CN103698302A - 激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置及方法，该装置包括测量激光器、分光镜、激光强度探测器、激光玻璃样本、光纤耦合器、光纤激光发射器和剩余反射探测器，激光玻璃样本固定在精密定位运动机构上，激光发射器固定在激光发射器运动机构上，剩余反射探测器固定在剩余反射探测器运动机构上。本发明还提供一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量方法。本发明可以对激光玻璃包边剩余反射进行同点不同角度和同角度不同点的测量，实现激光玻璃包边剩余反射的多角度多点测量，从而能够对激光玻璃包边剩余反射进行全面、深入、客观的评价和研究，为判断激光玻璃包边质量的好坏提供依据。

Description

激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光增益介质测量技术领域，具体是一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置及方法。

背景技术

激光增益介质广泛应用于各种高功率和高能量的激光器中，并成为其中最主要的激光工作物质。激光工作物质分为固体、液体和气体，其中固体激光器是最重要的一种，它不但激活离子密度大、振荡频带宽，并能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。

用于固体激光器的激光增益介质应当具备的基本条件有：具有合适的光谱特性、激发态吸收小、具有良好的光学均匀性、稳定性和物化性能。其材料主要分为晶体和玻璃两种，大多数激光晶体是含有激活离子的荧光晶体；而激光玻璃虽然其激活离子的发光性能不如在晶体中好，但是激光玻璃储能大，其基质玻璃的性质可按要求在很大的范围内变化，制造工艺成熟，容易获得光学均匀的、结构尺寸灵活的玻璃，而且其价格便宜，以上特点使得激光玻璃广泛应用于高功率和高能量的固体激光器中。

在激光放大过程中，由于激光玻璃的增益很高，介质内的自发辐射将会得到放大而产生放大自发辐射（简称ASE）。由于ASE的存在，将在信号光到达之前消耗掉增益介质上能级的反转粒子，使信号光得不到有效放大，这不仅严重地降低了激光增益介质的储能密度和储能效率，而且会引起介质内抽运能量的再分布，对增益均匀性具有严重影响。

目前，抑制ASE的主要方法是在垂直于光路方向的片状激光玻璃的侧边通过胶合的方式接上吸收激光波长的玻璃，来破坏ASE放大过程，称为激光玻璃包边。激光玻璃、胶合层和包边玻璃之间折射率匹配度是影响激光玻璃包边、降低ASE的关键，是衡量激光玻璃包边质量的最重要参数。激光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激光玻璃包边剩余反射。因此，准确测量包边剩余反射能够直接、客观地反映激光玻璃包边的质量好坏。

目前已有的激光玻璃包边剩余反射的测量方法（见CN102818788A、CN102768202A）均不具备对包边界面的不同角度和不同位置点进行测量的功能，这样就无法对激光玻璃包边剩余反射进行全面、深入、客观的评价和研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置及方法，以解决现有的激光玻璃包边剩余反射测量中无法对包边界面的不同角度和不同位置点进行全面测量的问题。

本发明的技术方案为：

一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，包括测量激光器、分光镜、激光强度探测器、激光玻璃样本和剩余反射探测器，所述分光镜设置在测量激光器的输出光路上，所述激光强度探测器设置在分光镜的透射光路上，所述剩余反射探测器设置在激光玻璃样本的出射光路上，还包括光纤耦合器、光纤和激光发射器，所述光纤耦合器设置在分光镜的反射光路上，所述光纤耦合器的输出端通过光纤与激光发射器的输入端连接，所述激光发射器设置在激光玻璃样本的入射光路上；所述激光玻璃样本固定在精密定位运动机构上，所述激光发射器固定在激光发射器运动机构上，所述剩余反射探测器固定在剩余反射探测器运动机构上，所述激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构为沿圆弧轨迹运动的联动机构。

所述的激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，所述测量激光器与分光镜之间设有功率调整装置、第一高反射镜和光束整形装置。

