專利名稱：倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償法控溫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于固體激光器的控溫裝置，具體是一種用于高功率固體 激光器倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償法控溫裝置。
背景技術(shù)：
高功率固體倍頻激光器在科研、醫(yī)療、通訊、激光加工以及國防軍事等領(lǐng)域均 有廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的迅速發(fā)展，采用半導(dǎo)體泵浦的高功率全固態(tài)倍 頻激光器以其效率高、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定和壽命長等特點(diǎn)越來越受到人們的廣泛關(guān) 注。近年來，國內(nèi)外對于高平均功率高重復(fù)頻率準(zhǔn)連續(xù)全固態(tài)倍頻激光器的研究正 在成為高功率激光技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。影響高功率全固態(tài)倍頻激光器輸出特性的主要因素有腔內(nèi)元件的熱效應(yīng)、聲光Q開關(guān)關(guān)斷的衍射效率以及腔內(nèi)功能元件的插入損耗。特別是因基波功率密度高導(dǎo) 致倍頻晶體局部升溫而產(chǎn)生相位失配和熱透鏡效應(yīng)，如何減小高功率運(yùn)轉(zhuǎn)條件下倍 頻晶體匹配角失配和熱透鏡效應(yīng)成為研究高功率倍頻激光器的主要難點(diǎn)之一。在高 功率激光器運(yùn)轉(zhuǎn)中為提高倍頻效率而采用腔內(nèi)倍頻方式，對于腔內(nèi)倍頻結(jié)構(gòu)通過倍 頻晶體的基波功率密度集中， 一方面以利于提高倍頻輸出功率，另一方面被倍頻晶 體吸收的基波功率也會增加，造成晶體內(nèi)部熱量積聚，從而導(dǎo)致倍頻晶體內(nèi)部升溫 引起匹配角失配和熱透鏡效應(yīng)，有關(guān)研究表明倍頻晶體匹配角4)隨溫度升高接近線 性變化。對于高功率全固態(tài)倍頻激光器，倍頻晶體多采用大尺寸晶體，因此在高功 率運(yùn)轉(zhuǎn)條件下倍頻晶體內(nèi)部溫升使得晶體內(nèi)部與晶體周邊存在溫度梯度，難以確定 激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中倍頻晶體內(nèi)部溫度。國內(nèi)外對于如何補(bǔ)償因倍頻晶體局部溫升造 成的晶體相位失配都進(jìn)行了深入研究。采取了如角度調(diào)節(jié)、強(qiáng)制冷等的措施，雖然 得到了較高的倍頻效率但是光束質(zhì)量不是很理想。而由于倍頻晶體熱透鏡效應(yīng)對激 光輸出穩(wěn)定性的影響相對激光增益介質(zhì)材料的熱透鏡效應(yīng)對激光輸出穩(wěn)定性的影響 小很多，往往被研究者忽略而少見相關(guān)的研究。發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種用于高功率固體激光器的倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償 的控溫裝置。該控溫裝置由高精度溫度控制系統(tǒng)分別控制高功率激光器運(yùn)轉(zhuǎn)中倍頻 晶體兩側(cè)面溫度，在晶體內(nèi)部一維方向上形成一個溫度漸變的溫度梯度，用以補(bǔ)償 倍頻晶體因吸收基波能量造成的局部溫升而導(dǎo)致的相位失配和熱透鏡效應(yīng)，提高高 功率固態(tài)激光器的倍頻效率和輸出穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案-一種用于高功率固體激光器倍頻晶體的溫度梯度補(bǔ)償控溫裝置，特征在于其構(gòu) 成如下倍頻晶體平行于基波通光方向放置，該倍頻晶體的上下表面分別與第一銅 