CN107908207B - 一种固体激光装置自动温控自动调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体激光装置自动温控自动调光方法，包括：所述激光泵浦装置(1‑1)以端泵方式发射抽运光束到激光晶体(2‑3)，获得振荡激光，所述激光从输出镜(2‑2)输出；输出激光射入探测装置(3‑1)，所述探测装置(3‑1)将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制***(4‑1)，所述计算机控制***(4‑1)根据该电学信号形成控制信号控制三维调整台。所述温控装置(2‑31)将所述激光晶体(2‑3)的温度信号输入所述计算机控制***(4‑1)，所述计算机控制***(4‑1)根据所述温度信号形成第四控制信号，所述第四控制信号控制所述温控装置(2‑31)的温度从而保证所述激光晶体(2‑3)的温度与预设值相符。

Description

一种固体激光装置自动温控自动调光方法

技术领域

本发明涉及一种固体激光调光方法，特别是一种固体激光装置自动温控自动调光方法。

背景技术

固体激光器的热效应问题是有史以来，限制激光器发展的重要瓶颈，特别是对于大功率激光器的发展起到了一定的制约作用，因此，激光器领域的科研工作者长久以来一直致力于为解决大功率激光器的散热问题不懈努力。现有的水冷、液氮冷却方式尽管能够在一定程度上降低激光晶体的热效应，但是，降热不均导致的晶体局部温差较大，热效应仍然明显，对于出光质量仍然具有较大影响。

另外，为了获得特定波长的激光，往往需要设计较为复杂的光学谐振腔，而这些腔型结构复杂，对光路调节技术要求较高，因此，要获得稳定的光学输出，就会变得比较困难，因此，对于复杂谐振腔下既要克服热效应问题又要解决光路调节问题就变得十分迫切。

发明内容

本发明为了解决现有调光难的技术问题而设计的全新固体激光***方法。

本发明提供的一种固体激光装置自动温控自动调光方法，包括：

依光路方向依次设置激光泵浦装置1-1、输入镜2-1、第一三维调整台2-11、激光晶体2-3、温控装置2-31、第二三维调整台2-32、输出镜2-2、第三三维调整台2-21、探测装置3-1以及计算机控制***4-1；

其中，所述第一三维调整台2-11用于调节所述输入镜2-1的位置，所述第三三维调整台2-21用于调节所述输出镜2-2的位置；所述激光晶体2-3和温控装置2-31位于所述第二三维调整台2-32上，所述第二三维调整台2-32用于调节所述激光晶体2-3和温控装置2-31的位置；

所述激光泵浦装置1-1以端泵方式发射抽运光束到Er:YAG晶体2-3，获得的1640nm的激光，所述激光从输出镜2-2输出；输出激光射入探测装置3-1，所述探测装置3-1将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制***4-1，所述计算机控制***4-1根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台2-11自动调节，形成第二控制信号对所述第二三维调整台2-32自动调节，形成第三控制信号对所述第三三维调整台2-21自动调节；

所述温控装置2-31将所述激光晶体2-3的温度信号输入所述计算机控制***4-1，所述计算机控制***4-1根据所述温度信号形成第四控制信号，所述第四控制信号控制所述温控装置2-31的温度从而保证所述激光晶体2-3的温度与预设值相符。

进一步的，所述温控装置2-31包括：

至少一个温度传感器，用于探测激光晶体2-3的温度；

冷却装置，包括：紧密包裹激光晶体2-3的热沉以及与所述热沉相连接的温控***。

进一步的，所述温控***为水冷***；所述计算机控制***4-1接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生水泵控制信号，根据控制信号控制水泵***的压力进而控制冷却水的流速。

进一步的，所述热沉为微通道热沉，所述微通道呈单通道蛇形设置或多通道并排设置。

进一步的，所述温控***为半导体致冷***；所述计算机控制***4-1接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生电压控制信号，根据电压控制信号控制半导体致冷***的温度值。

进一步的，所述“根据比较结果，产生电压控制信号”包括：晶体温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为40V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为52V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为69V。

进一步的，所述第一三维调整台2-11、第二三维调整台2-32、第三三维调整台2-21可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。

本发明的有益效果：本发明通过对前后腔镜及激光晶体设置自动调整台，有效的解决了光学谐振腔调光的技术问题，避免了人为调节技术的缺陷，而且节约了调光成本。同时，结合现有的冷却技术，通过计算机自动温控监测***，能够实时自动监测晶体温度，并结合模拟的晶体温度与冷却量的匹配关系，实现自动控温，从而保证了晶体温度的基本恒定，为实现稳定的光学输出创造条件，进而获得理想的光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的室温条件下固体激光发生装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示，本发明提供的一种固体激光装置自动温控自动调光方法，包括：依光路方向依次设置激光泵浦装置1-1、输入镜2-1、第一三维调整台2-11、激光晶体2-3、温控装置2-31、第二三维调整台2-32、输出镜2-2、第三三维调整台2-21、探测装置3-1以及计算机控制***4-1；

