CN103499431B - 一种固体激光晶体动态热焦距测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体激光晶体动态热焦距测量方法与装置，该测量方法是将线偏振光往返通过固体激光晶体形成的热透镜，利用组合光学系统成像的方法实现固体激光晶体动态热焦距的精确测量；该测量装置包括反射镜A(4)、四分之一波片(5)、反射镜B(6)、被测固体激光晶体(7)、输出镜(8)、反射镜C(9)、偏振分束镜(10)、光阑B(11)、扩束镜(12)、指示光源(13)、衰减滤光片(14)、CCD探测单元(15)和功率计(16)。与现有测量方法相比，本发明的优点在于：简单易行，测量精度高，既适用于侧面泵浦固体激光器又适用于端面泵浦固体激光器中固体激光晶体热焦距的测量。

Description

一种固体激光晶体动态热焦距测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种固体激光晶体动态热焦距测量方法与装置，属于光学测试技术、激光技术领域。

背景技术

固体激光器在动态运转时，大量的泵浦能量转化成废热并沉积在激光介质内部，在冷却不均匀的外部条件下，激光介质中心温度高，边缘温度低，等效于一个厚透镜，即热透镜，并且随着泵浦功率的变化热透镜的焦距也在相应变化。热透镜效应制约着激光器输出激光的光束质量、稳定性等各项性能参数，因此对激光介质热透镜焦距的精确测量是激光器设计的关键。

在关于激光介质热焦距的阐述中通常有静态热焦距和动态热焦距两种，静态热焦距与动态热焦距存在较大的差异，静态热焦距无法反映激光器动态运转的实际状况，因此，精确测量激光介质动态热焦距对激光器谐振腔设计具有重要的指导意义。最具有代表性的激光介质动态热焦距测量方法-临界腔法，它是基于不同腔长状态下，通过增加泵浦功率直至激光器输出功率曲线存在拐点，从而获得激光晶体的动态热焦距，测量误差较大，且测量步骤繁琐。

发明内容

本发明的技术解决方案如下：一种固体激光晶体动态热焦距测量方法，该方法将线偏振光往返通过被测固体激光晶体7形成的热透镜，第一次经过的热透镜和第二次经过的热透镜构成一个组合光学系统，利用组合光学系统成像的方法实现被测固体激光晶体7动态热焦距的精确测量。

本发明内容依据的原理：如附图1所示，平行光经过光阑A1后进入透镜A2与透镜B3构成组合光学系统。设透镜A2焦距，透镜B3焦距为，组合焦距，若

(1)

透镜A2与透镜B3间距

(2)

(3)

根据光阑A1半径r，通过几何作图来获得，而

(4)

根据组合光学系统成像关系

(5)

综合（5）式，从而计算出透镜A2与透镜B3的焦距

(6)

如附图2所示，本发明提供的一种固体激光晶体动态热焦距测量装置包括反射镜A4、四分之一波片5、反射镜B6、被测固体激光晶体7、输出镜8、反射镜C9、偏振分束镜10、光阑B11、扩束镜12、指示光源13、衰减滤光片14、CCD探测单元15和功率计16；氦氖激光器13发出的激光束经过扩束镜12扩束后入射到偏振分束镜10的对角面上，分成偏振态相互垂直的p向偏振光和s向偏振光，s向偏振光被偏振分束镜10的对角面反射至偏振分束镜10的上方而偏离原光路，p向偏振光透过偏振分束镜10，并依次穿过反射镜C9、输出镜8、被测固体激光晶体7、反射镜B6和四分之一波片5，在反射镜A4表面被反射回来，由于此p向偏振光往返两次通过四分之一波片5，其偏振方向旋转了90度，变成了s向偏振光，此s向偏振光而后依次穿过反射镜B6、被测固体激光晶体7、输出镜8和反射镜C9，在偏振分束镜10的对角面向偏振分束镜10的下方反射，穿过衰减滤光片14后被CCD探测单元15接收，CCD探测单元15最后显示探测到光斑尺寸。

所述的反射镜A4为平面反射镜，表面镀制λ1的高反射膜，用于将0度入射的λ1光反射回原光路；

所述的四分之一波片5为石英材质λ1波长的四分之一波片，表面镀制λ1增透膜，用于将λ1光的偏振方向旋转45度；

所述的反射镜B6与被测固体激光晶体7和输出镜8构成一个固体激光器谐振腔，对λ1透射率高于70%，该固体激光器输出的激光波长为λ2；

所述的反射镜C9为二向分色的平面镜，在光路中与光轴呈45度放置，对45度入射的λ1波长光增透，对45度入射的λ2波长高反射，用于阻止λ2波长激光进入到其右方的光路；