熱沉和第二銅熱沉形成緊密的面接觸，該倍頻晶體的左右兩側(cè)分別采用絕熱層將銅 熱沉熱絕緣開來，同時使晶體沿左右兩側(cè)方向絕熱，所述的第一銅熱沉和第二銅熱 沉再分別與第一半導(dǎo)體制冷器的制冷面、第二半導(dǎo)體制冷器的制冷面接觸，所述的 第一銅熱沉和第二銅熱沉內(nèi)設(shè)有第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，該第一溫度傳 感器接第一高精度溫度控制系統(tǒng)的輸入端，該第一高精度溫度控制系統(tǒng)的輸出端接 所述的第一半導(dǎo)體制冷器的控制端，第二溫度傳感器接第二高精度溫度控制系統(tǒng)的 輸入端，該第二高精度溫度控制系統(tǒng)的輸出端接所述的第二半導(dǎo)體制冷器的控制端。所述的高精度溫度控制系統(tǒng)是高精度自適應(yīng)控溫系統(tǒng)，控溫精度達(dá)到土o.o5i:。利用所述的溫度梯度補(bǔ)償控溫裝置對高功率固體激光器倍頻晶體的溫度梯度補(bǔ) 償方法，特征在于包括下列歩驟① 設(shè)置溫度梯度補(bǔ)償控溫裝置，讓基波光束平行于倍頻晶體的長度方向并位于 改倍頻晶體的下半部分通過；② 調(diào)整第一高精度溫度控制系統(tǒng)和第二高精度溫度控制系統(tǒng)的輸出，使所述的 第一半導(dǎo)體制冷器的溫度高于第二半導(dǎo)體制冷器的溫度，在所述的倍頻晶體中形成一個自上而下的溫度梯度與基波光束通過在所述的倍頻晶體中產(chǎn)生的自下而上的溫度梯度相等。本實(shí)用新型裝置的倍頻晶體平行于基波通光方向的上下兩側(cè)分別與銅熱沉緊密 接觸，使倍頻晶體上下兩側(cè)溫度為所接觸的銅熱沉的溫度。平行于基波通光方向的 倍頻晶體的左右兩側(cè)采用絕熱材料將與倍頻晶體上下兩面接觸的銅熱沉熱絕緣斤 來，同時使晶體沿左右兩側(cè)方向絕熱，使晶體內(nèi)部熱量傳導(dǎo)只是沿垂直基波通光方 向的上下一維方向。對與晶體上下兩側(cè)接觸的銅沉底分別采用半導(dǎo)體制冷器件進(jìn)行 溫度調(diào)節(jié)。分別采樣與晶體上下兩側(cè)面接觸的銅熱沉的溫度反饋給各自的高精度溫
度控制系統(tǒng)，控制與上下兩側(cè)銅熱沉接觸的半導(dǎo)體制冷器件輸出功率，從而高精度 調(diào)整上下兩側(cè)銅沉底溫度，即高精度控制倍頻晶體上下兩側(cè)面溫度。在激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)中，采用的高精度自適應(yīng)控溫系統(tǒng)，控溫精度達(dá)到土0.05'C。對于晶體上下 兩側(cè)分別控溫，可以根據(jù)激光器運(yùn)行條件分別精確控制倍頻晶體上下兩側(cè)分別穩(wěn)定 在不同的溫度點(diǎn)，從而在該導(dǎo)熱方向上使晶體整個截面內(nèi)形成一個一維溫度梯度。 激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)中調(diào)節(jié)高精度溫度控制系統(tǒng)使得倍頻晶體上下兩側(cè)面中一個側(cè)面 溫度高于另一側(cè)面溫度，使晶體內(nèi)部形成一個自上而下溫度漸變的溫度梯度。在高 功率固體激光器中為便于調(diào)節(jié)，多選用倍頻晶體截面尺寸相對基波光束直徑較大的 晶體，使得倍頻晶體在垂直基波通光方向上存在較大的調(diào)整范圍。在高功率激光運(yùn) 轉(zhuǎn)中，調(diào)節(jié)倍頻晶體垂直基波通光方向上的放置位置，使得基波光束靠近晶體控制 溫度低的一側(cè)通過，使倍頻晶體該側(cè)面附近溫度因吸收基波能量而升溫溫度高于另 一側(cè)面附近溫度。這樣在晶體內(nèi)部因吸收基波能量也形成一個自下而上溫度逐漸變 化的溫度梯度，且該溫度梯度與由晶體溫度梯度控溫結(jié)構(gòu)在晶體內(nèi)部形成的自下而 上溫度漸變的溫度梯度相反，這兩個相反的溫度梯度互相補(bǔ)償。