专利名称：高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器及方法
技术领域：
本发明涉及一种高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器及方法，属于绿光激光器技术。
背景技术：
激光二极管泵浦的高重复频率(1～50kHz)、高平均功率(＞20W)、内腔倍频绿光固体激光器，由于具有效率高、光束质量好、体积小、寿命长、运转成本低等特点，在工业加工、激光医疗、海底探测、分离同位素以及科研等领域有着重要的应用。
采用基于KTP非线性光学晶体的声光调Q NdYAG内腔倍频技术是实现高功率绿光输出的重要途径之一。但是在输出平均功率达几百瓦的红外激光辐射下，在晶体内部既会线性吸收红外光和绿光功率，还可能发生非线性吸收如双光子吸收等三阶非线性效应，KTP晶体吸收了激光功率，会在内部产生温度梯度分布，从而会在以下两个方面限制转换效率，一方面由于温度分布的不均匀导致了KTP晶体折射率的分布不均匀，从而破坏了晶体的最佳相位匹配环境导致晶体的倍频效率下降；另一方面，晶体内部温度不均匀，导致折射率会不均匀分布，从而导致热应力的产生，相应的产生热透镜相应，在内腔倍频中会改变激光谐振腔参数，从而引起激光功率的不稳定和倍频效率的下降。
当前，高功率绿光激光器中倍频晶体的相位补偿技术有低温(4-10℃)冷却和改变倍频晶体角度(即改变红外光入射到晶体中的角度)的方法，但是由于低温冷却环境降低了KTP晶体的损伤阈值，容易导致KTP晶体的’灰迹’(所谓的灰迹指的是KTP晶体中由于晶格缺陷而在低温下产生的破坏现象)的出现。另外，改变倍频晶体的角度虽然在一定程度上会补偿相位失配，但是由于改变了红外光的入射方向，这样增大了红外光的损耗，降低了绿光输出的功率，同时由于晶体角度的折射，会导致绿光输出出现多光斑的现象。而在高功率内腔全固态绿光激光器中采用相位失配补偿加热器及方法的技术可以克服以上缺点，目前采用该技术方案的相关专利和文献还没有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器及方法，采用该装置及方法可使激光器输出平均功率为110W，不稳定性小于2％，重复频率1kHz～30kHz可调。
本发明通过下述技术方案加以实现的，一种高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器。其技术特征在于，该加热器包括一个密闭的金属盒8，在金属盒体内放置KTP倍频晶体10，与KTP晶体上下部位分别设置温度传感器9和加热管12，在金属盒底部设置半导体制冷器11，金属盒内温度传感器9与系统控制单元14相连，加热管12与固态继电器13相连，系统控制单元14和固态继电器13相连，220V交流电源与固态继电器13相连。
上述的密闭金属盒为紫铜金属盒。
采用上述的加热器实现高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热的方法，其特征在于包括以下过程当KTP晶体底部的加热管通电升温达到设定值之后，通过温度传感器9将晶体边界温度信号传递给系统控制单元14，系统控制单元根据设定值做出判断，当KTP晶体边界温度低于设定值时，系统控制单元14发出指令控制固态继电器13，增大加热管12的功率，同时系统减小半导体制冷器11的电压，从而使KTP晶体的边界温度接近设定值；当KTP晶体边界温度高于设定值时，通过温度传感器9将晶体边界温度信号传给系统控制单元14，系统控制单元14发出指令控制固态继电器，减小加热管12的功率，同时增大半导体制冷器11的电压，从而使KTP晶体的边界温度接近设定值，如此在不断加热制冷的动态平衡过程中保证KTP倍频晶体10的边界温度保持在一定的稳定工作温度范围内。
本发明专利的优点在于，整个加热器系统温度易控、稳定，从而改善了绿光激光器的平均输出功率低于85W、输出不稳定以及应用范围窄的缺点，而采用本发明设计的平均输出功率为110W以及不稳定性小于2％的高功率绿光激光器，可广泛应用于工业激光雕刻加工、激光医疗、激光显示、海底探测以及军事光电对抗等领域。
图1为高功率内腔倍频全固态绿光激光器结构示意图。
图2为图1中采用本发明设计的KTP倍频晶体加热器的结构示意图。
图中1为凹面全反镜；2为声光Q开关；3为高功率半导体激光器泵浦组件；4为谐波反射镜；5为设有加热器的KTP倍频晶体；6为输出镜；7为NdYAG棒(Φ6.45×146mm)；8为密闭的金属盒；9为温度传感器；10为KTP倍频晶体；11为半导体制冷器；12为加热管；13为固态继电器；14为系统控制单元。
具体实施例方式本发明的具体实施方案体现在一种如图1所示的高功率内腔倍频全固态绿光激光器中，为该激光器提供一种相位失配补偿加热器装置及方法，采用该装置可使激光器输出平均功率为110W，不稳定性小于2％，重复频率1kHz～30kHz可调。
本发明的具体技术方案如下采用的倍频晶体是II类相位匹配的KTP晶体，相位匹配角为φ＝24.7°和θ＝90°，其尺寸为6×6×9.2mm，两面镀1064nm和532nm的增透膜；将KTP倍频晶体放置于紫铜材料做成的密闭金属盒中心，金属盒的尺寸为20×20×30mm；在KTP倍频晶体的上方5mm处嵌入温度传感器，其型号为pt100，缝隙用导热硅脂填满以增加传热效果；在KTP倍频晶体的下方5mm处嵌入加热管，加热管是由100Ω的电阻丝绕在陶瓷棒制成的，缝隙用导热硅脂填满以增加传热效果；在紫铜密闭金属盒的下方固定型号为TEC1-7104的半导体制冷器，金属盒和半导体制冷器之间用导热硅脂紧密结合，以增加导热性能；系统控制单元采用富士公司生产的PXW型号双向控制温控器；将pt100温度传感器接在温控器的DC1端，半导体制冷器接在温控器的TEC端，将加热管和型号为AC～DC10A的固态继电器交流端子串接连在220V交流电上，将固态继电器的直流端子与温控器的DC2端连接。
