专利名称：非线性晶体动态散热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非线性晶体动态散热装置，本发明应用于调谐激光器。
背景技术：
自1961年Franken等人用一束波长为694.2nm的红宝石光束通过石英晶体成功地进行了二次谐波产生的实验以来，利用非线性晶体的非线效应进行光束的频率变换以及调谐激光器的输出波长便成为研究的热点。人们使用非线性晶体从激光器上成功地获得了红光、黄光、绿光、蓝光、紫光等波长的激光输出。
利用非线性晶体改变调谐激光器输出频率，有腔外变频(Outer-cavityconverter technique)和腔内变频(Intracavity converter technique)两种方式。激光器谐振腔腔外变频有着调整灵活、易于拆卸与维修等优点，但具有频率转换效率低、容易损坏非线性晶体等缺点。采用激光器谐振腔内变频技术，由于谐振腔内振荡的基频光有着相对稳定的模式分布以及较高的功率密度，将非线性晶体置于腔内基频光的束腰位置附近，由于提高了非线性晶体极化时所需的激光功率密度，可使激光器获得较高的谐波转换效率，而且产生的谐波光束具有发散角小和模式稳定等特点。
众所周知，无论采用谐振腔腔内变频还是腔外变频，要想既提高激光器谐波输出功率，同时又保证激光器有较好的谐波光束质量，具有较大的难度。其原因在于非线性晶体吸收了激光能量在满足非线性耦合作用的相位匹配条件时，才能产生较好的极化变频效应。然而，非线性晶体吸收激光能量在内部形成非均匀的热源分布，并造成非线性晶体通光方向上局域内的非均匀温升。非线性晶体通光方向上局域内的非均匀温升使得非线性晶体这一区域内的折射率发生改变，便破坏了晶体的本征相位匹配条件，称为非线性晶体的热效应。非线性晶体的热效应通常表现为其一、非线性晶体的本征相位匹配条件被破坏，导致晶体的谐波转换效率降低。调谐激光器输出谐波功率下降、光束品质变差；其二、通过非线性晶体的激光束属性被改变，引起谐振腔内基频光偏振状态发生改变；其三、非线性晶体对激光谐振腔内振荡的激光产生热聚焦作用，即称为非线性晶体的热透镜效应。晶体的热透镜效应会影响到谐振腔的稳定性，腔内激光的模式分布。因此，消除与减弱非线性晶体热效应的影响成为提高激光器谐波转换效率以及输出光束质量的关键因素之一。
目前，调谐激光器中减弱非线性晶体热效应的方法大多为静态散热方式，即依据非线性晶体尺寸设计热沉，将非线性晶体用铟膜包裹后安放于热沉中，通过冷却热沉的方法保持非线性晶体周边温度相对稳定。在调谐激光器稳定运转时，非线性晶体及其热沉固定不动，这样非线性晶体产生的热量主要以热传导和热对流的方式由晶体周边以及端面散失。
非线性晶体的这种静态散热方式存在着很多的弊端，如非线性晶体热传导率较低造成晶体单位体积内的热荷载较大，非均匀温升将导致非线性晶体产生热致双折射现象，影响到谐振腔内基频光的偏振化状态。非线性晶体非均匀温升引起的走离效应，使得激光器谐波输出功率降低、输出光束品质下降。因此，非线性晶体的静态散热方式已经不能满足目前高功率调谐激光器的实际需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种非线性晶体动态散热装置，该装置可以有效地减弱调谐激光器中非线性晶体极化变频时通光方向上非均匀温升引起的走离效应、热致双折射等效应的影响，提高调谐激光器的输出功率以及输出光束质量，并使调谐激光器具有体积小、效率高、结构紧凑、工作安全、适应性强等特点。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的它包括非线性晶体(1)、热沉(2)，将所述非线性晶体(1)置于热沉(2)中，将所述非线性晶体(1)以及热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，所述二维运动机构(3)能使热沉(2)及非线性晶体(1)处于运动状态。
所述二维运动机构(3)通过伺服系统(4)控制发生运动。
所述二维运动机构(3)控制非线性晶体(1)及其热沉(2)在垂直于通光光轴的平面内做运动。
所述伺服系统(4)可与计算机(5)相连，通过计算机(5)编程控制二维运动机构(3)的运动方式。
所述非线性晶体(1)可用铟膜包裹后置于热沉(2)中。
所述的非线性晶体(1)的形状有长方形非线性晶体或圆棒形非线性晶体。
本发明的有益效果是由于非线性晶体在垂直于通光光轴的平面内发生运动，这样非线性晶体吸收激光能量产生的热量以热传导和热对流的方式由周边以及通光端面散失外，由于非线性晶体的不断运动使得晶体内部吸收激光能量所产生的热源不断被移动，也就降低了非线性晶体通光方向上的最大温升，使得非线性晶体在通光轴线上的热效应问题得以减弱。
图1为长方形非线性晶体散热装置结构示意图；图2为圆棒形非线性晶体散热装置结构示意图；图3为本发明非线性晶体动态散热装置结构示意图；图4为本发明非线性晶体的动态方式示意图；图5为本发明非线性晶体的动态方式示意图；
图6为本发明非线性晶体动态散热装置用于腔内倍频通光光轴示意图；图7为本发明非线性晶体动态散热装置用于腔外倍频通光光轴示意图。
具体实施例方式
