CN101949871B - 一种测量非线性晶体热功率大小的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量非线性晶体热功率大小的装置，包括非线性晶体、温度传感器、智能模块、控温电源、控温炉和示波器。非线性晶体放置于控温炉内部，工作于某一设定的温度T₁条件下，起到激光变频的作用；温度传感器用于测量非线性晶体的实际工作温度T₀，并将该值反馈给智能模块；智能模块用于将温度传感器测量到的非线性晶体的实际工作温度T₀与设定的温度T₁比较，据此调节控温电源向控温炉输出的加热电压，将非线性晶体控制于设定的工作温度T₁下；控温炉采用加热丝作为加热元件；温度传感器、智能模块、控温电源和控温炉构成控温系统，示波器实时测量控温电源向控温炉输出的加热电压的波形W。利用本发明，实现了非线性晶体热功率大小的测量。

Description

一种测量非线性晶体热功率大小的装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种测量非线性晶体热功率大小的装置，该热功率是非线性晶体因吸收激光而产生的。

背景技术

非线性晶体可以将某一波长的基频光转换为其他波长的激光，极大地扩展了激光的波长范围，从而扩展了激光的应用范围。例如，LBO晶体可以将波长为1064nm的红外激光倍频为532nm的绿光，PPLN晶体可以将1064nm激光转换为波长可调谐的中红外激光等。因此，非线性晶体在激光系统中有非常重要的地位。工作时，非线性晶体对通过其中的激光的吸收系数很小，对激光基本不吸收。

但是，在高功率工作条件下，如LBO晶体倍频1064nm激光产生高功率绿光时，基频泵浦光的功率很高，LBO晶体吸收基频光会产生一定的热功率，导致晶体温度升高，从而导致相位失配，降低转换效率；又如，在1064nm激光泵浦的基于周期极化掺杂氧化镁的铌酸锂的光参量振荡器(PPMgLN-OPO)中，为了降低泵浦光的阈值功率，OPO腔镜的输入镜和输出镜都对振荡光(如信号光)高反，因而腔内循环的振荡光功率很高。PPMgLN晶体会因为吸收腔内的振荡光而产生热功率，导致晶体温度升高产生热效应，从而降低参量转换效率和输出激光的光束质量。

由此可见，非线性晶体吸收激光而产生热功率的现象对非线性转换过程具有很大的影响，详细研究这一现象是非常重要的。测量非线性晶体吸收激光而产生的热功率大小，可以判断非线性过程中晶体产生热效应的程度，进而可以进一步优化实验设计，是一项十分重要的研究课题。

目前测量非线性晶体吸收激光而产生热功率的大小的方法不多。A.Henderson等(Appl.Phys.B，vol(85)，2006：181-184)在PPLN-OPO实验中，首先通过实验测量OPO腔镜在信号光(振荡光)波长处的透射率，再根据OPO腔输出的信号光功率计算出腔内循环信号光的功率，然后根据所用的PPLN晶体在该波长信号光的吸收系数，计算出晶体吸收信号光产生的热功率。该方法过程较繁琐，而且一次只能得到晶体吸收某一特定波长信号光的功率。如果OPO进行调谐而改变信号光波长，那么又必须重新测量OPO腔镜在该波长处的透射率等。另外，如果PPLN晶体对OPO输出的泵浦光、闲频光也有一定的吸收，使用该方法便不容易测量其吸收激光而产生的热功率大小。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测量非线性晶体热功率大小的装置。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种测量非线性晶体热功率大小的装置，该装置包括非线性晶体101、温度传感器102、智能模块103、控温电源104、控温炉105和示波器106，其中：

非线性晶体101，放置于控温炉105内部，工作于某一设定的温度T₁条件下，起到激光变频的作用；

温度传感器102，用于测量非线性晶体101的实际工作温度T₀，并将该值反馈给智能模块103；

智能模块103，用于将温度传感器102测量到的非线性晶体101的实际工作温度T₀与设定的温度T₁比较，据此调节控温电源104向控温炉105输出的加热电压，将非线性晶体101控制于设定的工作温度T₁下；

