CN102175429B - 一种激光器热焦距的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光器热焦距的测量方法，步骤包括：构建一个存在像散的谐振腔，腔内有辅助透镜，对确定参数的像散腔，对应着确定焦距的辅助透镜使某分臂子午面和弧矢面束腰相等；计算某分臂上子午面与弧矢面内束腰相等时辅助透镜焦距与分臂长度的对应关系；在该谐振腔中，用增益介质代替辅助透镜，输出激光，用探测装置观察输出激光光斑样式，当输出光任意两点的光斑样式均为圆形时，增益介质的热焦距与辅助透镜焦距相等，记录此时的泵浦功率；依据分臂长度与辅助透镜焦距的一一对应关系和分臂长度与泵浦功率的一一对应关系，得到激光器的热焦距。该方法装置简单，操作方便，不易损坏激光增益介质，测量误差小。

Description

一种激光器热焦距的测量方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种利用像散腔测量激光器热焦距的方法。

背景技术

以激光器为核心的激光技术，对先进制造业、科学技术、医疗技术和国防科技的进步与发展起到越来越重要的作用。随着工业和科技的发展，各种研究领域对作为抽运源的单频绿光激光器的功率和光束质量提出愈来愈高的要求，需求牵引了全固态高功率单频激光器的研究。另一方面，高功率半导体激光器、各种光学材料、控制技术的发展也为全固态高功率单频激光器研究工作的开展提供了可能。但是，与中小功率激光器相比，激光器的输出功率并不会随着泵浦功率的增大而简单地增大。在高功率泵浦下，会引发许多新的问题需要我们去探索。

由于荧光过程的量子效率小于1，部分光子能量散失到基质晶格中转换为热；泵浦带和荧光能级间的能量差通过无辐射跃迁散失到基质晶格中转换为热，在激光晶体内引起强烈的热透镜效应。对于设计优化大功率固体激光器，激光晶体的热焦距是一个重要参数[Opticscommunications，Vol-156，P-49(1998)]，它严重影响激光器的光束质量及输出功率的进一步提高。因此，在设计具有最优效率、高稳定性和优良光束质量的高功率固体激光器时，通过一定的技术手段对激光晶体的热焦距进行测量，尤其是精确地测量，是高功率激光器设计中非常重要的一步。

对于激光器热焦距的测量，研究工作者进行了大量的研究工作，提出多种测量激光晶体热焦距的方法。如：探针光束直接测量法[APPLIED OPTICS，Vol-9，P-2548(1970)]，一束探针光经过准直后入射到激光晶体内，在泵浦光作用下，激光晶体即相当于一个薄透镜，这样对准直的探针光产生聚焦的效果，我们通过对探测光经热透镜聚焦后焦点的测量即可直接测量出热透镜焦距的大小。在具体的操作过程中，焦点位置可以通过直接观察法或光电探测器、光束质量分析仪辅助观察等方法进行判断。该方法操作起来简单易行，但存在诸多的缺点，一是光路的准直对测量影响较大，因为在二极管泵浦的固体激光器中，泵浦区域与非泵浦区域温度分布有较大的差别，如果准直不佳会导致测量误差加大；二是探针光与激光腔内振荡光的波长有一定差别，从而使得经晶体出射后的光束相位变化不同，从而产生误差；三是该测量方法通过肉眼分辨探测光的焦点位置，本身就存在误差，况且当泵浦光较弱或较强时，热焦距相应就会较长或较短，这样通过肉眼测量本身就很难分辨出焦点的位置，而通过探测器或者光束质量分析仪进行测量同样存在误差。最后，该测量方法是在没有激光产生的条件下测量晶体的热焦距，从而使得测量的值比激光稳定工作时的热透镜效应要严重，也就不能精确地表示激光稳定工作点的热焦距的实际大小。

另外一种常用的测量方法是界稳腔测量法[Chinese Physics Letter，Vol-16，P-181(1999)]。该方法采用两面平面镜构成的谐振腔来测量热焦距的大小，具体实施办法是调整两面或者其中一面腔镜，当谐振腔处于临界状态时，恰好无激光振荡，此时该谐振腔对应的腔长即为此时激光晶体处的热焦距的大小。该方法仍然存在较大的误差。首先，同探针测量法一样，其光路的准直比较困难；其次，该测量方法仍然是在没有激光振荡的情况下对热焦距的测量，这样本身就不能代表激光实际工作点的热焦距大小，尤其当泵浦功率较高时，无法真实地代表工作物质实际工作点的热焦距大小；第三，界稳腔的不对准程度严重影响测量热焦距值的大小。

