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蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制

黄剑平  
【摘要】: 目前,激光领域中蓝光固体激光器由于自身具有效率高、结构紧凑、输出稳定、寿命长等优点,加上其在许多领域具有广泛的应用前景而倍受关注。但目前输出功率达到瓦级水平的蓝光激光器的技术还不够成熟,因而进行这方面的研究具有重要的现实意义。 本论文的课题是研制瓦级蓝光固体激光器。由于影响蓝光激光器工作性能的最主要的一个因素就是其晶体的工作温度,本文就蓝光固体激光器工作晶体的热效应问题进行探讨,并介绍了激光晶体温度控制器的设计。 本文首先介绍了产生473nm蓝光的原理。通过半导体激光器输出的808nm红外激光作为泵浦光,泵浦Nd:YAG晶体。Nd:YAG晶体产生4F3/2向4I9/2的准三能级跃迁,输出946nm的红外光作为基波。输出基波再通过一块倍频晶体LBO使946nm的激光频率翻倍变为473nm,从而产生蓝光输出。接着重点讨论了温度对这两块晶体工作性能的影响。Nd:YAG晶体要产生准三能级跃迁所需要的粒子数反转条件需要较低的温度。而且Nd:YAG晶体由于工作中不可避免地吸热会引起晶体的中心与晶体周围的温度分布不均匀从而产生热效应。对腔体设计来说,此时晶体等效为一个透镜。LBO属于非线性光学晶体,当有光波通过时,晶体也会对光场吸收,造成温度升高,LBO晶体由于其匹配角是其温度的函数,从而导致LBO晶体的倍频效率也受温度影响。 然后介绍了针对蓝光激光器两块工作晶体的温度控制系统。系统介绍包括硬件和软件两部分。硬件部分包括以下几个小部分:单片机控制器、温度传感器、半导体制冷器的功率驱动模块、参数存储器、LED数码管驱动芯片和输出电压监控部分。软件采用PID控制算法,根据实际温度与设置温度的偏差量来控制半导体制冷器的驱动电流,PID算法的三个控制参数需要在实际调试中进行整定,以达到良好的控制效果。 最后对Nd:YAG晶体的阈值电流与温度的关系、LBO晶体的匹配角度与温度的关系和热透镜焦距进行测量。得出结论,Nd:YAG晶体的阈值电流随晶体温度降低而降低,LBO晶体在匹配温度上具有最大的输出功率,而Nd:YAG晶体的热焦距随温度变化不大。


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