CN102768202A - 包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射的检测装置及检测方法，检测装置包括第一激光光源、光束整形透镜组、分光镜、第一全反镜、光束定位系统、待测样品、激光强度探测器、剩余反射探测器和数据处理系统，上述元部件的位置关系如下：沿第一激光光源的激光输出方向依次是光束整形透镜组和分光镜，该分光镜将入射光分为透射光和反射光，在该反射光方向是所述的激光强度探测器，在所述的透射光方向依次是所述的第一全反镜、光束定位系统、待测样品和剩余反射探测器，所述的激光强度探测器和剩余反射探测器的输出端与所述的数据处理系统的输入端相连。本发明可根据实际情况需要测定不同入射角度和不同位置的包边剩余反射，测量精度高。

Description

包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种掺钕激光玻璃（简称钕玻璃）检测技术，尤其是涉及一种包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射检测装置及检测方法。

背景技术

钕玻璃作为激光材料应用非常广泛，具有吸收光谱范围大，吸收系数大，荧光寿命高，受激发射截面大，并且为四能级系统，具有良好的光谱性能，非常适合作为激光材料。钕玻璃具有良好成熟的熔制工艺，能够制造各种规格尺寸的产品，特别是超大尺寸钕玻璃目前是高功率激光系统最成熟可靠的放大介质，广泛应用于国际上各种高功率激光装置，例如美国的国家点火装置，我国的神光工程等。钕玻璃作为放大工作介质时，受激自发辐射（简称ASE）会严重影响放大增益，降低放大效率，增加激光装置成本。将钕玻璃除通光面的其它四个侧面通过胶合的方式接上吸收激光波长的玻璃，破坏钕玻璃ASE放大过程，称为钕玻璃包边。通过钕玻璃包边，可以极大地降低钕玻璃ASE对放大增益的影响，基本消除ASE影响。在钕玻璃包边中，钕玻璃、胶合层和包边玻璃之间折射率匹配度是影响钕玻璃包边降低ASE的关键，衡量钕玻璃包边质量的最重要参数，在高功率激光装置中，主放工作介质均采用大尺寸钕玻璃，口径从300mm*600mm*35mm到400mm*800mm*45mm不等，除两个大通光面外，其它四个面进行钕玻璃包边，尽量消除ASE的影响。钕玻璃包边质量优劣直接影响消除ASE的程度，钕玻璃包边剩余反射是表征钕玻璃包边质量最合适的参数。钕玻璃与胶合层界面反射以及包边玻璃与胶合层界面反射总和称为钕玻璃包边剩余反射。在实际高功率激光装置中，采用的都是包边完好的大尺寸钕玻璃，测量该规格的钕玻璃包边剩余反射能够真实反应钕玻璃包边质量，为钕玻璃在装置中的应用提供实时真实有效的钕玻璃包边剩余反射，为抑制ASE提供准确数据。

高功率激光装置中，主放大器中采用完好包边的钕玻璃的尺寸规格都比较大，直接测量大尺寸规格钕玻璃包边剩余反射目前国内外未见报道或专利。本发明针对大尺寸钕玻璃，提出一种能够准确测量包边大尺寸钕玻璃的包边剩余反射的方法，

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射检测装置及检测方法，可根据实际情况需要测定不同入射角度和不同位置的钕玻璃包边剩余反射，测量精度高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射的检测装置，其特点在于该装置包括第一激光光源、光束整形透镜组、分光镜、第一全反镜、光束定位系统、待测样品、激光强度探测器、剩余反射探测器和数据处理系统，上述元部件的位置关系如下：

沿第一激光光源的激光输出方向依次是光束整形透镜组和分光镜，该分光镜将入射光分为透射光和反射光，在该反射光方向是所述的激光强度探测器，在所述的透射光方向依次是所述的第一全反镜、光束定位系统、待测样品和剩余反射探测器，所述的激光强度探测器和剩余反射探测器的输出端与所述的数据处理系统的输入端相连。

所述的激光光源安装在光学基座上，该激光光源的激光波长为1053nm，所述的光束整形透镜组和分光镜都安装在能水平和俯仰进行转动的调整架上，所述的待测样品安装在样品平台上，该样品平台能够进行俯仰和水平调整，待测样品为长方体，由钕玻璃、胶合层、包边玻璃三部分组成，所述的光束定位系统包括水平移动和上下移动模块、两组转光镜以及放置转光镜的调整架，调整架具有水平和俯仰转动调整功能；所述激光强度探测器和剩余反射探测器与数据处理系统相连接。

还有第二全反镜和其它波长激光器，在所述的激光光源和光束整形透镜组之间设有与光路成45°的第二全反镜的插入口，通过插入第二全反镜，引入其它波长激光器的激光进行测量。