控温炉105，采用加热丝作为加热元件；

温度传感器102、智能模块103、控温电源104和控温炉105构成控温系统001，示波器106实时测量控温电源104向控温炉105输出的加热电压的波形W。

上述方案中，所述非线性晶体101在未进行激光变频的时候，为了将非线性晶体101维持在设定的工作温度T₁条件下，控温电源104需要向控温炉105输出一定的加热电压，示波器106记录下一段时间t内控温电源104向控温炉105输出的加热电压波形W₁，根据加热电压波形W₁和控温炉105内部加热电阻丝的电阻值可以计算出控温炉105产生的加热电功率大小P₁；所述非线性晶体101在进行激光变频的时候，为了将非线性晶体101仍然维持在设定的工作温度T₁条件下，控温电源104需要向控温炉105输出不同的加热电压，示波器106记录下此种情况下一段时间t内控温电源104向控温炉105输出的电压波形W₂，根据电压波形W₂和控温炉105内部加热电阻丝的电阻值计算出控温炉105产生的加热电功率大小P₂。

上述方案中，所述控温炉105产生的加热电功率大小P₁和P₂之间存在差异，此差异值P₁-P₂即为非线性晶体101在进行激光变频的过程中因吸收激光而产生的热功率的大小。

上述方案中，所述非线性晶体101包括PPLN、PPKTP、PPLT、KTP、LBO或BBO晶体。

上述方案中，所述非线性晶体101进行的激光变频过程包括光参量振荡、倍频以及和频。

上述方案中，所述非线性晶体101进行激光变频过程中吸收的激光是基频光，或者是变频光。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1、本发明提供的这种测量非线性晶体吸收激光而产生热功率的大小的方法，只需要在原有控温系统的基础上加上一台示波器即可完成测量，具有操作方便的优点。

2、本发明提供的这种测量非线性晶体吸收激光而产生热功率的大小的方法，只需要计算出非线性晶体分别在未进行激光变频和进行激光变频时控温炉产生的加热电功率大小P1和P2，即可得到非线性晶体吸收激光而产生热功率的大小(P1-P2)，具有计算简单的优点。

3、本发明提供的这种测量非线性晶体吸收激光而产生热功率的大小的方法，不论非线性晶体在激光变频过程中吸收的激光波长为多少，或者非线性晶体对于激光的吸收吸收系数为多少，或者非线性晶体对基频光或者变频光有吸收，采用该种方法都能够便捷地测量出非线性晶体吸收激光而产生的热功率的大小，具有适用范围广的优点。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明提供的测量非线性晶体因吸收激光而产生热功率的大小的装置的示意图；

图2是使用本发明提供的测量非线性晶体因吸收激光而产生热功率的大小的装置来测量PPMgLN-OPO实验中非线性晶体PPMgLN吸收激光而产生的热功率的大小的示意图；

图3是PPMgLN晶体未进行激光变频时，使用示波器206记录下控温电源204向控温炉205输出的加热电压波形W1的示意图；

图4是PPMgLN晶体进行激光变频时，使用示波器206记录下控温电源204向控温炉205输出的加热电压波形W2的示意图；

图5是不同泵浦功率条件下PPMgLN晶体吸收激光而产生热功率的大小的测量结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的测量非线性晶体因吸收激光而产生热功率的大小的装置的示意图，该装置包括：非线性晶体101、温度传感器102、智能模块103、控温电源104、控温炉105和示波器106。所述的非线性晶体101放置于控温炉105的内部，工作于某一设定的温度T₁条件下，起到激光变频的作用。所述的温度传感器102用于测量非线性晶体101的实际工作温度T₀条件下，并将该值反馈给智能模块103。所述的智能模块103将温度传感器102测量到的非线性晶体101的实际工作温度T₀与设定的温度T₁比较，据此调节控温电源104向控温炉105输出的加热电压，由此达到将非线性晶体101控制于设定的工作温度T₁条件下的作用。所述的温度传感器102、智能模块103、控温电源104和控温炉105组成控温系统001。所述的示波器106实时测量控温电源104向控温炉105输出的加热电压的波形W。控温电源104向控温炉105输出的加热电压的有效值U＝24V，控温炉105内部采用电阻值R＝34Ω的康铜丝作为加热丝，温度传感器102使用Pt100热敏电阻，智能模块103采用AI-708型智能模块。

其中，非线性晶体分别在未进行激光变频和进行激光变频的时候，为了将非线性晶体101维持在设定的工作温度T₁条件下，控温电源104需要向控温炉105输出不同的加热电压。示波器106分别测量未进行激光变频和进行激光变频的时候控温电源104向控温炉105输出的加热电压的波形W₁和W₂，由此可以计算出控温炉105产生的加热电功率大小P₁和P₂。由于非线性晶体101在进行激光变频的过程中吸收激光会产生一定的热功率，所以控温炉105产生的加热电功率大小P₁和P₂之间存在差异，此差异值(P₁-P₂)即为非线性晶体101在进行激光变频的过程中吸收激光而产生的热功率的大小。

