专利名称：倍频晶体温度梯度补偿法控温装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于固体激光器的控温装置，具体是一种用于高功率固体激光器倍频晶体温度梯度补偿法控温装置。
背景技术：
高功率固体倍频激光器在科研、医疗、通讯、激光加工以及国防军事等领域均有广泛应用。随着半导体激光技术的迅速发展，采用半导体泵浦的高功率全固态倍频激光器以其效率高、体积小、运转稳定和寿命长等特点越来越受到人们的广泛关注。近年来，国内外对于高平均功率高重复频率准连续全固态倍频激光器的研究正在成为高功率激光技术领域的热点研究课题之一。
影响高功率全固态倍频激光器输出特性的主要因素有腔内元件的热效应、声光Q开关关断的衍射效率以及腔内功能元件的插入损耗。特别是因基波功率密度高导致倍频晶体局部升温而产生相位失配和热透镜效应，如何减小高功率运转条件下倍频晶体匹配角失配和热透镜效应成为研究高功率倍频激光器的主要难点之一。在高功率激光器运转中为提高倍频效率而采用腔内倍频方式，对于腔内倍频结构通过倍频晶体的基波功率密度集中，一方面以利于提高倍频输出功率，另一方面被倍频晶体吸收的基波功率也会增加，造成晶体内部热量积聚，从而导致倍频晶体内部升温引起匹配角失配和热透镜效应，有关研究表明倍频晶体匹配角φ随温度升高接近线性变化。对于高功率全固态倍频激光器，倍频晶体多采用大尺寸晶体，因此在高功率运转条件下倍频晶体内部温升使得晶体内部与晶体周边存在温度梯度，难以确定激光器运转过程中倍频晶体内部温度。国内外对于如何补偿因倍频晶体局部温升造成的晶体相位失配都进行了深入研究。采取了如角度调节、强制冷等的措施，虽然得到了较高的倍频效率但是光束质量不是很理想。而由于倍频晶体热透镜效应对激光输出稳定性的影响相对激光增益介质材料的热透镜效应对激光输出稳定性的影响小很多，往往被研究者忽略而少见相关的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高功率固体激光器的倍频晶体温度梯度补偿的控温装置。该控温装置由高精度温度控制系统分别控制高功率激光器运转中倍频晶体两侧面温度，在晶体内部一维方向上形成一个温度渐变的温度梯度，用以补偿倍频晶体因吸收基波能量造成的局部温升而导致的相位失配和热透镜效应，提高高功率固态激光器的倍频效率和输出稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种用于高功率固体激光器倍频晶体的温度梯度补偿控温装置，特征在于其构成如下倍频晶体平行于基波通光方向放置，该倍频晶体的上下表面分别与第一铜热沉和第二铜热沉形成紧密的面接触，该倍频晶体的左右两侧分别采用绝热层将铜热沉热绝缘开来，同时使晶体沿左右两侧方向绝热，所述的第一铜热沉和第二铜热沉再分别与第一半导体制冷器的制冷面、第二半导体制冷器的制冷面接触，所述的第一铜热沉和第二铜热沉内设有第一温度传感器和第二温度传感器，该第一温度传感器接第一高精度温度控制系统的输入端，该第一高精度温度控制系统的输出端接所述的第一半导体制冷器的控制端，第二温度传感器接第二高精度温度控制系统的输入端，该第二高精度温度控制系统的输出端接所述的第二半导体制冷器的控制端。
所述的高精度温度控制系统是高精度自适应控温系统，控温精度达到±0.05℃。
利用所述的温度梯度补偿控温装置对高功率固体激光器倍频晶体的温度梯度补偿方法，特征在于包括下列步骤①设置温度梯度补偿控温装置，让基波光束平行于倍频晶体的长度方向并位于该倍频晶体的下半部分通过；②调整第一高精度温度控制系统和第二高精度温度控制系统的输出，使所述的第一半导体制冷器的温度高于第二半导体制冷器的温度，在所述的倍频晶体中形成一个自上而下的温度梯度与基波光束通过在所述的倍频晶体中产生的自下而上的温度梯度相等。