所述激光强度探测器和剩余反射探测器均为点探测器，所述激光强度探测器响应灵敏度与激光器输出激光强度匹配，剩余反射探测器响应灵敏度与钕玻璃包边剩余反射强度相匹配。

利用所述的检测装置对包边钕玻璃剩余反射的检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

①调节第一激光光源、光束整形透镜组、分光镜、第一全反镜、光束定位系统、激光强度探测器和剩余反射探测器，使得激光光束位于它们的中心且同轴；

②调整光束整形透镜组，降低激光输出的发散角；

③启动第一激光光源，使得输出激光保持稳定；

④调整样品台，使待测样品两个最大面保持竖直状态并固定之；

⑤调节所述的光束定位系统，使测试光束以所需检测的角度入射到待测样品需检测的位置；

⑥开始测量，读取激光强度探测器的能量测量值E1和剩余反射探测器的能量测量值E2并输入所述的数据处理系统；

⑦所述的数据处理系统按下列剩余反射计算公式进行计算钕玻璃剩余反射率R（θ）：，

$R{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{residual}}=\frac{1}{(1-R_1)(1-R_2)}\frac{E2}{E1}S$

其中：R₁为入射到钕玻璃表面的反射率，R₂为从钕玻璃出射到空气的反射率，R₁和R₂可根据菲涅尔反射定律计算得到，θ为入射角，根据光束入射角度和钕玻璃折射率采用反射定律计算获得，s为所述的分光镜的分光比。

所述的检测方法，还包括步骤⑧，重复所述的步骤④至步骤⑦，以测量不同位置和不同入射角度的包边剩余反射。

所述的检测方法，其特征在于还包括步骤⑨，在所述的第二全反镜的插入口中插入第二全反镜，引入其他波长激光器，并重复所述的步骤④至步骤⑧，以获得相应激光波长的不同位置和不同入射角度的包边剩余反射。。

本发明的优点在于：

本发明利用插入第二全反镜，可引入其它波长激光器，因此可根据实际需要选择激光器；采用双光路结构可有效减小能量起伏带来的影响；采用光束定位系统，能够测量不同入射角度和不同入射位置完好包边钕玻璃的包边剩余反射；剩余反射探测器响应灵敏度高，并且激光器输出能量高，能够高精度测量微小的钕玻璃包边剩余反射。采用数据处理系统，能够快速自动测量，减少人为误差。并且该装置结构简单，使用方便，成本低，非常实用。

附图说明

图1为本发明检测装置实施例的结构示意图。

图2为本发明光束定位系统的结构示意图。

图3为本发明样品示意图。

图4为包边界面剩余反射光路传输示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细阐述。

先请参见图1，图1为本发明检测装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射的检测装置包括第一激光光源1、光束整形透镜组4、分光镜5、第一全反镜7、光束定位系统8、待测样品9、激光强度探测器6、剩余反射探测器10和数据处理系统11，上述元部件的位置关系如下：

沿第一激光光源1的激光输出方向依次是光束整形透镜组4和分光镜5，该分光镜5将入射光分为透射光和反射光，在该反射光方向是所述的激光强度探测器6，在所述的透射光方向依次是所述的第一全反镜7、光束定位系统8、待测样品9和剩余反射探测器10，所述的激光强度探测器6和剩余反射探测器10的输出端与所述的数据处理系统11的输入端相连。

所述的第一激光光源安装在光学基座上，该激光光源的激光波长为1053nm，所述的光束整形透镜组4和分光镜5都安装在能水平和俯仰进行转动的调整架上，所述的待测样品安装在样品平台上，该样品平台能够进行俯仰和水平调整，待测样品9为长方体，由钕玻璃9-A、胶合层9-B、包边玻璃9-C三部分组成，所述的光束定位系统8包括水平移动和上下移动模块、两组转光镜以及放置转光镜的调整架，调整架具有水平和俯仰转动调整功能。

本实施例中还有第二全反镜3和其它波长激光器2，在所述的激光光源1和光束整形透镜组4之间设有与光路成45°的第二全反镜3的插入口，通过插入第二全反镜3，可引入其它波长激光器（2）的激光进行测量。

所述激光强度探测器和剩余反射探测器均为点探测器，所述激光强度探测器响应灵敏度与激光器输出激光强度匹配，剩余反射探测器响应灵敏度与钕玻璃包边剩余反射强度相匹配。

如图2所示，所述的光束定位系统8包括转光镜8-1，水平移动模块8-2，调整架8-3，转光镜8-4，调整架8-5，上下移动模块8-6。其中转光镜8-1固定在调整架8-3上，调整架8-3能够进行水平和俯仰转动调节；转光镜8-4固定在调整架8-5上，调整架8-5能够进行水平和俯仰转动调节，调整架8-5固定在上下移动模块8-6；调整架8-3、上下移动模块8-6固定在水平移动模块8-2上。