非线性晶体101在未进行激光变频的时候，为了将非线性晶体101维持在设定的工作温度T₁下，控温电源104需要向控温炉105输出一定的加热电压，示波器106记录下一段时间t内控温电源104向控温炉105输出的加热电压波形W₁，根据加热电压波形W₁、加热有效电压值24V和控温炉105内部加热丝的电阻值34Ω可以计算出控温炉105产生的加热电功率大小P₁，其计算公式为：

$P_1=\frac{U^2}{R}\×\frac{t_0}{t}$

其中，U为加热电压有效值，R为加热丝的电阻值，t₀为控温电源104工作时间，t为总测量时间(t₀，t均可由加热电压波形W₁得出)。非线性晶体101在进行激光变频的时候，为了将非线性晶体101仍然维持在设定的工作温度T₁条件下，控温电源104需要向控温炉105输出不同的加热电压，示波器106记录下此种情况下一段时间t内控温电源104向控温炉105输出的电压波形W₂，同样根据加热电压波形W₂、加热电压有效值24V和控温炉105内部加热电阻丝的电阻值34Ω可以计算出控温炉105产生的加热电功率大小P₂。由于非线性晶体101在进行激光变频的过程中吸收激光会产生一定的热功率，所以控温炉105产生的加热电功率大小P₁和P₂之间存在差异，此差异值(P₁-P₂)即为非线性晶体101在进行激光变频的过程中吸收激光而产生的热功率的大小。

不论非线性晶体101在激光变频过程中吸收的激光波长为多少，或者非线性晶体101对于激光的吸收吸收系数为多少，或者非线性晶体101对基频光或者变频光有吸收，采用该种方法都能够便捷地测量出非线性晶体吸收激光而产生的热功率的大小。

实施例：

本发明的目的、特征及优点通过附图和实例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实例。

本实施例将使用本发明提供的这种测量非线性晶体吸收激光而产生热功率的大小的装置来测量PPMgLN-OPO实验中非线性晶体PPMgLN吸收激光而产生的热功率的大小。请参见图2、图3、图4和图5所示。

在图2中，201为非线性晶体，202为温度传感器，203为智能模块，204为控温电源，205为控温炉，206为示波器，207为1064nm脉冲泵浦光源，208为激光光路，209为光学隔离器，210为会聚透镜，211为OPO输入镜，212为OPO输出镜，213为45°滤镜，214为功率计，215为垃圾桶。

温度传感器202、智能模块203、控温电源204和控温炉205构成控温系统002。控温系统002控制非线性晶体201的工作温度，示波器206测量控温系统002中的控温电源204向控温炉205输出的加热电压。控温电源204向控温炉205输出的加热电压的有效值为24V，控温炉205内部采用电阻值为34Ω的康铜丝作为加热丝，温度传感器202为Pt100热敏电阻，智能模块203采用AI-708型智能模块。

1064nm脉冲泵浦光源207、光学隔离器209、会聚透镜210、OPO输入镜211、非线性晶体201、OPO输出镜212、45°滤镜213和功率计214依次放于同一光路上。1064nm脉冲泵浦光源207输出近基模光束，脉冲重频为10kHz，脉宽60ns，最高输出功率为22W。1064nm脉冲泵浦光源207输出的激光经会聚透镜210后，聚焦在非线性晶体201的中心，聚焦直径为0.6mm。非线性晶体201为PPMgLN晶体，尺寸为30×12×2mm³，极化周期为29.35μm，两端面镀对信号光、闲频光、泵浦光高透射率膜(R＜1％1.3--1.5μm，R＜1.5％3.6--4.7μm，R＜2％1.064μm)，晶体工作在设定的温度T₁＝80℃条件下。OPO输入镜211为平面镜，材料为石英，表面镀对泵浦光高透射率，对信号光和闲频光高反射率薄膜(T＝99.0％1.064μm，R＞99.9％1.3--1.5μm，R＞99.0％3.6--4.7μm)；OPO输出镜212为平面镜，材料为CaF₂，表面镀对泵浦光和信号光高反射率，对闲频光高透射率薄膜(R＝98.0％1.064μm，R＞99.5％1.3--1.5μm，T＞98.0％3.6--4.7μm)。OPO输入镜211和OPO输出镜212空间距离为65mm，组成对信号光单共振的谐振腔。45°滤镜213表面镀对泵浦光和信号光高反射率，对闲频光高透射率薄膜(R＝98.0％1.064μm，R＞99.5％1.3--1.5μm，T＞98.0％3.6--4.7μm，45°入射条件)。功率计214测量透过45°滤镜213的闲频光功率，垃圾桶215接收45°滤镜213反射出来的泵浦光和信号光。