本发明装置的倍频晶体平行于基波通光方向的上下两侧分别与铜热沉紧密接触，使倍频晶体上下两侧温度为所接触的铜热沉的温度。平行于基波通光方向的倍频晶体的左右两侧采用绝热材料将与倍频晶体上下两面接触的铜热沉热绝缘开来，同时使晶体沿左右两侧方向绝热，使晶体内部热量传导只是沿垂直基波通光方向的上下一维方向。对与晶体上下两侧接触的铜沉底分别采用半导体制冷器件进行温度调节。分别采样与晶体上下两侧面接触的铜热沉的温度反馈给各自的高精度温度控制系统，控制与上下两侧铜热沉接触的半导体制冷器件输出功率，从而高精度调整上下两侧铜沉底温度，即高精度控制倍频晶体上下两侧面温度。在激光器高功率运转中，采用的高精度自适应控温系统，控温精度达到±0.05℃。对于晶体上下两侧分别控温，可以根据激光器运行条件分别精确控制倍频晶体上下两侧分别稳定在不同的温度点，从而在该导热方向上使晶体整个截面内形成一个一维温度梯度。激光器高功率运转中调节高精度温度控制系统使得倍频晶体上下两侧面中一个侧面温度高于另一侧面温度，使晶体内部形成一个自上而下温度渐变的温度梯度。在高功率固体激光器中为便于调节，多选用倍频晶体截面尺寸相对基波光束直径较大的晶体，使得倍频晶体在垂直基波通光方向上存在较大的调整范围。在高功率激光运转中，调节倍频晶体垂直基波通光方向上的放置位置，使得基波光束靠近晶体控制温度低的一侧通过，使倍频晶体该侧面附近温度因吸收基波能量而升温温度高于另一侧面附近温度。这样在晶体内部因吸收基波能量也形成一个自下而上温度逐渐变化的温度梯度，且该温度梯度与由晶体温度梯度控温结构在晶体内部形成的自下而上温度渐变的温度梯度相反，这两个相反的温度梯度互相补偿。再根据激光器实际运转条件调节控温系统使得这两个相反的温度梯度相互补偿达到平衡，使得晶体内外在垂直基波通光方向上达到温度均匀化，有效的补偿因倍频晶体因局部温升造成的激光器运转过程中的相位失配和热透镜效应，提高了激光器倍频效率和输出稳定性。
以上叙述了垂直基波通光方向上下方向上控温左右方向绝热在上下方向上实现温度梯度补偿控温装置的实现关系。同理，改为垂直基波通光方向左右方向上控温上下方向绝热也可在左右方向上实现温度梯度补偿法控温装置。
图1为本发明高功率固体激光器倍频晶体温度梯度补偿法控温装置结构示意图具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为高功率固体激光器倍频晶体温度梯度补偿法控温装置结构示意图，由图可见，本发明高功率固体激光器倍频晶体温度梯度补偿法控温装置主要由温度梯度形成结构和高精度温度控制两部分组成。
图1中，激光倍频晶体5在Y1-Y2方向上靠近Y1侧整个平行于基波6通光方向的侧面与铜热沉4一侧紧密接触，铜热沉4另一侧面与半导体制冷元件3制冷面紧密接触。图1中，激光基波6通光方向为垂直纸面通过整个倍频晶体5。激光倍频晶体5在Y1-Y2方向上靠近Y2侧整个平行于基波6通光方向的侧面与铜热沉8一侧紧密接触，铜热沉8另一侧面与半导体制冷元件9制冷面紧密接触。在倍频晶体5的X1-X2方向上两侧的第一铜热沉4和第二铜热沉8之间采用绝热层7填充，使得晶体5在Y1-Y2方向上与之接触的第一铜热沉4和第二铜热沉8之间绝热以免热量相互传导，另外使得晶体5内部热量不能沿X1-X2方向传导，形成晶体内部热传导只沿着Y1-Y2一维方向。温度传感器2安装在铜热沉4上精确测量铜热沉4的温度反馈给高精度温控系统1，高精度温控系统1根据装置实际工作需要的设定温度T1与第一温度传感器2测得的第一铜热沉4的温度确定输出控制量控制第一半导体制冷器3的输出功率，从而高精度地控制第一铜热沉4的实际工作温度，因倍频晶体5靠近Y1的上面与第一铜热沉4紧密接触，所以倍频晶体5靠近Y1的上面的温度等于第一铜热沉4的温度。即可以通过第一高精度温控系统1精确控制倍频晶体5靠近Y1上面的工作温度稳定在第一高精度温控系统1的设定温度T1。同理，也可以通过由第二半导体制冷器9、第二温度传感器10和第二高精度温控系统2组成的高精度温度调节系统精确地控制倍频晶体5靠近Y2下面的工作温度稳定在第二高精度温控系统2的设定温度T2。