如图3所示，图3为本发明待测样品示意图。9-1为样品剖视图，9-2为样品正视图，9-3为样品三维图。样品为长方体，由钕玻璃C、胶合层B和包边玻璃A组成，其中钕玻璃为长方体，尺寸规格包含各种激光装置所用的各种尺寸规格钕玻璃，如利弗莫尔实验室采用的大面尺寸为400mm×800mm的钕玻璃，胶合层B厚度一般在200微米以内，包边玻璃A厚度一般在20mm以内。

激光器1的激光波长一般为1053nm，单次能量1焦耳以上，脉宽为40纳秒以内。连续激光输出功率为1瓦以上。

以下结合图1，对使用上述检测装置进行钕玻璃包边剩余反射检测的方法具体介绍如下：

如图4所示，9-A为钕玻璃，9-B为胶合层，9-C为包边玻璃，图4-1为钕玻璃包边面无倾角的光路图，图4-2为钕玻璃包边面倾角为δ时的光路图。

如图4-1为钕玻璃包边面无倾角的光路图所示，当确定剩余反射角度θ后，当钕玻璃包边面无倾角时，激光入射到钕玻璃表面的角度为

其中n为钕玻璃折射率，n₀为空气折射率，从钕玻璃到空气出射角Φ=β。

如图4-2为钕玻璃包边面倾角为δ时的光路图所示。当钕玻璃包边面倾角为δ时，激光入射到钕玻璃表面角度为

从钕玻璃到空气的出射角为

根据菲涅尔定律，当剩余反射角为θ且钕玻璃包边面无倾角时，入射到钕玻璃表面时的反射和钕玻璃出射到空气时的反射均为R(β)；当钕玻璃包边面倾角为δ时，入射到钕玻璃表面时的反射为R(β)，钕玻璃出射到空气时的反射为R(Φ)。

样品9为完成包边的钕玻璃，见图3，钕玻璃光学质量优良，无条纹气泡，做成长方体，两大面为激光通光面，两面抛光，光洁度PⅣ以上，光圈小于0.5。

第一激光光源1通常波长为1053nm，单次或重频均可，如需其它波长激光器2通过全反镜3引入。激光强度探测器6响应灵敏度与激光器输出激光强度匹配，剩余反射探测器10的灵敏度与钕玻璃包边剩余反射强度匹配，两者之比一般不大于10^-4，最好达到10^-6甚至10^-7。分光镜5分光比最好不小于1:9，保证绝大部分激光作为钕玻璃包边剩余反射的入射光。激光强度探测器6和剩余反射探测器10感光区域应大于激光器输出光场直径，且探测器必须响应激光波长。激光光束通过光束整形透镜组4整形后，激光发散角在10mrad以内。

利用上述检测装置对包边钕玻璃剩余反射的检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

①放入样品9之前，调节第一激光光源1、光束整形透镜组4、分光镜5、第一全反镜7、光束定位系统8、激光强度探测器6和剩余反射探测器10，使得激光光束位于它们的中心且同轴；

②调整光束整形透镜组4，降低激光输出的发散角；

③启动第一激光光源1，通过激光强度探测器6测量，检查激光输出是否稳定，使得输出激光保持稳定；

④调整样品台，使待测样品9两个最大面保持竖直状态并固定之，；

⑤确定需要测量剩余反射的位置和入射角度，调整光束定位系统8，使测试光束以所需检测的角度入射到待测样品9需检测的位置，由菲涅耳定律计算出剩余反射光束的出射角度和位置（见图4），调节剩余反射探测器10使得剩余反射光束垂直入射到探测器上；调节所述的光束定位系统8，；

⑥开始测量，读取激光强度探测器（6）的能量测量值E1和剩余反射探测器（10）的能量测量值E2并输入所述的数据处理系统（11）；

⑦所述的数据处理系统（11）按下列剩余反射计算公式进行计算钕玻璃剩余反射率R（θ）：，

$R{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{residual}}=\frac{1}{(1-R_1)(1-R_2)}\frac{E2}{E1}S$

其中：R₁为入射到钕玻璃表面的反射率，R₂为从钕玻璃出射到空气的反射率，R₁和R₂可根据菲涅尔反射定律计算得到，θ为入射角，根据光束入射角度和钕玻璃折射率采用反射定律计算获得，s为所述的分光镜（5）的分光比。