实验时，非线性晶体201设定的温度T₁始终保持为80℃。当非线性晶体201未进行激光变频时，即1064nm脉冲泵浦光源207输出的激光功率为0W时，使用示波器206记录下控温电源204向控温炉205输出的加热电压波形W₁(记录时间为50s)，记录结果如图3所示。由波形W₁、加热有效电压值24V和控温炉205中加热丝电阻值为34Ω这些数据，可以计算出控温炉205产生的加热电功率大小P₁值为1.5W。当1064nm脉冲泵浦光源207输出的激光功率为最大值22W时，功率计214测量得到闲频光功率为3.4W。同样使用示波器206记录下控温电源204向控温炉205输出的加热电压波形W₂(记录时间为50s)，记录结果如图4所示。可以看到，加热电压波形W₂与W₁之间具有明显差别。同理可以计算出控温炉205产生的加热电功率大小P₂值为6.3W。因此，非线性晶体201在22W脉冲激光泵浦条件下，由于吸收激光而产生热功率的大小值为(P₁-P₂)＝6.3W-1.5W＝4.8W。采用相同的方法，可以测量不同泵浦功率条件下非线性晶体201吸收激光而产生热功率的大小，测量结果参见图5所示。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量非线性晶体热功率大小的装置，其特征在于，该装置包括非线性晶体(101)、温度传感器(102)、智能模块(103)、控温电源(104)、控温炉(105)和示波器(106)，其中：

非线性晶体(101)，放置于控温炉(105)内部，工作于某一设定的温度T₁条件下，起到激光变频的作用；

温度传感器(102)，用于测量非线性晶体(101)的实际工作温度T0，并将该值反馈给智能模块(103)；

智能模块(103)，用于将温度传感器(102)测量到的非线性晶体(101)的实际工作温度T₀与设定的温度T₁比较，据此调节控温电源(104)向控温炉(105)输出的加热电压，将非线性晶体(101)控制于设定的工作温度T₁下；

控温炉(105)，采用加热丝作为加热元件；

温度传感器(102)、智能模块(103)、控温电源(104)和控温炉(105)构成控温系统(001)，示波器(106)实时测量控温电源(104)向控温炉(105)输出的加热电压的波形W。

2.根据权利要求1所述的测量非线性晶体热功率大小的装置，其特征在于，

所述非线性晶体(101)在未进行激光变频的时候，为了将非线性晶体(101)维持在设定的工作温度T₁条件下，控温电源(104)需要向控温炉(105)输出一定的加热电压，示波器(106)记录下一段时间t内控温电源(104)向控温炉(105)输出的加热电压波形W₁，根据加热电压波形W₁和控温炉(105)内部加热电阻丝的电阻值可以计算出控温炉(105)产生的加热电功率大小P₁；

所述非线性晶体(101)在进行激光变频的时候，为了将非线性晶体(101)仍然维持在设定的工作温度T₁条件下，控温电源(104)需要向控温炉(105)输出不同的加热电压，示波器(106)记录下此种情况下一段时间t内控温电源(104)向控温炉(105)输出的电压波形W₂，根据电压波形W₂和控温炉(105)内部加热电阻丝的电阻值计算出控温炉(105)产生的加热电功率大小P₂。

3.根据权利要求2所述的测量非线性晶体热功率大小的装置，其特征在于，所述控温炉(105)产生的加热电功率大小P₁和P₂之间存在差异，此差异值P₁-P₂即为非线性晶体(101)在进行激光变频的过程中因吸收激光而产生的热功率的大小。

4.根据权利要求1所述的测量非线性晶体热功率大小的装置，其特征在于，所述非线性晶体(101)包括PPLN、PPKTP、PPLT、KTP、LBO或BBO晶体。

5.根据权利要求1所述的测量非线性晶体热功率大小的装置，其特征在于，所述非线性晶体(101)进行的激光变频过程包括光参量振荡、倍频以及和频。

6.根据权利要求1所述的测量非线性晶体热功率大小的装置，其特征在于，所述非线性晶体(101)进行激光变频过程中吸收的激光是基频光，或者是变频光。

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