CN101666706A - 测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置及方法。装置包括在同一光轴上依次放置的探测光源、第一透镜、第二透镜、第一双色反射镜、激光谐振腔后反镜、激光晶体、激光谐振腔输出镜、第二双色反射镜和纸屏组成；其中，所述第一透镜和第二透镜组成望远镜系统，第一透镜的焦距f₁＝10～500mm，第二透镜的焦距f₂＝10～500mm；第一透镜和第二透镜之间的距离d₁＝f₁+f₂＝20～1000mm。本发明可以实时在线地测量激光二极管端面抽运的固体激光器的热透镜焦距，测量结果精度较高。装置简单，不需要特殊的设备和仪器。方法操作简单，只需要测量纸屏上干涉条纹的半径，代入公式即计算得到热透镜焦距的结果。

Description

测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置及方法。

背景技术

在激光技术领域，测量固体激光器的热透镜焦距具有非常重要的实际意义，尤其对于大功率、高亮度的全固态激光器而言，只有准确的掌握了热透镜的焦距，才可以更加合理地设计激光谐振腔。常用的测量热透镜焦距的方法主要有探测光束会聚焦点测量法、波面干涉仪测量法和谐振腔稳定性测量法。上述第一种方法的测量精度较低，测量误差较大，实际测量中较少使用。第二种测量方法的结果最为准确，但是测量设备非常昂贵，操作复杂。其中第三种方法是目前使用最多的一种测量方法，测量结果比较准确，操作也比较简单。

但是谐振腔稳定性测量法对于激光二极管端面抽运的固体激光器而言，测量结果不够理想，主要原因在于这种方法不能实时在线测量。谐振腔稳定性测量法测量得到的结果都是激光器工作在介稳腔的条件下，而激光二极管端面抽运的固体激光器工作在介稳区和稳定区时激光器的热透镜条件相差较大，所以此时的测量结果并不能反映激光器工作在稳定区时的真实的热透镜焦距值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置及方法。

测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置包括在同一光轴上依次放置的探测光源、第一透镜、第二透镜、第一双色反射镜、激光谐振腔后反镜、激光晶体、激光谐振腔输出镜、第二双色反射镜和纸屏组成；其中，所述第一透镜和第二透镜组成望远镜系统，第一透镜的焦距f₁＝10～500mm，第二透镜的焦距f₂＝10～500mm；第一透镜和第二透镜之间的距离d₁＝f₁+f₂＝20～1000mm。

测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的方法包括以下步骤：

1)选择由第一透镜和第二透镜组成的望远镜系统的扩束比，即f₂/f₁，对探测光束进行扩束，使扩束后的探测光束直径大于激光晶体的直径；

2)调整由激光谐振腔后反镜、激光晶体和激光谐振腔输出镜组成的待测激光器，使待测激光器工作在待测量的状态；

3)在距离激光晶体2～10m的位置处放置纸屏，调整纸屏的方向使其垂直于测量装置的光轴，探测光束在纸屏上形成了干涉环，测量纸屏上从外向内的第一个亮环的半径r₀，第一个暗环的半径r₁和第二个暗环的半径r₂，测量纸屏和激光晶体之间的距离d₂；

4)激光晶体的热透镜焦距f通过以下公式计算得到

$f=\frac{2\mathrm{\λ}{d}_2^2}{r_1^2-r_2^2+2r_0^2\ln \frac{r_1}{r_2}},$ 其中λ为探测激光的波长。

本发明可以实时在线地测量激光二极管端面抽运的固体激光器的热透镜焦距，测量结果精度较高。装置简单，不需要特殊的设备和仪器。方法操作简单，只需要测量纸屏上干涉条纹的半径，代入公式即计算得到热透镜焦距的结果。

附图说明

图1是测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置的结构示意图；

图2是实施例1中探测光束在纸屏上形成的干涉图；

图3是实施例1在激光器不同工作条件下测量得到的热透镜焦距值。

具体实施方式

本发明的原理是：激光二极管端面抽运的固体激光器，其激光晶体横截面上的温度分布不同于传统的侧面抽运的固体激光器，不再是一个连续的抛物线形式的函数，而是一个抛物线函数与自然对数函数组成的分段函数。温度的变化会引起激光晶体的折射率变化，这样，激光晶体横截面上的折射率分布也是一个由抛物线函数与自然对数函数组成的分段函数。激光晶体横截面折射率分布的函数中总存在着这样一系列的点，其特点如下：在抛物线函数区域内的A点，与自然对数函数段区域的B点与之对应，如果A、B两点光程差为波长的整数倍，且法线方向一致，这样的A、B两点在远场干涉就可以形成亮环；如果A、B两点光程差为半波长的奇数倍，且法线方向一致，这样的A、B两点在远场干涉就可以形成暗环。当一束经过准直的探测光束经过具有这样折射率分布的激光晶体时，在远场就可以观测到明暗相间的干涉环。通过测量明暗条纹的参数就可以计算得到热透镜的焦距。

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置包括在同一光轴上依次放置的探测光源1、第一透镜2、第二透镜3、第一双色反射镜4、激光谐振腔后反镜5、激光晶体6、激光谐振腔输出镜7、第二双色反射镜8和纸屏9组成；其中，所述第一透镜2和第二透镜3组成望远镜系统，第一透镜2的焦距f₁＝10～500mm，第二透镜3的焦距f₂＝10～500mm；第一透镜2和第二透镜3之间的距离d₁＝f₁+f₂＝20～1000mm。