所述的偏振分束镜10为偏振分光棱镜，其对λ1波长的s向偏振光的反射率高于99%，对p向偏振光透射率高于99%，各通光面上镀制λ1波长光的增透膜；

所述的光阑B11是中间有孔的金属板，用于阻挡大于孔径尺寸的光束；

所述的扩束镜12为倒置的伽利略望远系统，扩束倍率为10倍，用于准直指示光源13发出的光束；

所述的指示光源13优选氦氖激光器、半导体激光器或全固态激光器，发出光波长为λ1；

所述的衰减滤光片14为吸收型窄带滤光片，表面镀制λ1波长的窄带增透膜，带宽为±5nm，自身对λ1±5nm范围的光吸收率为30%，对λ1±5nm之外的光高反射；

所述的CCD探测单元15由CCD相机、图象采集处理器及显示器构成，用于处理和显示采集到的指示光光斑尺寸；

所述的功率计16为量热式探测器，用于回收并测量λ2波长激光的功率。

本发明的测量步骤如下：

1)开启指示光源13和CCD探测单元15；

2)开启被测固体激光晶体7的外界泵浦源；

3)在某一泵浦功率下，改变光阑B11尺寸，直到CCD探测单元15观测到的光斑恰好发生变化为止，并记录此时光阑B11半径r；

4)轴向移动反射镜A4，使CCD探测单元15的探测面尺寸大于所接收的光斑尺寸；

5)改变距离d₃的大小，直至CCD探测单元15接收到的光斑达到最小值；

6)根据附图1所示的几何光路作图寻找组合系统主面位置；

7)根据公式（5）和（6）计算出被测固体激光晶体7的动态热焦距。

附图说明

图1是组合光学系统光路示意图。

图2是测量光路图。

图中：1-光阑A，2-透镜A，3-透镜B，4-反射镜A，5-四分之一波片，6-反射镜B，7-被测固体激光晶体，8-输出镜，9-反射镜C，10-偏振分束镜，11-光阑B，12-扩束镜，13-指示光源，14-衰减滤光片，15-CCD探测单元，16-功率计。

Claims (1)

1.一种固体激光晶体动态热焦距测量方法，其特征在于所采用的测量装置包括反射镜A(4)、四分之一波片(5)、反射镜B(6)、被测固体激光晶体(7)、输出镜(8)、反射镜C(9)、偏振分束镜(10)、光阑B(11)、扩束镜(12)、指示光源(13)、衰减滤光片(14)、CCD探测单元(15)和功率计(16)；指示光源(13)发出的激光束经过扩束镜(12)扩束后入射到偏振分束镜(10)的对角面上，分成偏振态相互垂直的p向偏振光和s向偏振光，s向偏振光被偏振分束镜(10)的对角面反射至偏振分束镜(10)的上方而偏离原光路，p向偏振光透过偏振分束镜(10)，并依次穿过反射镜C(9)、输出镜(8)、被测固体激光晶体(7)、反射镜B(6)和四分之一波片(5)，在反射镜A(4)表面被反射回来，由于此p向偏振光往返两次通过四分之一波片(5)，其偏振方向旋转了90度，变成了s向偏振光，此s向偏振光而后依次穿过反射镜B(6)、被测固体激光晶体(7)、输出镜(8)和反射镜C(9)，在偏振分束镜(10)的对角面向偏振分束镜(10)的下方反射，穿过衰减滤光片(14)后被CCD探测单元(15)接收，CCD探测单元(15)最后显示探测到光斑尺寸；

所述的反射镜A(4)为平面反射镜；

所述的四分之一波片(5)为石英材质λ1波长的四分之一波片；

所述的反射镜B(6)、被测固体激光晶体(7)和输出镜(8)构成一个固体激光器谐振腔；

所述的反射镜C(9)为二向分色的平面镜；

所述的偏振分束镜(10)为偏振分光棱镜；

所述的光阑B(11)是中间有孔的金属板；

所述的扩束镜(12)为倒置的伽利略望远系统；

所述的指示光源(13)为氦氖激光器、半导体激光器或全固态激光器；

所述的衰减滤光片(14)为吸收型窄带滤光片；

所述的CCD探测单元(15)由CCD相机、图象采集处理器及显示器构成；

所述的功率计(16)为量热式探测器；

所述的一种固体激光晶体动态热焦距测量方法，其特征在于该方法将线偏振光往返通过被测固体激光晶体(7)形成的热透镜，第一次经过的热透镜和第二次经过的热透镜构成一个组合光学系统，利用组合光学系统成像的方法实现被测固体激光晶体(7)动态热焦距的精确测量；该方法包括如下测量步骤：

1)开启指示光源(13)和CCD探测单元(15)；

2)开启被测固体激光晶体(7)的外界泵浦源；

3)在某一泵浦功率下，改变光阑B(11)尺寸，直到CCD探测单元(15)观测到的光斑恰好发生变化为止，并记录此时光阑B(11)半径r；

4)轴向移动反射镜A(4)，使CCD探测单元(15)的探测面尺寸大于所接收的光斑尺寸；

5)改变距离d₃的大小，直至CCD探测单元(15)接收到的光斑达到最小值；

6)根据附图1所示的几何光路作图寻找组合系统主面位置L′_H；

7)根据公式和计算出被测固体激光晶体(7)的动态热焦距。