再根據(jù)激光器實(shí)際 運(yùn)轉(zhuǎn)條件調(diào)節(jié)控溫系統(tǒng)使得這兩個相反的溫度梯度相互補(bǔ)償達(dá)到平衡，使得晶體內(nèi) 外在垂直基波通光方向上達(dá)到溫度均勻化，有效的補(bǔ)償因倍頻晶體因局部溫升造成 的激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的相位失配和熱透鏡效應(yīng)，提高了激光器倍頻效率和輸出穩(wěn)定 性。以上敘述了垂直基波通光方向上下方向上控溫左右方向絕熱在上下方向上實(shí)現(xiàn) 溫度梯度補(bǔ)償控溫裝置的實(shí)現(xiàn)關(guān)系。同理，改為垂直基波通光方向左右方向上控溫 上下方向絕熱也可在左右方向上實(shí)現(xiàn)溫度梯度補(bǔ)償法控溫裝置。


圖1為本實(shí)用新型倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償法控溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。 先請參閱圖1，圖1為高功率固體激光器倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償法控溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實(shí)用新型高功率固體激光器倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償法控溫裝置主要由溫度梯度形成結(jié)構(gòu)和高精度溫度控制兩部分組成。圖1中，激光倍頻晶體5在Y1-Y2方向上靠近Y1側(cè)整個平行于基波6通光方 向的側(cè)面與銅熱沉4 一側(cè)緊密接觸，銅熱沉4另一側(cè)面與半導(dǎo)體制冷元件3制冷面 緊密接觸。圖1中，激光基波6通光方向?yàn)榇怪奔埫嫱ㄟ^整個倍頻晶體5。激光倍 頻晶體5在Yl-Y2方向上靠近Y2側(cè)整個平行于基波6通光方向的側(cè)面與銅熱沉8 一側(cè)緊密接觸，銅熱沉8另一側(cè)面與半導(dǎo)體制冷元件9制冷面緊密接觸。在倍頻晶 體5的Xl-X2方向上兩側(cè)的第一銅熱沉4和第二銅熱沉8之間采用絕熱層7填充， 使得晶體5在Yl-Y2方向上與之接觸的第一銅熱沉4和第二銅熱沉8之間絕熱以免 熱量相互傳導(dǎo)，另外使得晶體5內(nèi)部熱量不能沿X1-X2方向傳導(dǎo)，形成晶體內(nèi)部熱 傳導(dǎo)只沿著Yl-Y2 —維方向。溫度傳感器2安裝在銅熱沉4上精確測量銅熱沉4的 溫度反饋給高精度溫控系統(tǒng)1，高精度溫控系統(tǒng)1根據(jù)裝置實(shí)際工作需要的設(shè)定溫 度T1與第一溫度傳感器2測得的第一銅熱沉4的溫度確定輸出控制量控制第一半導(dǎo) 體制冷器3的輸出功率，從而高精度地控制第一銅熱沉4的實(shí)際工作溫度，因倍頻 晶體5靠近Yl的上面與第一銅熱沉4緊密接觸，所以倍頻晶體5靠近Yl的上面的 溫度等于第一銅熱沉4的溫度。即可以通過第一高精度溫控系統(tǒng)1精確控制倍頻晶 體5靠近Yl上面的工作溫度穩(wěn)定在第一高精度溫控系統(tǒng)1的設(shè)定溫度T1。同理， 也可以通過由第二半導(dǎo)體制冷器9、第二溫度傳感器10和第二高精度溫控系統(tǒng)2組 成的高精度溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)精確地控制倍頻晶體5靠近Y2下面的工作溫度穩(wěn)定在第 二高精度溫控系統(tǒng)2的設(shè)定溫度T2。在激光器運(yùn)行中，調(diào)節(jié)第一高精度溫控系統(tǒng)l 設(shè)定溫度Tl高于第二高精度溫控系統(tǒng)2設(shè)定溫度T2，使倍頻晶體5靠近Yl上面的 工作溫度Tl高于倍頻晶體5靠近Y2下面的工作溫度T2，在倍頻晶體5內(nèi)部Yl-Y2 方向上整體形成一個從Y2向Yl溫度逐漸升高的溫度梯度。