首先，依据非线性晶体尺寸设计热沉；其次，将非线性晶体用铟膜包裹(也可以用其他软质金属膜包裹)后安放于热沉中。通过冷却热沉的方法，保持非线性晶体周边温度相对恒定；最后，将热沉安装于预先设计的二维运动机构上。通过二维运动机构控制热沉的运动状态。二维运动机构内的伺服控制系统与计算机相连，也可通过计算机编程控制二维运动机构的运动方式。二维运动机构控制了非线性晶体在垂直于通光光轴的平面内做运动，如圆形平移、水平平移、垂直平移或其他任意形式的平移。
下面结合附图对本发明作进一步说明图1、图2为现有技术非线性晶体散热装置，包括非线性晶体(1)、热沉(2)。其中非线性晶体(1)有多种形状，如长方形非线性晶体或圆棒形非线性晶体。热沉(2)的尺寸需要依据非线性晶体(1)的形状和尺寸设计加工，这样非线性晶体(1)才能被安装于热沉(2)之中。安装的过程是先将非线性晶体(1)用铟膜包裹，再安放于热沉(2)中，这样可以保持两者具有良好的热接触。热沉(2)的温度可以使用循环水冷方式或半导体模块制冷等方式控制。
图3为本发明非线性晶体动态散热装置，非线性晶体(1)、热沉(2)、二维运动机构(3)、伺服控制系统(4)、计算机(5)的装配示意图。其中非线性晶体(1)以及热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，而伺服控制系统(4)与二维运动机构(3)装配在一起。也可将伺服控制系统(4)与计算机(5)相连，可以通过计算机(5)编程控制二维运动机构(3)的运动方式。二维运动机构(3)承载着非线性晶体(1)及其热沉(2)在垂直于通光光轴(6)的平面内做各种运动，如圆形平移、水平平移、垂直平移或其他任意形式的运动。
如图4、图5所示，为了说明非线性晶体(1)及其热沉(2)的动态方式，我们将非线性晶体(1)与热沉(2)固结于运动坐标系，即Oxy坐标系。并将通光光轴(6)定位于静止坐标系，即O’x’y’坐标系，两个共处于一个平面内。其中通光光轴(6)垂直于O’x’y’坐标平面，并位于O’x’y’坐标系的坐标原点O’。二维运动机构(3)承载着非线性晶体(1)及其热沉(2)的运动形式，即可表示为运动坐标系Oxy相对静止坐标系O’x’y’发生运动。可以做圆形平移、水平平移、垂直平移或其他任意形式的运动。其运动路径、速率都由二维运动机构操控。
参见图6、图7所示，为说明通光光轴(6)，这里以激光二极管端面泵浦的倍频绿光全固态激光器(7)为例进行说明。激光二极管端面泵浦的全固态激光器使用非线性晶体产生绿光激光有两种方式腔内倍频(如图6所示)与腔外倍频(如图7所示)，故非线性晶体(1)及其热沉(2)的位置有腔内和腔外两种方式。
例举的激光二极管端面泵浦的绿光全固态激光器(7)包括激光二极管泵浦源(8)、光学耦合系统(9)、平面腔镜(10)、平凹输出镜(11)、激光晶体(12)及其热沉(13)、非线性晶体(1)及其热沉(2)、分色镜(14)。其中通光光轴(6)为激光辐射方向所处的光轴。对于非线性晶体谐振腔外倍频的激光器而言，即为激光器输出激光的光线方向。对于非线性晶体谐振腔内倍频的激光器而言，即为谐振腔内振荡的基频光所处的轴线。分色镜(14)使用在非线性晶体谐振腔内倍频的激光器中，其作用在于消除反射绿光对于激光器的影响，并可以增加绿光输出功率。
本发明非线性晶体动态散热装置可以应用于各种调谐激光频率的激光器中，如腔外倍频、和频的激光器、腔内倍频、和频的激光器以及各种参量转换的调谐激光器(OPO)。
权利要求
1.一种非线性晶体动态散热装置，它包括非线性晶体(1)、热沉(2)，将所述非线性晶体(1)置于热沉(2)中，其特征是将所述非线性晶体(1)以及热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，所述二维运动机构(3)能使热沉(2)及非线性晶体(1)处于运动状态。
2.根据权利要求1所述的非线性晶体动态散热装置，其特征是所述二维运动机构(3)通过伺服系统(4)控制发生运动。
3.根据权利要求1所述的非线性晶体动态散热装置，其特征是所述二维运动机构(3)控制非线性晶体(1)及其热沉(2)在垂直于通光光轴(6)的平面内做运动。
4.根据权利要求3所述的非线性晶体动态散热装置，其特征是所述伺服系统(4)与计算机(5)相连，通过计算机(5)编程控制二维运动机构(3)的方式。
5.根据权利要求1所述的非线性晶体动态散热装置，其特征是所述非线性晶体(1)用铟膜包裹后置于热沉(2)中。
全文摘要
本发明涉及一种非线性晶体动态散热装置，它包括非线性晶体(1)、热沉(2)，将所述非线性晶体(1)置于热沉(2)中，将所述非线性晶体(1)以及热沉(2)安装于二维运动机构(3)上，所述二维运动机构(3)能使热沉(2)及非线性晶体(1)处于运动状态。本发明可以有效地减弱调谐激光器中非线性晶体极化变频时通光方向上非均匀温升引起的走离效应、双折射等效应的影响，提高调谐激光器的输出功率以及输出光束质量，并使调谐激光器具有体积小、效率高、结构紧凑、工作安全、适应性强等特点。
文档编号H01S3/042GK101055969SQ200610105170
公开日2007年10月17日 申请日期2006年12月15日 优先权日2006年12月15日
发明者李隆, 史彭, 甘安生 申请人:西安建筑科技大学