综上所述，由于以上两种测量方法均是在无激光振荡的情况下对热焦距的测量，测量结果均无法精确地代表激光稳定运转时增益介质中实际热焦距的大小，因而均存在较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速、精确测量激光器热焦距的方法。

本发明利用了在像散腔中插入确定焦距的辅助透镜15时，像散腔某一分臂上子午面和弧矢面内的稳区范围存在交点(满足稳定性条件)。仅仅在交点处，子午面和弧矢面内的束腰相等。对于确定的像散腔，对应一个确定焦距的辅助透镜，使它某一分臂上子午面和弧矢面内的腰斑大小相等。而将其它焦距的辅助透镜插入像散腔时，子午面和弧矢面内的束腰大小都不相等。这样，具有以上特性的像散腔，其腔长与辅助透镜的焦距有一一对应关系。同时，在实际的激光器中，在确定腔长下改变泵浦功率，输出激光的光斑样式为圆形时(在光传播方向上任意两点均为圆形)，对应一个确定的泵浦功率点，这时增益介质的热焦距与对应腔长下辅助透镜的热焦距相等。变换不同的腔长，可以得到泵浦功率与像散腔腔长的一一对应关系。最后，利用泵浦功率与像散腔参数的对应关系，及热焦距与像散腔参数的关系，建立起热焦距与泵浦功率之间的关系。

本发明提供的一种激光器热焦距的测量方法，包括以下步骤：

1)、构建一个存在像散的谐振腔，腔内设置辅助透镜15，使谐振腔子午面和弧矢面的稳区有交叉部分，即该谐振腔为像散稳定腔；

在腔镜的选择上，当选用离轴放置的球面镜作为输出镜时，该球面镜应为两表面曲率半径相等的凹凸镜或者凸凹镜，防止光束透过输出镜时，产生附加像散。对于存在像散的激光谐振腔来说，谐振腔稳区是子午面和弧矢面稳区的交集。满足稳定条件的像散腔，子午面和弧矢面的稳定区必然存在交叉部分，该交叉部分是激光谐振腔的稳定区，满足上述条件的腔称为像散稳定腔。在像散稳定腔内插入一个透镜时，在确定的分臂上，子午面与弧矢面内腰斑随辅助透镜15焦距变化的关系曲线存在一个交点，在该交点处，子午面和弧矢面内的腰斑大小相等。

2)、将谐振腔的分臂14选为变量，其它分臂长度不变，用ABCD矩阵方法计算出谐振腔子午面和弧矢面腰斑相等时分臂14长度与辅助透镜15焦距的对应关系；

要使像散稳定腔子午面与弧矢面的腰斑大小相等，辅助透镜15的焦距与分臂14的长度需满足特定的一一对应关系。即对于一定的分臂14的长度，辅助透镜15的焦距也是确定的。根据上述原理，利用像散稳定腔的ABCD矩阵分析方法，可以得到辅助透镜15焦距与分臂14长度的对应关系。该对应关系的产生可用如下三种方法：1.用逐点计算的方法得到分臂14的长度与辅助透镜15焦距的关系列表。2.用数值计算的方法得到分臂14的长度与辅助透镜15焦距的对应关系曲线。3.用解析法得到分臂14的长度与辅助透镜15焦距的函数关系式。

3)、在上述谐振腔中，用增益介质12代替辅助透镜15，输出激光，对于确定参数的谐振腔，改变泵浦光功率，利用探测装置8观察输出激光的光斑样式，当输出光方向上任意两点的光斑样式均为圆形时，此时增益介质12的热焦距与辅助透镜15的焦距相等，记录此时的泵浦功率；

所述的探测装置8是不透光平面、探片或CCD。观察光斑的形状可采用三种方法：1.用不透光平面(如普通的纸、板)，用肉眼直接观察光斑的形状。2.不可见光波段可以用探片或CCD观察。3.不可见光波段也可以用非临界相位匹配的非线性晶体变换为可见光后直接观察。测量过程中，当输出光方向上只有一点的光斑样式均为圆形时，不能说明分臂14上子午面和弧矢面的腰斑大小相等。只有当输出光方向上任意两点的光斑样式均为圆形时，才能说明在分臂14上子午面和弧矢面的腰斑大小相等。

