CN102980873B - 同轴检测光正入射获得干涉图像的装置 - Google Patents
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Abstract
同轴检测光正入射获得干涉图像的装置属于激光检测技术领域。本发明前圆周透镜与后圆锥透镜二者同轴且圆锥顶角相对，前圆锥透镜的底面朝向检测光光源，前圆锥透镜及后圆锥透镜均沿圆锥轴线开通孔，检测光入射轴线与该通孔轴线同轴；光阑位于在后圆锥透镜底面上，光阑的通光孔轴线与所述通孔轴线同轴；在后圆锥透镜底面一侧的光路上与检测光入射轴线成45°角安置前平面镜，后平面镜与前平面镜平行，过二者几何中心的轴线与检测光入射轴线垂直；检测光出射轴线与检测光入射轴线平行且过后平面镜几何中心；正透镜位于检测光出射光路上，正透镜光轴与检测光出射轴线同轴；干涉条纹图像接收装置为CCD摄像机，CCD摄像机感光面位于正透镜成像焦平面上。
Description
技术领域
本发明涉及一种同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，将同轴激光束与干涉检测技术结合，实时且同时检测激光晶体的温度场（热焦距）、掺杂分布、端面平行度等多项参数，属于激光检测技术领域。
背景技术
20世纪90年代，固体激光器的发展进入全新的阶段，即全固态激光技术时期，诞生了全固态激光器。激光晶体是全固态激光器的核心，其对激光器谐振腔的稳定性、出射光束质量、激光效率等有直接的影响，这些影响主要来自激光晶体的内部热效应。所谓内部热效应就是在激光晶体内部出现温度分布，形成温度场，导致晶体棒各处晶体材料折射率不同，晶体棒产生热焦距，即所谓热效应，此时晶体棒成为一个热透镜。通过该热透镜的热焦距能够反视激光晶体的内部热效应。热焦距测量成为一个技术问题。与此有关的一种方案由一篇题为“干涉条纹法测量LD端面泵浦Nd:YAG热透镜焦距”的文章所公开。其方案如下，He-Ne激光器1的出射光作为参考光以小角度倾斜入射Nd:YAG晶体2的前端面，Nd:YAG晶体2的掺杂浓度为1.1%；30W带微透镜的激光二极管3发出泵浦光，其远场发散角在水平方向为6度，在垂直方向为0.3度，泵浦光经柱面透镜4后在水平方向得以汇聚，获得较高功率密度，之后泵浦Nd:YAG晶体2的后端面，使得参考光在Nd:YAG晶体2的前、后端面反射的两束光发生干涉，从接收屏5观察参考光在前、后端面反射形成的干涉条纹。由于温度变化是产生热效应的直接原因，热效应会引起激光晶体折射率的变化，而晶体折射率的变化会使光束在传播过程中发生光程改变，进而引起到干涉条纹图像的变化。所以，能够从干涉条纹获得热透镜的热焦距。整个系统采用冷水循环冷却，根据测量需要设定水温，误差为±0.5。
所述测量方法存在以下不足：其一，以小角度倾斜入射的参考光未能遍布激光晶体的整个孔径，因此，该方法只能检测激光晶体局部的热效应；其二，该方法不具有晶体棒轴对称性，因此，不能确定激光晶体具体空间位置的温度分布。另外，激光晶体掺杂分布、端面平行度也是重要参数，而该方法却不能检测这些参数。
发明内容
为了克服现有技术的不足，能够检测激光晶体整体热效应，并确定其具体的空间位置温度分布，同时还能够检测激光晶体掺杂分布和端面平行度，我们发明了一种同轴检测光正入射获得干涉图像的装置。
本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置如图2所示，包括检测光光源6和干涉条纹图像接收装置，其特征在于，前圆周透镜7与后圆锥透镜8二者同轴且圆锥顶角相对，前圆锥透镜7的底面朝向检测光光源6，前圆锥透镜7及后圆锥透镜8均沿圆锥轴线开通孔，检测光入射轴线与该通孔轴线同轴；光阑9位于在后圆锥透镜8底面上，光阑9的通光孔轴线与所述通孔轴线同轴；在后圆锥透镜8底面一侧的光路上与检测光入射轴线成45°角安置前平面镜10，后平面镜11与前平面镜10平行，过二者几何中心的轴线与检测光入射轴线垂直；前平面镜内镜面a及后平面镜内镜面c膜系对检测光具有高反射率、对于泵浦光和振荡激光具有高透射率，前平面镜外镜面b及后平面镜外镜面d膜系对于泵浦光和振荡激光具有高透射率；检测光出射轴线与检测光入射轴线平行且过后平面镜11几何中心；正透镜12位于检测光出射光路上，正透镜12光轴与检测光出射轴线同轴；干涉条纹图像接收装置为CCD摄像机13，CCD摄像机13感光面位于正透镜12成像焦平面上。