按照上述技术方案实现高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器，将其放置在高功率内腔倍频全固态绿光激光器的谐波反射镜和输出镜之间，调整加热器的高度，使KTP倍频晶体的中心高度与激光器光轴一致；接通加热器的电源，设置温控器的温度初始值，此时KTP晶体边界温度低于设定值，通过温度传感器pt100将KTP倍频晶体边界温度信号传递给温控器PXW，温控器根据设定值做出判断，控制固态继电器增大加热管的功率，同时减小半导体制冷器的电压，从而使KTP晶体的边界温度接近设定值；将激光器开启，增大泵浦电流，绿光输出，此时由于KTP倍频晶体吸收了红外光和绿光，其边界温度会高于设定值，通过温度传感器pt100将KTP倍频晶体边界温度信号传递给温控器PXW，温控器根据设定值做出判断，控制固态继电器减小加热管的功率，同时增大半导体制冷器的电压，从而使KTP晶体的边界温度接近设定值，如此在不断加热制冷的动态平衡过程中保证KTP倍频晶体的边界温度保持在一定的稳定工作温度范围内；在激光器一定泵浦功率下，调整温控器的温度设定值，使绿光输出最大；在LD泵浦功率为1000W，将KTP晶体边界温度设定到48.8℃，温度精度为±0.1℃，声光Q开光重复频率为10.6KHz时，获得了110W的532nm绿光输出，脉冲宽度为110ns，工作5小时，不稳定性小于2％。
在高功率内腔倍频全固态绿光激光器中采用高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器及方法具有以下的几个优点1、相比于恒定控温方式，采用改变晶体边界温度可以实现倍频器具有较宽的允许相位匹配宽度；2、通过精密调整KTP加热器的温度可以使通过KTP晶体的基波在很大尺寸范围内满足相位匹配条件；3、不需要通过采用调节KTP晶体的旋转角度的方法来补偿由于温度升高造成的相位失配，这样可以有效的减小KTP晶体倾斜对1064nm红外光产生的损耗，从而可以有效的提高倍频效率；4、采用改变晶体边界温度补偿相位失配的方案，绿光输出功率随KTP晶体边界温度的变化幅度较小，有利于提高激光器的稳定性。
权利要求
1.一种高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器，其特征在于，该加热器包括一个密闭的金属盒(8)，在金属盒体内放置KTP倍频晶体(10)，与KTP晶体上下部位分别设置温度传感器(9)和加热管(12)，在金属盒底部设置半导体制冷器(11)，金属盒内温度传感器(9)与系统控制单元(14)相连，与固态继电器(13)直流端子相连，系统控制单元(14)固态继电器(13)交流端子相连。
2.按权利要求1所述的高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器，其特征在于，密闭金属盒为紫铜金属盒。
3.一种采用权利要求1所述的加热器实现高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热方法，其特征在于，包括以下过程当KTP倍频晶体(10)底部的加热管通电升温达到设定值之后，通过温度传感器(9)将晶体边界温度信号传递给系统控制单元(14)，系统控制单元(14)根据设定值做出判断，当KTP倍频晶体(10)边界温度低于设定值时，系统控制单元(14)发出指令控制控制固态继电器(13)，增大加热管(12)的功率，同时减小半导体制冷器(11)的电压，从而使KTP倍频晶体(10)的边界温度接近设定值；当KTP倍频晶体(10)的边界温度高于设定值时，通过温度传感器(9)将温度信号传给系统控制单元(14)，固态继电器(13)减小加热管(12)的功率，同时增大半导体制冷器(11)的电压，从而使KTP倍频晶体(10)的边界温度接近设定值，如此在不断加热制冷的动态平衡过程中保证KTP倍频晶体(10)的边界温度保持在一定的稳定工作温度范围内。
全文摘要
本发明公开了一种高功率内腔倍频激光器相位失配补偿加热器及方法，属于绿光激光器技术。所述的加热器包括，在密闭的金属盒体内放置KTP倍频晶体，并嵌入温度传感器和加热管，其底部设置半导体制冷器，金属盒设置控制器盒固态继电器。所述的方法过程为设定KTP晶体边界温度值，当温度低时，增大加热管的功率，减小制冷器的电压，使温度接近设定值；当温度高时，减小加热管的功率，增大制冷器的电压，使温度接近设定值，如此在不断加热制冷的动态平衡过程中保证KTP倍频晶体的边界温度保持在一定的稳定工作温度范围内。本发明专利的优点在于，整个加热器系统温度易控、稳定，采用本发明设计的平均输出功率为110W以及不稳定性小于2％的高功率绿光激光器。
文档编号H01S3/042GK1794521SQ200510122588
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者徐德刚, 姚建铨, 于意仲, 张百钢, 王鹏 申请人:天津大学