4)改变分臂14长度，重复步骤3)，建立泵浦功率与分臂14长度的对应关系；

5)、依据辅助透镜15的焦距与分臂14长度的对应关系和泵浦功率与分臂14长度的对应关系，得到热焦距与泵浦功率的对应关系，即可测得激光器的热焦距。

辅助透镜15的焦距与分臂14的长度具有一一对应关系，泵浦功率与分臂14的长度具有一一对应关系。当输出光方向上任意两点的光斑样式均为圆形时，增益介质12的热焦距与辅助透镜15的热焦距相等。从而，用分臂14的长度这一桥梁建立起热透镜焦距与泵浦功率的对应关系，采用间接的方法得到了不同泵浦功率下的热焦距值。

本发明所述测量热焦距的方法与传统的测量方法相比具有以下优点：

(1)该热焦距的测量方法装置简单，可通过直接观察的方法实现，方便操作。

(2)测量是在激光器正常运转时进行的，与界稳腔法和探针法相比，激光增益介质中的热载较小，增益介质不易损坏。

(3)与探针法、界稳腔法相比，该方法测量时，激光器的工作条件与实际激光器稳定运转时的工作条件相似，测量结果更能反映实际工作中增益介质的热焦距值。

(4)与探针法相比，不存在因探针光波长不同造成的误差，因而测量误差小，所测得的热焦距更加精确。

(5)与界稳腔测量法相比，不存在因对不准造成的误差，因而测量误差小，所测得的热焦距更加精确。

附图说明

图1是典型的像散腔示意图

图2是内腔倍频四镜环形谐振腔测试示意图

图3是三镜环形谐振腔测试示意图

图4是六镜环形谐振腔输出的基频光一次通过倍频晶体的测试示意图

图中：第一平面镜-1；第二平面镜-2；第三平面镜-3；第四平面镜-4；平凹镜-5；凸凹镜-6；输出激光-7；探测装置-8；倍频晶体-9；泵浦光整形聚焦系统-10；激光泵浦源-11；激光增益介质-12；聚焦透镜-13；分臂-14；辅助透镜-15。

图5是四镜环形谐振腔分臂14子午面与弧矢面内腰斑随辅助透镜15焦距变化趋势图。图中：粗线代表分臂14子午面内的束腰大小，细线代表分臂14弧矢面内的束腰大小；f_th代表辅助透镜15的焦距，ω₀₃₄代表分臂14内的束腰。

图6是实施例1中，输出激光的光斑样式示意图。图中：(a)、(b)、(c)分别表示输出激光光斑的形状随着泵浦功率增大的变化情况，当光斑变为(b)图所示的情形时，图4中两曲线交点对应的横坐标值即为这一泵浦功率下增益介质的热焦距值。

图7是实施例1中，实际测得的Nd:YAP晶体处热焦距与泵浦功率的对应关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明：