激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，調(diào) 節(jié)倍頻晶體5沿Y卜Y2方向的位置，使得激光基波6靠近倍頻晶體5控制溫度低的 Y2通過倍頻晶體5，倍頻晶體5靠近Y2側(cè)因基波6通過而吸收基波能量溫度升高， 而倍頻晶體5靠近Y1的地方因距離基波通過點(diǎn)較遠(yuǎn)而使得靠近Y1的溫度低于靠近 Y2的溫度，從而倍頻晶體5因吸收基波能量在晶體內(nèi)部Yl-Y2方向上整體形成一 個從Y2向Yl溫度逐漸降低的溫度梯度，而這個溫度梯度與由控溫系統(tǒng)形成的倍頻 晶體5內(nèi)部Yl-Y2方向上從Y2向Yl，溫度逐漸升高的溫度梯度相反而相互補(bǔ)償。 在激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時，根據(jù)工作條件，調(diào)節(jié)第一高精度溫控系統(tǒng)1、第二高精度溫控系 統(tǒng)2的設(shè)定溫度Tl和T2之間的溫度差，使得由控溫系統(tǒng)形成的倍頻晶體5內(nèi)部 Yl-Y2方向上從Y2向Yl溫度逐漸升高的溫度梯度剛好補(bǔ)償由倍頻品體5因吸收基 波能量在晶體內(nèi)部Yl-Y2方向上整體形成的從Y2向Yl溫度逐漸降低的溫度梯度， 使得倍頻晶體5內(nèi)部整體溫度均勻化，從而消除因倍頻晶體5靠近基波6通過點(diǎn)附 近局部溫升造成的倍頻相位失配和倍頻晶體熱透鏡效應(yīng)，達(dá)到提高激光器倍頻效率 和輸出穩(wěn)定性的目的。
權(quán)利要求1、一種用于高功率固體激光器的倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償控溫裝置，特征在于其構(gòu)成如下倍頻晶體(5)平行于基波通光方向放置，該倍頻晶體(5)的上下表面分別與第一銅熱沉(4)和第二銅熱沉(8)形成緊密的面接觸，該倍頻晶體(5)的左右兩側(cè)分別采用絕熱層(7)將銅熱沉熱絕緣開來，同時使晶體沿左右兩側(cè)方向絕熱，所述的第一銅熱沉(4)和第二銅熱沉(8)再分別與第一半導(dǎo)體制冷器(3)的制冷面、第二半導(dǎo)體制冷器(9)的制冷面接觸，所述的第一銅熱沉(4)和第二銅熱沉(8)內(nèi)設(shè)有第一溫度傳感器(2)和第二溫度傳感器(10)，該第一溫度傳感器(2)接第一高精度溫度控制系統(tǒng)(1)的輸入端，該第一高精度溫度控制系統(tǒng)(1)的輸出端接所述的第一半導(dǎo)體制冷器(3)的控制端，第二溫度傳感器(10)接第二高精度溫度控制系統(tǒng)(11)的輸入端，該第二高精度溫度控制系統(tǒng)(11)的輸出端接所述的第二半導(dǎo)體制冷器(9)的控制端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度梯度補(bǔ)償控溫裝置，其特征在于所述的高精度溫 度控制系統(tǒng)是高精度自適應(yīng)控溫系統(tǒng)，控溫精度達(dá)到士0.05'C。
專利摘要一種用于高功率固體激光器的倍頻晶體溫度梯度補(bǔ)償?shù)目販匮b置，該控溫裝置通過倍頻晶體上下面分別控溫結(jié)構(gòu)并采用高精度控溫系統(tǒng)結(jié)合控溫元件控制晶體上下兩面工作在不同的溫度點(diǎn)形成自上而下的一維溫度梯度，并通過調(diào)整激光器工作中基波通過倍頻晶體的位置形成自下而上與之相反的溫度梯度，兩個相反的溫度梯度相互補(bǔ)償達(dá)到使倍頻晶體整體工作溫度均勻化。本實(shí)用新型有效地改善了固體激光器在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)條件下因倍頻晶體局部溫升而產(chǎn)生相位失配和熱透鏡效應(yīng)，提高了激光器的倍頻效率和輸出穩(wěn)定性。
文檔編號G05D23/19GK201008073SQ200620048888
公開日2008年1月16日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者朱健強(qiáng), 趙智亮, 陳立華 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所