專利名稱：一種板條激光器熱透鏡效應的補償裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光器技術領域，特別涉及一種板條激光器熱透鏡效應的補償裝置。
背景技術：
激光器工作時激光介質吸收的泵浦光能量，除一部分以激光方式輸出外，其他能量大多數轉變為熱并沉積在激光工作物質內使其產生溫升，在不斷重復泵浦和熱傳導作用下，工作物質內溫度梯度不斷增加，工作物質中溫度梯度的存在使原本折射率完全均勻的 工作物質變為類透鏡介質，光束通過工作物質后發生聚焦，俗稱為熱自聚焦。熱自聚焦不但使激光束發散角迅速增加，不利于后續繼續利用，更為嚴重的是會在工作物質內部產生實焦點，它將在材料內部產生激光損傷。為了減輕熱透鏡效應對激光器件的影響，目前廣泛采用將工作物質端面磨成凹面以作補償，但只能對特定泵浦功率下的特定的熱透鏡效應進行補償，同時加工精確的凹面晶體會增大工藝成本。另外，在晶體外形一定的條件下，利用“基模熱穩腔”思想設計諧振腔是一種常用方法，即當激光的參數滿足一定條件時，能使基模參數在一定泵浦功率范圍內保持不變或變化甚緩。這種方法通常要求激光介質盡可能靠輸出耦合鏡一端，腔長比激光晶體長的多，同樣的這種形式的激光器只能在泵浦功率在較小范圍內變化的情況下穩定工作，如果泵浦功率范圍變化較大，這種穩腔結構將會被打破，輸出光遠場發散角及束寬都會發生比較大的變化。為了實現較大泵浦功率范圍內實現激光器的穩定工作，人們設法尋找外加的附加補償裝置來實現熱透鏡效應的補償。2003年8月27日公告授權的申請號為02266147. 6的中國實用新型專利說明書中公開了一種新型的熱穩腔，在固體激光介質與輸出鏡之間設置一面由步進電機驅動的補償透鏡，補償透鏡根據固體激光介質功率的大小，由步進電機驅動前后移動調整補償透鏡的位置。該補償裝置的所應用的光學原理是使激光介質與補償透鏡之間的距離始終保持為熱透鏡焦距與補償透鏡焦距之和，即使熱透鏡與補償透鏡形成開普勒望遠鏡，由此來達到補償固體激光介質的熱透鏡效應，使不穩定腔變為穩定腔，高功率的激光輸出具有較好的穩定性和光束質量的目的。但是上述的補償裝置存在以下問題該補償裝置的補償方法是使棒與透鏡之距離等于“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”即熱透鏡與透鏡形成開普勒望遠鏡，該補償裝置只有當熱透鏡焦距很小時，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”可為實際激光器件采用，當熱透鏡焦距較大(如幾米)時，“熱透鏡焦距與透鏡焦距之和”相當大，難于為實際激光器件采用；光學諧振腔內插入腔鏡使激光損耗增加，會導致激光能量轉換效率下降。2007年8月15日公告授權200710067328. 5號中國發明專利說明書中公開了一種激光棒熱透鏡效應的補償方法，其特點是將激光器中光學諧振腔的腔鏡設置成向激光棒方向凸起的凸面鏡，在腔鏡上設置由步進馬達驅動的移動機構，步進馬達由控制電腦控制驅動，使腔鏡與激光棒之間的距離為a = f-R/2-d/2n，其中，R為腔鏡的曲率半徑，d為激光棒的長度，n為激光棒的折射率，f為熱透鏡焦距，在確定了腔鏡的曲率半徑后，就可以利用電腦驅動步進馬達帶動球面鏡沿著光軸平移，自動驅動馬達實現完全自動補償。這種補償裝置存在以下問題馬達帶動球面鏡移動時難以保證始終沿著光軸，對調節要求很高；諧振腔內通常包含其他元件，這會限制補償的范圍。上述的公布的發明都是建立在熱透鏡效應軸對稱的情況下進行的，當激光諧振腔產生的熱效應不是軸對稱，如板條激光器，需要在一維方向進行調節。
發明內容
為了提供一種結構簡單、裝配容易的在一維方向補償板條激光器熱透鏡效應的裝置；以及進一步維持在泵浦功率較大范圍變化時激光器的穩定工作。本發明提供了一種板條激光器熱透鏡效應的補償裝置，包括底座以及安裝在所述底座上的腔鏡、激光介質和輸出鏡，還包括連接桿機構和調節作用力均勻部件；