实施例1.首先，构建如图1所示的四镜环形像散谐振腔。腔内设置一个辅助透镜15，辅助透镜15的焦距可变，使谐振腔子午面和弧矢面的稳区有交叉部分，即该谐振腔为像散稳定腔。用ABCD矩阵分析方法，分别计算得到像散腔子午面和弧矢面的光斑半径随辅助透镜15的焦距的变化曲线(如图5所示)，从图5中可以看出该关系曲线存在一个交点，在交点处子午面与弧矢面内的腰斑大小相等，记录下此时的谐振腔分臂14的长度以及交点处对应的辅助透镜15的焦距。第二步，我们分别计算了表1所列分臂14的长度下，分臂14上子午面和弧矢面内束腰相等时辅助透镜15焦距大小，计算结果如表1第二、三列所示。第三步，搭建该谐振腔，在腔内插入Nd:YAP晶体作为激光增益介质12取代辅助透镜15。采用如图2所示的四镜环形像散腔测量激光器增益介质12的热焦距，增益介质12采用Nd:YAP晶体，它的前后表面均镀有803nm减反膜，内腔倍频晶体9采用LBO晶体，采用非临界相位匹配实现倍频过程，调节谐振腔准直闭合后，获得540nm绿光输出；该四镜环形腔包括第一平面镜1，第二平面镜2，平凹镜5，凸凹镜6；其总腔长为632mm，其中第一平面镜1和第二平面镜-之间的距离为206.2mm，平凹镜5和凸凹镜6之间的距离(分臂14)为93.6mm，整个谐振腔由激光增益介质12和倍频晶体9中心线等分，且两端对称，平凹镜5和凸凹镜6的曲率半径均为100mm，其中输出镜为两表面曲率半径相同的凸凹镜6镀膜为对1080nm高反，540nm高透，另一片平凹镜5镀有1080nm高反膜，腔内振荡光在各腔镜处的入射角均为10°；选择探测装置8为黑色纸板，将输出的绿光打到探测装置8上，并前后移动探测装置8，在输出光方向上相距1m远的两个位置分别观察输出激光的光斑样式；随着泵浦功率的增加，我们观察到输出的激光光斑样式依次呈现出图6(a)、(b)、(c)所示形状，光斑样式为圆形时[如图6(b)所示]对应的泵浦功率为30.45W；保持其它分臂长度不变，调整分臂14的长度，重复此步操作，我们获得了分臂14长度与泵浦功率的对应关系，如表1第一、二列所示。最后，依据表1我们就可以得到热焦距与泵浦功率的对应关系，如图7和表1第一、三列所示。这样通过以上操作，我们就测得了不同泵浦功率下Nd:YAP晶体处的热焦距大小。

表1.是输出激光光斑样式为圆形时泵浦功率与分臂14长度、辅助透镜15焦距(热焦距)的对应关系

第一列	第二列	第三列
			泵浦功率(W)	分臂14长度(mm)	辅助透镜15(热焦距)(mm)
18.9	101.9	372
			22.05	99	300
23.1	97.8	283
			24.15	96.6	265.5
26.25	95	250
			28.35	94.2	242
30.45	93.6	238

实施例2：如图3，三镜环形谐振腔。首先，腔内设置一辅助透镜15，使谐振腔子午面和弧矢面的稳区有交叉部分，即该谐振腔为像散稳定腔。计算绘制出分臂14上束腰随热焦距变化的关系曲线，保证关系图存在交点。然后，计算不同分臂14长度下，分臂14上子午面与弧矢面内腰斑大小相等时的辅助透镜15焦距大小，绘制热焦距与分臂14长度的对应关系。然后，我们选择三镜环形像散腔对激光增益介质12处的热焦距进行测量，该三镜环形腔包括第一平面镜1，平凹镜5，凸凹镜6；选定该谐振腔的总腔长和分臂14的距离，以及两凹面镜的曲率半径，其中输出镜为两表面曲率半径相同的凸凹镜6镀膜为对腔内振荡光透射率为5％，同时选定振荡光在两凹面镜处的入射角，第三步，搭建该谐振腔，在腔内插入激光增益介质12取代辅助透镜15，经过准直闭合后，我们可获得红外激光输出；我们将探测装置8选择为CCD，将输出的红外打到CCD上，并前后移动CCD，观察输出激光的光斑样式，确保在相距任意一段距离的两个位置上输出激光的光斑样式均为圆形，记录此时的泵浦功率，变换不同分臂14长度，重复此步骤，我们就可以获得泵浦功率与分臂14长度的对应关系。最后，依据泵浦功率与分臂14长度的对应关系和辅助透镜15焦距与分臂14长度的对应关系，热焦距与辅助透镜15相等的关系，我们就可以得到热焦距与泵浦功率的对应关系。这样通过以上操作，我们就测得了不同泵浦功率下增益介质12处的热焦距大小。