其中，所述第一三维调整台2-11用于调节所述输入镜2-1的位置，所述第三三维调整台2-21用于调节所述输出镜2-2的位置；所述激光晶体2-3和温控装置2-31位于所述第二三维调整台2-32上，所述第二三维调整台2-32用于调节所述激光晶体2-3和温控装置2-31的位置；

所述激光泵浦装置1-1以端泵方式发射抽运光束到Er:YAG晶体2-3，获得的1640nm的激光，所述激光从输出镜2-2输出；输出激光射入探测装置3-1，所述探测装置3-1将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制***4-1，所述计算机控制***4-1根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台2-11自动调节，形成第二控制信号对所述第二三维调整台2-32自动调节，形成第三控制信号对所述第三三维调整台2-21自动调节；

所述温控装置2-31将所述激光晶体2-3的温度信号输入所述计算机控制***4-1，所述计算机控制***4-1根据所述温度信号形成第四控制信号，所述第四控制信号控制所述温控装置2-31的温度从而保证所述激光晶体2-3的温度与预设值相符。

可选的，所述温控装置2-31包括：

至少一个温度传感器，用于探测激光晶体2-3的温度；

冷却装置，包括：紧密包裹激光晶体2-3的热沉以及与所述热沉相连接的温控***。

本实施方式所述激光泵浦装置1-1是1.9μm单掺铥Tm光纤激光器，一个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1-1发射的激光束通过第一耦合***耦合后，经由平面输入镜2-1透射后入射至单掺Er或Ho的晶体2-3；晶体2-3对其入射的光纤激光束进行吸收后，产生2μm波长的激光，该2μm波长的激光入射至平凹输出镜2-2，通过平凹输出镜2-2输出Er或Ho激光；

单掺Ho晶体2-3可选用Ho:YAP晶体，其通光轴为c轴，长度50mm；Ho3+掺杂浓度为0.3at.％。1.9μm单掺铥T m光纤激光器的发射波长为1940nm，单掺Ho激光器的平凹输出镜曲率半径为-200mm，对2μm光的透过率为30％。

1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1-1由792nm的激光二极管、传导光纤、双包层光敏光纤、光纤光栅和单掺铥Tm石英光纤组成，光纤光栅设置在双包层光敏光纤的传输路径上，792nm的激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤、双包层光敏光纤以及光纤光栅传输，再被单掺铥Tm石英光纤吸收后，产生1.9μm激光，作为1.9μm单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束；传导光纤与双包层光敏光纤焊接连接，双包层光敏光纤与单掺铥Tm石英光纤焊接连接。

1.9μm单掺铥Tm光纤激光器的基质包括氟基、硅基和ZBLAN玻璃，使用光纤光栅对单掺铥Tm石英光纤发射的1.9μm激光的发射波长进行控制，以与单掺Ho激光晶体的吸收波长相匹配。单掺杂Ho激光晶体的掺杂基质包括氟化钇锂YLF、氟化镥锂LuLF、铝酸钇YAP、镏铝石榴石LuAG、钒酸钇YVO4和钇铝石榴石YAG。

1.9μm单掺铥Tm光纤激光器采用792nm的激光二极管泵浦。双包层光敏光纤的纤芯直径为25μm、包层直径为250μm，传导光纤与双包层光敏光纤通过光纤熔接技术熔接。光纤光栅为利用飞秒fs激光刻写技术在双包层光敏光纤刻写的飞秒布拉格反射光栅FBG，光纤光栅的衍射中心波长与单掺Ho晶体吸收峰相对应。双包层光敏光纤与单掺铥Tm石英光纤通过光纤熔接技术熔接在一起，单掺铥Tm石英光纤的纤芯直径为25μm，包层直径为250μm，并且采用风扇对其进行强制冷却。

本实施方式中，激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤以及双包层光敏光纤的传输后被单掺铥Tm石英光纤吸收，792nm激光的功率达到光纤激光器的阈值之后，在光纤光栅的作用下，光纤激光器输出与Ho晶体吸收峰相匹配波长的1.9μm激光。

本实施例中，温控调整装置2-31包括：至少一个温度传感器，用于探测激光晶体2-3的温度；所述温度传感器的数量以5-10个为益，均匀分布在晶体周围，优选的，温度传感器可以设置于热沉当中，热沉中开设有相应的盲孔，温度传感器设置于盲孔中。冷却装置，包括：紧密包裹激光晶体2-3的热沉以及与所述热沉相连接的温控***，热沉于晶体通过导热材料(例如铟)包裹。