所述連接桿機構通過所述調節作用力均勻部件與所述腔鏡相連接，所述連接桿機構用于在泵浦功率發生變化時，通過所述調節作用力均勻部件對所述腔鏡外表面施加作用力，調節所述腔鏡的曲率半徑，在所述腔鏡的曲面方向補償激光器的熱透鏡效應。其中，所述連接桿機構包括連接桿、連接桿支座和連接桿驅動單元，所述連接桿支座安裝所述底座上，所述連接桿安裝在所述連接桿支座上并垂直于所述腔鏡的外表面，所述連接桿一端與所述調節作用力均勻部件相連接，另一端與所述連接桿驅動單元相連接，所述連接桿驅動單元用于驅動所述連接桿在水平方向上移動以調節所述連接桿對所述腔鏡外表面的作用力。其中，所述調節作用力均勻部件安裝在所述腔鏡外表面豎直方向的中心線上，所述連接桿連接在所述調節作用力均勻部件的中心，所述調節作用力均勻部件用于使連接桿機構施加的作用力沿腔鏡外表面垂直中線均勻分布。其中，所述調節作用力均勻部件與所述腔鏡的連接方式為粘接或機械連接。其中，所述連接桿與所述調節作用力均勻部件的連接方式為粘接或機械連接。其中，所述連接桿與所述連接桿驅動單元相連接端設有外螺紋，所述連接桿驅動單元設有與所述外螺紋相匹配的內螺紋，轉動所述連接桿驅動單元可以推動所述連接桿在水平方向移動。其中，所述連接桿為壓電陶瓷材料，所述連接桿驅動單元為壓電陶瓷電源，所述連接桿與所述連接桿驅動單元通過電纜相連接，所述連接桿驅動單元通過電壓的變化控制所述連接桿水平方向移動。其中，所述連接桿驅動單元連接有激光泵浦反饋裝置，所述激光泵浦反饋裝置用于在泵浦功率發生變化時，控制所述連接桿驅動單元電壓，實現所述連接桿在水平方向的位置調整。其中，所述連接桿貫穿所述連接桿支座，所述連接桿與所述連接桿支座直接采用螺紋方式連接。其中，所述連接桿支座頂部有卡槽，所述連接桿安裝在所述卡槽內，所述連接桿在所述卡槽內可以在水平方向移動。本發明提供的一種板條激光器熱透鏡效應的補償裝置，安裝在激光器的腔鏡的外偵牝結構簡單、易于裝配，當激光器的泵浦功率發生變化時，通過連接桿機構調節腔鏡的曲率半徑，腔鏡的曲率半徑的變形量可補償熱透鏡焦距的變化，使得輸出鏡的基模高斯光斑尺寸和光遠場發散角保持不變，維持激光系統的穩定工作，避免激光器內部的材料發生激光損傷；進一步地，采用壓電陶瓷材料和壓電陶瓷電源進行驅動，實現了腔鏡曲率半徑的連續變化，保證在泵浦功率較大變化范圍時激光器的穩定工作。
圖I是本發明實施例一的激光器的結構示意圖；圖2是本發明曲率半徑調節原理圖；圖3是本發明等效諧振腔的示意圖；圖4是本發明實施例二的激光器熱透鏡效應的補償裝置的結構示意圖。其中，I、底座；2、腔鏡；3、激光介質；4、輸出鏡；5、連接桿機構；2_1、夾持機構；3-1、冷卻模塊；4-1、輸出鏡調節機構；5-1、連接桿；5-2、連接桿支座；5-3、連接桿驅動單元；a、外表面；b、內表面；c、調節作用力均勻部件。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。激光器包括底座I和依次安裝在底座I上的腔鏡2、激光介質3和輸出鏡4。其中，腔鏡2通過夾持機構2-1固定安裝在底座I上，腔鏡2與夾持機構2-1之間可采用緊固件等方式的機械連接，也可以采用粘結等方式的非機械連接；腔鏡2與作用力均勻分布部件c之間可采用機械連接，也可以采用粘結等方式的非機械連接；連接器5-1與作用力均勻分布部件c之間可采用機械連接，也可以采用粘結等方式的非機械連接；激光介質3通過冷卻模塊3-1固定安裝在底座I上，輸出鏡4通過輸出鏡調節機構4-1固定安裝在底座I上，其中，腔鏡2為柱面鏡，柱面鏡2軸線方向為y·軸，諧振腔軸線方向為z軸，與y_z平面垂直的方向為X軸，補償裝置可以調節柱面鏡2在x-z平面上的曲率半徑，以下的技術方案以x-z平面為例說明。在激光器工作時，激光介質3可等效成焦距為f的薄透鏡，因此激光器可以簡化為如圖2所示模型，腔鏡2和輸出鏡4的曲率半徑分別為R、R2，腔長L，內含焦距為f的薄透鏡，該薄透鏡距腔鏡2和輸出鏡4的距離分別為屯、d2。可以得到輸出鏡4上的基模高斯光束束寬