实施例3：如图4，六镜环形谐振腔。首先，计算分臂14上的束腰随辅助透镜15焦距变化的关系曲线，确保关系曲线存在交点。然后，计算不同分臂14长度下，分臂14上子午面与弧矢面内腰斑大小相等时辅助透镜15焦距的大小，绘制热焦距与分臂14长度的对应关系。然后，选择六镜环形像散腔对激光增益介质12处的热焦距进行测量，该六镜环形腔包括第一平面镜1，第二平面镜2，第三平面镜3，第四平面镜4，平凹镜5，凸凹镜6；选定该谐振腔的总腔长和分臂14的距离，以及两凹面镜的曲率半径，其中输出镜为两表面曲率半径相同的凸凹镜6镀膜为对腔内振荡光透射率为2％，同时选定振荡光在两凹面镜处的入射角。第三，搭建该谐振腔，在腔内插入激光增益介质12取代辅助透镜15，其前后表面均镀有对泵浦光减反膜，经过准直闭合后，我们获得了红外激光输出，在红外光路中插入聚焦透镜13和倍频晶体9，让基频光一次穿过倍频晶体9，产生可见光；将探测装置8选择为不透光平面、探片或CCD，前后移动探测装置8，观察输出激光的光斑样式，确保在相距任意距离的两个位置上输出激光光斑均为圆形，记录此时的泵浦功率，变换不同的分臂14的长度，重复此步骤，我们就获得了泵浦功率与分臂14长度的对应。最后，依据泵浦功率与分臂14长度的对应关系和辅助透镜15焦距与分臂14长度的对应关系，热焦距与辅助透镜15相等的关系，我们就可以得到热焦距与泵浦功率的对应关系。这样通过以上操作，我们就测得了不同泵浦功率下增益介质12处的热焦距大小。

本发明核心思想是构造一个像散腔作为工具，利用泵浦功率与像散腔参数的对应关系，及热焦距与像散腔参数的关系，建立起热焦距与泵浦功率之间的关系。是一种间接测量热焦距的方法。

以上所列实施例仅仅是典型，所有利用像散稳定腔思想测量热焦距的方法都属于本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光器热焦距的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、构建一个存在像散的谐振腔，该谐振腔为四镜环形腔，由第一平面镜(1)、第二平面镜(2)、平凹镜(5)和凸凹镜(6)组成；在平凹镜(5)和凸凹镜(6)之间形成一分臂(14)；在第一平面镜(1)和第二平面镜(2)之间设置辅助透镜(15)，使谐振腔子午面和弧矢面的稳区有交叉部分，即该谐振腔为像散稳定腔；

2)、将步骤1)中形成的所述分臂(14)选为变量，其它分臂长度不变，用ABCD矩阵方法计算出谐振腔子午面和弧矢面腰斑相等时分臂(14)长度与辅助透镜(15)焦距的对应关系；

3)、在上述谐振腔中，用增益介质(12)代替辅助透镜(15)，输出激光，对于确定参数的谐振腔，改变泵浦光功率，利用探测装置(8)观察输出激光的光斑样式，当输出光方向上任意两点的光斑样式均为圆形时，此时增益介质(12)的热焦距与辅助透镜(15)的焦距相等，记录此时的泵浦功率；

4)、改变分臂(14)长度，重复步骤3)，建立泵浦功率与分臂(14)长度的对应关系；

5)、依据辅助透镜(15)的焦距与分臂(14)长度的对应关系和泵浦功率与分臂(14)长度的对应关系，得到热焦距与泵浦功率的对应关系，即测得激光器的热焦距。

2.根据权利要求1所述的一种激光器热焦距的测量方法，其特征在于，所述步骤1)、构建一个存在像散的谐振腔，该谐振腔为三镜环形腔，由第一平面镜(1)、平凹镜(5)和凸凹镜(6)组成；在平凹镜(5)和凸凹镜(6)之间形成一分臂(14)；在第一平面镜(1)和平凹镜(5)之间设置辅助透镜(15)，使谐振腔子午面和弧矢面的稳区有交叉部分，即该谐振腔为像散稳定腔。

3.根据权利要求1所述的一种激光器热焦距的测量方法，其特征在于，所述步骤1)、构建一个存在像散的谐振腔，该谐振腔为六镜环形腔，由第一平面镜(1)、第二平面镜(2)、第三平面镜(3)、第四平面镜(4)、平凹镜(5)和凸凹镜(6)组成；在平凹镜(5)和凸凹镜(6)之间形成一分臂(14)；在第一平面镜(1)和第二平面镜(2)之间设置辅助透镜(15)，使谐振腔子午面和弧矢面的稳区有交叉部分，即该谐振腔为像散稳定腔。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种激光器热焦距的测量方法，所述的探测装置(8)是不透光平面、探片或CCD。

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