用裝置包括固體激光器、壓電陶瓷和驅動電路，其特征在于壓電陶瓷為長條形，被固定在固體激光器增益介質下面的底座上，壓電陶瓷的軸向和增益介質的軸向方向一致；驅動電路為產生三角波信號的電路，其信號輸出端通過導線和壓電陶瓷連接，由于壓電陶瓷的逆壓電效應和電致伸縮效應，壓電陶瓷在軸向伸縮致使固體激光器的激光增益介質沿軸向產生λ/4位移，使固體激光器的增益介質得到有效的利用，從而消除固體激光器的空間燒孔效應，可以有效地消除多模競爭，實現激光器的單頻輸出，方法簡單有效，成本較低。
文檔編號H01S3/02GK101976794SQ201010277829
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月10日 優先權日2010年9月10日
發明者孔德龍, 宋復俊, 常軍, 張燕, 王偉杰, 王宗良 申請人:山東大學