本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置其技术效果如下。
来自检测光光源6的准直检测光入射前圆锥透镜7底面，此时检测光分两路传播。如图2所示，检测光的中心部分直接通过前圆锥透镜7及后圆锥透镜8的通孔以及光阑9的通光孔出射，成为一束实心光束。通过调节光阑9调整该实心光束的外径。检测光的周边部分先由前圆锥透镜7的锥面折射，汇聚后发散形成锥筒状空心光束，再经过后圆锥透镜8的锥面折射，所述的锥筒状空心光束变为一束平行的柱筒状空心光束自后圆锥透镜8底面出射。通过调节圆锥透镜7及后圆锥透镜8之间的距离调整所述柱筒状空心光束的内径。实心光束、柱筒状空心光束同轴，作为同轴检测光先由前平面镜内镜面a反射，再由后平面镜内镜面c反射，最后由正透镜12成像到CCD摄像机13感光面上。
激光晶体14位于由全反射镜15、输出耦合镜16构成的谐振腔中的谐振光路上，如图3所示，泵浦光光源17位于全反射镜15外侧，泵浦光与振荡激光同轴。本发明之装置中的前平面镜10、后平面镜11位于谐振腔中，激光晶体14位于前平面镜10、后平面镜11之间，激光晶体14轴线与过前平面镜10、后平面镜11二者几何中心的轴线同轴。
当采用本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置检测激光晶体的掺杂分布、端面平行度以及热焦距时，其检测过程分三个环节。
第一个环节：泵浦光光源17不工作。激光晶体14为已知激光晶体，即掺杂分布、端面平行度已知，且不存在热效应。由前平面镜内镜面a反射的实心光束正入射所述已知激光晶体的端面上。通过调节光阑9通光孔的孔径，使得正入射已知激光晶体的实心光束外径等于已知激光晶体的晶体棒直径。从已知激光晶体另一端出射的实心光束最后在CCD摄像机13感光面上成像。与此同时，柱筒状空心光束由前平面镜内镜面a反射。通过调节圆锥透镜7及后圆锥透镜8之间的距离调整所述柱筒状空心光束的内径，使其大于已知激光晶体的晶体棒直径，因此，柱筒状空心光束绕开已知激光晶体，最后也在CCD摄像机13感光面上成像，并与实心光束的像干涉，产生一幅干涉条纹图像，并由CCD摄像机13摄取。
第二个环节：用待测激光晶体替换已知激光晶体，所述待测激光晶体其掺杂分布、端面平行度以及热焦距待测。泵浦光光源17依然不工作，该待测激光晶体不存在热效应。在检测过程中，与第一个环节一样，也获得一幅干涉条纹图像。将前两个环节中获得的两幅干涉条纹图像被传送至计算机18，由计算机18处理和对比分析，得到待测激光晶体的掺杂分布、端面平行度。
第三个环节：泵浦光光源17工作，准直泵浦光透射全反射镜15、前平面镜10，入射所述待测激光晶体，在泵浦光的激励下，该待测激光晶体产生振荡激光，随着泵浦能量的增加，待测激光晶体的热效应逐渐明显。此时与前两个环节一样，也会获得一幅干涉条纹图像，并传输至计算机18处理。由于实心光束在待测激光晶体中传播其光程发生了改变，使得干涉条纹图像与第二个环节泵浦光光源17未工作时的干涉条纹图像相比发生了改变。由计算机17处理后即可得到待测激光晶体折射率的变化，通过折射率与温度的关系推算出待测激光晶体的温度场（热焦距），从而掌握热效应。