所述温控***可以为水冷***；所述计算机控制***4-1接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生水泵控制信号，根据控制信号控制水泵***的压力进而控制冷却水的流速，模拟信息参数包括晶体当前位置的当前温度值，水流速度与单位时间内疏散热量值，或者单位时间内晶体降低温度值等。其中，所述微通道呈单通道蛇形设置或多通道并排设置。蛇形通道为串联结构，多通道并排设置为并联结构。

所述温控***也可以为半导体致冷***；所述计算机控制***4-1接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生电压控制信号，根据电压控制信号控制半导体致冷***的温度值。所述模拟信息参数包括晶体当前位置的当前温度值、半导体致冷器的冷却能力参数(如电流、电压、单位时间冷却能力等)等。根据比较结果，产生电压控制信号具体为：晶体温度值大于0℃小于10℃时，设定控制电压为36-42V，优选，40V；晶体温度值大于10℃小于45℃时，设定控制电压为48-55V，优选52V；晶体温度值大于45℃小于60℃时，设定控制电压为65-80V，优选69V。

另外，所述第一三维调整台2-11、第二三维调整台2-32、第三三维调整台2-21可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。所述三维调整台包括步进电机，转台，罗盘，所述步进电机实现被调整装置的前后左右移动，转台实现被调整装置的俯仰，罗盘上设置有刻度，提供移动量参考。其中，在对第一三维调整台2-11、第三三维调整台2-21进行调节时，可先对所述第一三维调整台进行调节再对所述第三三维调整台进行调节或先对所述第三三维调整台进行调节再对所述第一三维调整台进行调节，最后调节第二三维调整台2-32，从而获得理想光束质量的输出光束，所述调整根据预设的计算模型进行。

综上，本发明通过对前后腔镜及激光晶体设置自动调整台，有效的解决了光学谐振腔调光的技术问题，避免了人为调节技术的缺陷，而且节约了调光成本。同时，结合现有的冷却技术，通过计算机自动温控监测***，能够实时自动监测晶体温度，并结合模拟的晶体温度与冷却量的匹配关系，实现自动控温，从而保证了晶体温度的基本恒定，为实现稳定的光学输出创造条件，进而获得理想的光束质量。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种固体激光装置自动温控自动调光方法，其特征在于，包括：

依光路方向依次设置激光泵浦装置(1-1)、输入镜(2-1)、第一三维调整台(2-11)、激光晶体(2-3)、温控装置(2-31)、第二三维调整台(2-32)、输出镜(2-2)、第三三维调整台(2-21)、探测装置(3-1)以及计算机控制***(4-1)；

其中，所述第一三维调整台(2-11)用于调节所述输入镜(2-1)的位置，所述第三三维调整台(2-21)用于调节所述输出镜(2-2)的位置；所述激光晶体(2-3)和温控装置(2-31)位于所述第二三维调整台(2-32)上，所述第二三维调整台(2-32)用于调节所述激光晶体(2-3)和温控装置(2-31)的位置；

所述激光泵浦装置(1-1)以端泵方式发射抽运光束到激光晶体(2-3)，获得振荡激光，所述激光从输出镜(2-2)输出；输出激光射入探测装置(3-1)，所述探测装置(3-1)将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制***(4-1)，所述计算机控制***(4-1)根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一三维调整台(2-11)自动调节，形成第二控制信号对所述第二三维调整台(2-32)自动调节，形成第三控制信号对所述第三三维调整台(2-21)自动调节；

所述温控装置(2-31)将所述激光晶体(2-3)的温度信号输入所述计算机控制***(4-1)，所述计算机控制***(4-1)根据所述温度信号形成第四控制信号，所述第四控制信号控制所述温控装置(2-31)的温度从而保证所述激光晶体(2-3)的温度与预设值相符。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温控装置(2-31)包括：

至少一个温度传感器，用于探测激光晶体(2-3)的温度；

冷却装置，包括：紧密包裹激光晶体(2-3)的热沉以及与所述热沉相连接的温控***。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述温控***为水冷***；所述计算机控制***(4-1)接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生水泵控制信号，根据控制信号控制水泵***的压力进而控制冷却水的流速。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热沉为微通道热沉，所述微通道呈单通道蛇形设置或多通道并排设置。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述温控***为半导体致冷***；所述计算机控制***(4-1)接收到所述温度信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，产生电压控制信号，根据电压控制信号控制半导体致冷***的温度值。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，所述第一三维调整台(2-11)、第二三维调整台(2-32)、第三三维调整台(2-21)可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。