在激光器运行中，调节第一高精度温控系统1设定温度T1高于第二高精度温控系统2设定温度T2，使倍频晶体5靠近Y1上面的工作温度T1高于倍频晶体5靠近Y2下面的工作温度T2，在倍频晶体5内部Y1-Y2方向上整体形成一个从Y2向Y1温度逐渐升高的温度梯度。激光器运转过程中，调节倍频晶体5沿Y1-Y2方向的位置，使得激光基波6靠近倍频晶体5控制温度低的Y2通过倍频晶体5，倍频晶体5靠近Y2侧因基波6通过而吸收基波能量温度升高，而倍频晶体5靠近Y1的地方因距离基波通过点较远而使得靠近Y1的温度低于靠近Y2的温度，从而倍频晶体5因吸收基波能量在晶体内部Y1-Y2方向上整体形成一个从Y2向Y1温度逐渐降低的温度梯度，而这个温度梯度与由控温系统形成的倍频晶体5内部Y1-Y2方向上从Y2向Y1，温度逐渐升高的温度梯度相反而相互补偿。在激光器运转时，根据工作条件，调节第一高精度温控系统1、第二高精度温控系统2的设定温度T1和T2之间的温度差，使得由控温系统形成的倍频晶体5内部Y1-Y2方向上从Y2向Y1温度逐渐升高的温度梯度刚好补偿由倍频晶体5因吸收基波能量在晶体内部Y1-Y2方向上整体形成的从Y2向Y1温度逐渐降低的温度梯度，使得倍频晶体5内部整体温度均匀化，从而消除因倍频晶体5靠近基波6通过点附近局部温升造成的倍频相位失配和倍频晶体热透镜效应，达到提高激光器倍频效率和输出稳定性的目的。
权利要求
1.一种用于高功率固体激光器的倍频晶体温度梯度补偿控温装置，特征在于其构成如下倍频晶体(5)平行于基波通光方向放置，该倍频晶体(5)的上下表面分别与第一铜热沉(4)和第二铜热沉(8)形成紧密的面接触，该倍频晶体(5)的左右两侧分别采用绝热层(7)将铜热沉热绝缘开来，同时使晶体沿左右两侧方向绝热，所述的第一铜热沉(4)和第二铜热沉(8)再分别与第一半导体制冷器(3)的制冷面、第二半导体制冷器(9)的制冷面接触，所述的第一铜热沉(4)和第二铜热沉(8)内设有第一温度传感器(2)和第二温度传感器(10)，该第一温度传感器(2)接第一高精度温度控制系统(1)的输入端，该第一高精度温度控制系统(1)的输出端接所述的第一半导体制冷器(3)的控制端，第二温度传感器(10)接第二高精度温度控制系统(11)的输入端，该第二高精度温度控制系统(11)的输出端接所述的第二半导体制冷器(9)的控制端。
2.根据权利要求1所述的温度梯度补偿控温装置，其特征在于所述的高精度温度控制系统是高精度自适应控温系统，控温精度达到±0.05℃。
3.利用权利要求1所述的温度梯度补偿控温装置对高功率固体激光器倍频晶体的温度梯度补偿方法，特征在于包括下列步骤①设置温度梯度补偿控温装置，让基波光束平行于倍频晶体(5)的长度方向并位于该倍频晶体(5)的下半部分通过；②调整第一高精度温度控制系统(1)和第二高精度温度控制系统(11)的输出，使所述的第一半导体制冷器(3)的温度高于第二半导体制冷器(9)的温度，在所述的倍频晶体(5)中形成一个自上而下的温度梯度与基波光束通过在所述的倍频晶体(5)中产生的自下而上的温度梯度相等。
全文摘要
一种用于高功率固体激光器的倍频晶体温度梯度补偿的控温装置，该控温装置通过倍频晶体上下面分别控温结构并采用高精度控温系统结合控温元件控制晶体上下两面工作在不同的温度点形成自上而下的一维温度梯度，并通过调整激光器工作中基波通过倍频晶体的位置形成自下而上与之相反的温度梯度，两个相反的温度梯度相互补偿达到使倍频晶体整体工作温度均匀化。本发明有效地改善了固体激光器在高功率运转条件下因倍频晶体局部温升而产生相位失配和热透镜效应，提高了激光器的倍频效率和输出稳定性。
文档编号G05D23/19GK1972037SQ20061011957
公开日2007年5月30日 申请日期2006年12月13日 优先权日2006年12月13日
发明者赵智亮, 陈立华, 朱健强 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所