⑧如需测量不同位置和不同入射角度的包边剩余反射，重复④至步骤⑦；

如更换其它波长激光器2，在测量光路中放入45°全反镜3将激光器2引入，重复上述步骤，即可测量不同波长的钕玻璃包边剩余反射。

本发明考虑钕玻璃折射率和空气折射率相差很大，存在全反射现象，因此剩余反射入射角在无倾角时必须大于

倾角为δ时必须大于

本发明考虑钕玻璃包边面一般比较窄，因此测量激光光束口径应小于包边面宽度的1/10。

上述实施中的样品台、平移模块和各种调整架可用本技术领域的成熟产品。

Claims (7)

1.一种包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射的检测装置，其特征在于该装置包括第一激光光源（1）、光束整形透镜组（4）、分光镜（5）、第一全反镜（7）、光束定位系统（8）、待测样品（9）、激光强度探测器（6）、剩余反射探测器（10）和数据处理系统（11），上述元部件的位置关系如下：

沿第一激光光源（1）的激光输出方向依次是光束整形透镜组（4）和分光镜（5），该分光镜（5）将入射光分为透射光和反射光，在该反射光方向是所述的激光强度探测器（6），在所述的透射光方向依次是所述的第一全反镜（7）、光束定位系统（8）、待测样品（9）和剩余反射探测器（10），所述的激光强度探测器（6）和剩余反射探测器（10）的输出端与所述的数据处理系统（11）的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射的检测装置，其特征在于所述的激光光源安装在光学基座上，该激光光源的激光波长为1053nm，所述的光束整形透镜组（4）和分光镜（5）都安装在能水平和俯仰进行转动的调整架上，所述的待测样品安装在样品平台上，该样品平台能够进行俯仰和水平调整，待测样品（9）为长方体，由钕玻璃（9-A）、胶合层（9-B）、包边玻璃（9-C）三部分组成，所述的光束定位系统（8）包括水平移动和上下移动模块、两组转光镜以及放置转光镜的调整架，调整架具有水平和俯仰转动调整功能；所述激光强度探测器（6）和剩余反射探测器（10）与数据处理系统（11）相连接。

3.根据权利要求1所述的包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射的检测装置，其特征在于还有第二全反镜（3）和其它波长激光器（2），在所述的激光光源（1）和光束整形透镜组（4）之间设有与光路成45°的第二全反镜（3）的插入口，通过插入第二全反镜（3），引入其它波长激光器（2）的激光进行测量。

4.根据权利要求1所述的包边大尺寸钕玻璃包边剩余反射的检测装置，其特征在于所述激光强度探测器和剩余反射探测器均为点探测器，所述激光强度探测器响应灵敏度与激光器输出激光强度匹配，剩余反射探测器响应灵敏度与钕玻璃包边剩余反射强度相匹配。

5.利用上述检测装置对包边钕玻璃剩余反射的检测方法，其特征在于它包括以下步骤：

①调节第一激光光源（1）、光束整形透镜组（4）、分光镜（5）、第一全反镜（7）、光束定位系统（8）、激光强度探测器（6）和剩余反射探测器（10），使得激光光束位于它们的中心且同轴；

②调整光束整形透镜组（4），降低激光输出的发散角；

③启动第一激光光源（1），使得输出激光保持稳定；

④调整样品台，使待测样品（9）两个最大面保持竖直状态并固定之；

⑤调节所述的光束定位系统（8），使测试光束以所需检测的角度入射到待测样品（9）需检测的位置；

⑥开始测量，读取激光强度探测器（6）的能量测量值E1和剩余反射探测器（10）的能量测量值E2并输入所述的数据处理系统（11）；

⑦所述的数据处理系统（11）按下列剩余反射计算公式进行计算钕玻璃剩余反射率R（θ）：，

$R{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\mathrm{residual}}=\frac{1}{(1-R_1)(1-R_2)}\frac{E2}{E1}S$

其中：R₁为入射到钕玻璃表面的反射率，R₂为从钕玻璃出射到空气的反射率，R₁和R₂可根据菲涅尔反射定律计算得到，θ为入射角，根据光束入射角度和钕玻璃折射率采用反射定律计算获得，s为所述的分光镜（5）的分光比。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于还包括步骤⑧，重复所述的步骤④至步骤⑦，以测量不同位置和不同入射角度的包边剩余反射。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于还包括步骤⑨，在所述的第二全反镜（3）的插入口中插入第二全反镜（3），引入其他波长激光器（3），并重复所述的步骤④至步骤⑧，以获得相应激光波长的不同位置和不同入射角度的包边剩余反射。

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