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2^ /I當激光器的泵浦功率發生變化時，激光介質3的等效熱透鏡的焦距f會發生變化，導致輸出鏡4上的高斯光束束寬《2發生變化，進而影響激光遠場發散角及光束質量，公式表明光束尺寸是與腔鏡2的曲率半徑R、激光介質3的位置及熱透鏡的焦距f相關的。如圖3所示，石i =涵=及，腔鏡2的內表面b的半寬lD = r ,當腔鏡2發生微小
形變，其內表面b的中心點由A移到A'由于該腔鏡2的邊緣固定，腔鏡2變形
后的曲面仍可看成球面，相應球心由0移至0'，曲率半徑變為R'二萬7§ = 則當曲面鏡發生微小形變Ax時，其曲率半徑R'為
權利要求
1.ー種板條激光器熱透鏡效應的補償裝置，包括底座以及安裝在所述底座上的腔鏡、激光介質和輸出鏡，其特征在于，還包括連接桿機構和調節作用力均勻部件； 所述連接桿機構通過所述調節作用力均勻部件與所述腔鏡相連接，所述連接桿機構用于在泵浦功率發生變化時，通過所述調節作用力均勻部件對所述腔鏡外表面施加作用力，調節所述腔鏡的曲率半徑，在所述腔鏡的曲面方向補償激光器的熱透鏡效應。
2.如權利要求I所述的補償裝置，其特征在于，所述連接桿機構包括連接桿、連接桿支座和連接桿驅動單元，所述連接桿支座安裝所述底座上，所述連接桿安裝在所述連接桿支座上并垂直于所述腔鏡的外表面，所述連接桿一端與所述調節作用力均勻部件相連接，另一端與所述連接桿驅動単元相連接，所述連接桿驅動単元用于驅動所述連接桿在水平方向上移動以調節所述連接桿對所述腔鏡外表面的作用力。
3.如權利要求I所述的補償裝置，其特征在于，所述調節作用力均勻部件安裝在所述腔鏡外表面豎直方向的中心線上，所述連接桿連接在所述調節作用力均勻部件的中心，所述調節作用力均勻部件用于使連接桿機構施加的作用力沿腔鏡外表面垂直中線均勻分布。
4.如權利要求I或3所述的補償裝置，其特征在于，所述調節作用力均勻部件與所述腔鏡的連接方式為粘接或機械連接。
5.如權利要求2或3所述的補償裝置，其特征在于，所述連接桿與所述調節作用カ均勻部件的連接方式為粘接或機械連接。
6.如權利要求2所述的補償裝置，其特征在于，所述連接桿與所述連接桿驅動単元相連接端設有外螺紋，所述連接桿驅動單元設有與所述外螺紋相匹配的內螺紋，轉動所述連接桿驅動単元可以推動所述連接桿在水平方向移動。
7.如權利要求2所述的補償裝置，其特征在于，所述連接桿為壓電陶瓷材料，所述連接桿驅動単元為壓電陶瓷電源，所述連接桿與所述連接桿驅動単元通過電纜相連接，所述連接桿驅動単元通過電壓的變化控制所述連接桿水平方向移動。
8.如權利要求7所述的補償裝置，其特征在干，所述連接桿驅動單元連接有激光泵浦反饋裝置，所述激光泵浦反饋裝置用于在泵浦功率發生變化時，控制所述連接桿驅動単元電壓，實現所述連接桿在水平方向的位置調整。
9.如權利要求2所述的補償裝置，其特征在于，所述連接桿貫穿所述連接桿支座，所述連接桿與所述連接桿支座直接采用螺紋方式連接。
10.如權利要求2所述的補償裝置，其特征在干，所述連接桿支座頂部有卡槽，所述連接桿安裝在所述卡槽內，所述連接桿在所述卡槽內可以在水平方向移動。
全文摘要
本發明公開了一種板條激光器熱透鏡效應的補償裝置，包括底座以及安裝在所述底座上的腔鏡、激光介質和輸出鏡，還包括連接桿機構和調節作用力均勻部件；所述連接桿機構通過所述調節作用力均勻部件與所述腔鏡相連接，所述連接桿機構用于在泵浦功率發生變化時，通過所述調節作用力均勻部件對所述腔鏡外表面施加作用力，調節所述腔鏡的曲率半徑，在所述腔鏡的曲面方向補償激光器的熱透鏡效應。
文檔編號H01S3/136GK102684042SQ20121015142
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者鞏馬理, 張海濤, 柳強, 胡震岳, 閆平, 黃磊 申請人:清華大學