第一双色反射镜4对激光二极管输出的抽运光束具有高反射率(反射率大于99％)，对于探测光束具有低反射率。第二双色反射镜5对激光谐振腔输出的光束具有高反射率(反射率大于99％)，对于探测光束具有低反射率。

测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的方法包括以下步骤：

1)选择由第一透镜2和第二透镜3组成的望远镜系统的扩束比，即f₂/f₁，对探测光束进行扩束，使扩束后的探测光束直径大于激光晶体6的直径；

2)调整由激光谐振腔后反镜5、激光晶体6和激光谐振腔输出镜7组成的待测激光器，使待测激光器工作在待测量的状态；

3)在距离激光晶体2～10m的位置处放置纸屏9，调整纸屏9的方向使其垂直于测量装置的光轴，探测光束在纸屏9上形成了干涉环，测量纸屏9上从外向内的第一个亮环的半径r₀，第一个暗环的半径r₁和第二个暗环的半径r₂，测量纸屏9和激光晶体6之间的距离d₂；

4)激光晶体6的热透镜焦距f通过以下公式计算得到

$f=\frac{2\mathrm{\λ}{d}_2^2}{r_1^2-r_2^2+2r_0^2\ln \frac{r_1}{r_2}},$ 其中λ为探测激光的波长。

下面根据具体实施例进一步说明本发明。

实施例1：

实验中使用的探测光源1为波长532nm的绿色激光，激光器为基模输出，连续波方式工作，激光器出口处的激光光束半径约为0.3mm，远场发散角为1.13mrad。望远镜系统中第一透镜2的焦距为f₁＝15mm，到探测光源的距离为15mm，第二透镜3的焦距f₂＝70mm，第一透镜2和第二透镜3之间的距离d₁＝f₁+f₂＝85mm。探测光束经过望远镜系统后的光束半径约为1.5mm，远场发散角为0.25mrad。

波长为1064nm的全固态激光器的工作介质为Nd:YVO₄激光晶体，晶体切割方向为a-cut，Nd³⁺离子的掺杂浓度为0.2at.％，晶体横截面为矩形，矩形的尺寸为3mm×3mm，晶体长度为10mm。激光晶体使用0.1mm后的铟膜包裹后放置于紫铜夹具中，紫铜夹具采用通水冷却，实验中水温设置为25℃。全固态激光器采用波长为808nm的激光二极管端面抽运方式工作，波长808nm的抽运光束被第一双色反射镜4反射后进入激光晶体6，调节激光谐振腔后反镜5和激光谐振腔输出镜7获得波长为1064nm的激光输出。实验中的抽运光功率为50W，获得激光输出为20W，激光晶体内部沉积的热量约为30W。

波长为1064nm的激光被第二双色反射镜8反射，探测光束经过第二双色反射镜8后透射，照射在纸屏9上。调整纸屏的方向与系统光轴垂直，实验中得到的纸屏上的干涉环如图2所示。纸屏距离激光晶体端面的距离为d₂＝5m，测量纸屏上从外向内的第一个亮环的半径r₀，第一个暗环的半径r₁和第二个暗环的半径r₂分别为：r₀＝22mm，r₁＝20mm，r₂＝17mm。代入以下公式计算

$f=\frac{2\mathrm{\λ}{d}_2^2}{r_1^2-r_2^2+2r_0^2\ln \frac{r_1}{r_2}}$ (其中λ为探测激光的波长)，得到在上述工作条件下的激光晶体的热透镜焦距f＝93mm。

改变波长为808nm抽运光束的功率为40W，获得激光输出为16W，激光晶体内部沉积的热量约为24W，按照上述步骤测量得到的热透镜焦距为119mm。图3示出了不同抽运功率条件下的激光晶体的热透镜焦距，都是在激光输出的同时实时在线地测量，从测量结果看热透镜焦距与激光晶体内沉积的热量符合良好的反比关系，验证了本发明测量装置和方法的有效性。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的装置，其特征在于包括在同一光轴上依次放置的探测光源(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第一双色反射镜(4)、激光谐振腔后反镜(5)、激光晶体(6)、激光谐振腔输出镜(7)、第二双色反射镜(8)和纸屏(9)组成；其中，所述第一透镜(2)和第二透镜(3)组成望远镜系统，第一透镜(2)的焦距f₁＝10～500mm，第二透镜(3)的焦距f₂＝10～500mm；第一透镜(2)和第二透镜(3)之间的距离d₁＝f₁+f₂＝20～1000mm。

2.使用如权利要求1所述装置的测量端面抽运的固体激光器的热透镜焦距的方法，包括以下步骤：

1)选择由第一透镜(2)和第二透镜(3)组成的望远镜系统的扩束比，即f₂/f₁，对探测光束进行扩束，使扩束后的探测光束直径大于激光晶体(6)的直径；

2)调整由激光谐振腔后反镜(5)、激光晶体(6)和激光谐振腔输出镜(7)组成的待测激光器，使待测激光器工作在待测量的状态；

3)在距离激光晶体(6)2～10m的位置处放置纸屏(9)，调整纸屏(9)的方向使其垂直于测量装置的光轴，探测光束在纸屏(9)上形成了干涉环，测量纸屏(9)上从外向内的第一个亮环的半径r₀，第一个暗环的半径r₁和第二个暗环的半径r₂，测量纸屏(9)和激光晶体(6)之间的距离d₂；

4)激光晶体(6)的热透镜焦距f通过以下公式计算得到

$f=\frac{{2\mathrm{\λd}}_2^2}{r_1^2-r_2^2+{2r}_0^2\ln \frac{r_1}{r_2}},$ 其中λ为探测激光的波长。

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