由于实心光束垂直于激光晶体14端面入射，也就是正入射，实心光束的光轴与激光晶体棒几何轴线同轴，并且，由光阑9调整实心光束的外径，使其等于激光晶体端面直径，实心光束穿越激光晶体14的全部，因此，仅就热效应检测而言，是一种整体检测，由于干涉条纹图像与激光晶体14在空间上具有严格对应关系，因此，所获得的检测结果能够反应激光晶体14各个部分的温度分布。
附图说明
图1是现有干涉条纹法测量LD端面泵浦Nd:YAG热透镜焦距装置示意图。图2是本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置结构示意图，该图同时作为摘要附图。图3是采用本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置检测状态示意图。图4为本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置中的两个圆锥透镜及光阑结构参数及相互位置关系示意图。
具体实施方式
本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置其具体实施方式如下。如图3所示，该装置包括检测光光源6和干涉条纹图像接收装置。检测光光源6包括He-Ne激光器19和准直透镜20，检测光波长为632.8 nm。前圆周透镜7与后圆锥透镜8是两个相同的圆锥透镜，二者同轴且圆锥顶角相对，两个圆锥透镜底面相距距离D；透镜材料为K9玻璃，n=1.5168；圆锥透镜高度D0=5 mm，锥面母线与圆锥底面的夹角γ=10°，见图4所示；前圆锥透镜7及后圆锥透镜8均沿圆锥轴线开通孔，通孔直径d0=3 mm。前圆锥透镜7的底面朝向检测光光源6。检测光入射轴线与所述通孔轴线同轴。光阑9位于在后圆锥透镜8底面上，光阑9的通光孔轴线与所述通孔轴线同轴，光阑9孔径范围为0 mm<d<10mm。在后圆锥透镜8底面一侧的光路上与检测光入射轴线成45°角安置前平面镜10，后圆锥透镜8底面与前平面镜10几何中心的距离为50 mm。后平面镜11与前平面镜10平行，过二者几何中心的轴线与检测光入射轴线垂直。前平面镜内镜面a及后平面镜内镜面c膜系对检测光具有高反射率、对于泵浦光和振荡激光具有高透射率，前平面镜外镜面b及后平面镜外镜面d膜系对于泵浦光和振荡激光具有高透射率。例如，前平面镜内镜面a、前平面镜外镜面b、后平面镜内镜面c、后平面镜外镜面d膜系同时对泵浦光808 nm波长和振荡激光1064 nm波长的透射率大于等于99 %；并且，前平面镜内镜面a、后平面镜内镜面c膜系还对检测光632.8 nm波长的反射率大于99 %。检测光出射轴线与检测光入射轴线平行且过后平面镜11几何中心。正透镜12位于检测光出射光路上，正透镜12光轴与检测光出射轴线同轴；后平面镜11几何中心与正透镜12几何中心间的距离为80 mm。正透镜12的两个通光面为凸球面，并且，膜系对检测光632.8 nm波长的透射率大于等于99 %，焦距f=50 mm。干涉条纹图像接收装置为CCD摄像机13，CCD摄像机13感光面位于正透镜12成像焦平面上；CCD摄像机13型号为MTV—1881EX，感光面尺寸为6.4 mm×4.8 mm，像素数为811(H)×508(V)。
在使用本发明之同轴检测光正入射获得干涉图像的装置检测激光晶体的掺杂分布、端面平行度以及热焦距时，使用的泵浦光光源17包括激光二极管21和耦合镜22，激光二极管21其功率为30 W，辐射波长为808 nm。激光晶体14不论是已知激光晶体还是待测激光晶体均为Nd:YAG，产生的振荡激光波长为1064 nm；激光晶体14两端端面镀有对1064m波长的增透膜；激光晶体12的长度为10 mm；前平面镜10几何中心与激光晶体14的相邻端面距离为25 mm，后平面镜11与激光晶体14的相邻端面距离为60 mm。全反射镜15为平面镜或者平凹镜，如果采用平凹镜，其谐振腔外侧镜面为凹面；表面膜系对泵浦光808 nm波长的透射率大于等于99%；同时对振荡激光1064 nm波长的反射率大于等于99.5%。输出耦合镜16为平凹镜，其谐振腔内侧镜面为凹面，且凹面曲率半径为100 mm，该表面膜系对泵浦光808 nm波长的反射率大于等于99.5 %，同时对振荡激光1064 nm波长的透射率为20%。
Claims (8)
1.一种同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，包括检测光光源(6)和干涉条纹图像接收装置，前圆锥透镜(7)与后圆锥透镜(8)二者同轴且圆锥顶角相对，前圆锥透镜(7)的底面朝向检测光光源(6)，干涉条纹图像接收装置为CCD摄像机(13)，其特征在于，前圆锥透镜(7)及后圆锥透镜(8)均沿圆锥轴线开通孔，检测光入射轴线与该通孔轴线同轴；光阑(9)位于在后圆锥透镜(8)底面上，光阑(9)的通光孔轴线与所述通孔轴线同轴；在后圆锥透镜(8)底面一侧的光路上与检测光入射轴线成45°角安置前平面镜(10)，后平面镜(11)与前平面镜(10)平行，过二者几何中心的轴线与检测光入射轴线垂直；前平面镜内镜面a及后平面镜内镜面c膜系对检测光具有高反射率、对于泵浦光和振荡激光具有高透射率，前平面镜外镜面b及后平面镜外镜面d膜系对于泵浦光和振荡激光具有高透射率；检测光出射轴线与检测光入射轴线平行且过后平面镜(11)几何中心；正透镜(12)位于检测光出射光路上，正透镜(12)光轴与检测光出射轴线同轴；CCD摄像机(13)感光面位于正透镜(12)成像焦平面上。
2.根据权利要求1所述的同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，其特征在于，检测光光源(6)包括He-Ne激光器(19)和准直透镜(20)，检测光波长为632.8nm。
3.根据权利要求1所述的同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，其特征在于，前圆锥透镜(7)与后圆锥透镜(8)是两个相同的圆锥透镜，该两个圆锥透镜底面相距距离D；透镜材料为K9玻璃，n＝1.5168；圆锥透镜高度D0＝5mm，锥面母线与圆锥底面的夹角γ＝10°；前圆锥透镜(7)及后圆锥透镜(8)的通孔直径d0＝3mm。
4.根据权利要求1所述的同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，其特征在于，光阑(9)孔径范围为0mm<d<10mm。
5.根据权利要求1所述的同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，其特征在于，后圆锥透镜(8)底面与前平面镜(10)几何中心的距离为50mm；后平面镜(11)几何中心与正透镜(12)几何中心间的距离为80mm。
6.根据权利要求1所述的同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，其特征在于，前平面镜内镜面a、前平面镜外镜面b、后平面镜内镜面c、后平面镜外镜面d膜系同时对泵浦光808nm波长和振荡激光1064nm波长的透射率大于等于99％；并且，前平面镜内镜面a、后平面镜内镜面c膜系还对检测光632.8nm波长的反射率大于99％。
7.根据权利要求1所述的同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，其特征在于，正透镜(12)的两个通光面为凸球面，并且，膜系对检测光632.8nm波长的透射率大于等于99％，焦距f＝50mm。
8.根据权利要求1所述的同轴检测光正入射获得干涉图像的装置，其特征在于，CCD摄像机(13)感光面尺寸为6.4mm×4.8mm，像素数为811(H)×508(V)。
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