所述的激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，还包括指示激光器，所述指示激光器通过光开关、第二高反射镜和部分反射镜分别与测量激光器和分光镜光路连接，所述部分反射镜设置在测量激光器与分光镜之间。

所述的激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，还包括数据处理装置，所述数据处理装置的输入端与激光强度探测器和剩余反射探测器的输出端连接。

一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量方法，包括以下步骤：

（1）测量激光器输出的测量激光束经过分光镜分成两束，其中一束进入到激光强度探测器，另一束经过光纤耦合装置耦合后，通过光纤和激光发射器照射到激光玻璃样本上，经由激光玻璃样本前表面或者侧表面进入到激光玻璃样本内部，并在激光玻璃样本内部被包边界面反射，经包边界面反射的剩余反射光束被剩余反射探测器接收；

（2）调整精密定位运动机构，使测量激光束从激光玻璃样本前表面或者侧表面入射，入射光线经过折射后以测量角度α1入射到激光玻璃样本包边界面上的某一测量点，采用折射定律计算得到测量激光束在激光玻璃样本前表面或者侧表面的入射光线延长线与包边界面法线的夹角β1：

前表面入射，β1=arcsin([sin(α1)]*n_g/n₀)，

侧表面入射，β1=arccos([cos(α1)]*n_g/n₀)，

其中，n_g表示激光玻璃样本折射率，n₀表示空气折射率；

（3）保持测量点不变，测量角度由α1变为α2，将激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构的位置沿着圆弧轨迹转动角度Δβ，再沿着平行于测量点法线的方向移动距离Δd1：

Δd1=[d/tan(β2)-d/tan(β1)]-[d/tan(α2)-d/tan(α1)]，

前表面入射，

Δβ=β2-β1=arcsin([sin(α2)]*n_g/n₀)-arcsin([sin(α1)]*n_g/n₀)，

侧表面入射，

Δβ=β2-β1=arccos([cos(α2)]*n_g/n₀)-arccos([cos(α1)]*n_g/n₀)，

其中，d表示测量点到激光玻璃样本侧表面的距离，β2表示测量角度为α2时测量激光束在激光玻璃样本前表面或者侧表面的入射光线延长线与包边界面法线的夹角，

前表面入射，β2=arcsin([sin(α2)]*n_g/n₀)，

侧表面入射，β2=arccos([cos(α2)]*n_g/n₀)；

（4）保持测量角度α1不变，测量点的位置移动距离Δd，

（i）若测量激光束从激光玻璃样本前表面入射，则将激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构平移距离Δd；

（ii）若测量激光束从激光玻璃样本侧表面入射，则将激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构沿着平行于包边界面法线的方向移动距离Δd2，再将剩余反射探测器运动机构反方向移动距离2*Δd2：

Δd2=tan(90-α1)*Δd。

由上述技术方案可知，本发明通过调整能够沿圆弧轨迹运动的激光发射器和剩余反射探测器的位置，可以对激光玻璃包边剩余反射进行同点不同角度和同角度不同点的测量，实现激光玻璃包边剩余反射的多角度多点测量，从而能够对激光玻璃包边剩余反射进行全面、深入、客观的评价和研究，为判断激光玻璃包边质量的好坏提供依据。

附图说明

图1是本发明所述的激光玻璃样本示意图；

图2是本发明所述的激光玻璃包边剩余反射同点不同角度（小角度范围）的测量原理示意图；

图3是本发明所述的激光玻璃包边剩余反射同点不同角度（大角度范围）的测量原理示意图；

图4是本发明所述的激光玻璃包边剩余反射相同角度不同点（小角度范围）的测量原理示意图；

图5是本发明所述的激光玻璃包边剩余反射相同角度不同点（大角度范围）的测量原理示意图；

图6是本发明所述的激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并以钕玻璃包边界面的剩余反射测量为具体实施例对本发明进行详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图6所示，一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，包括测量激光器1、功率调整装置2、第一高反射镜3、光束整形装置4、分光镜5、激光强度探测器6、光纤耦合器7、光纤8、激光发射器9、激光玻璃样本10、剩余反射探测器11、激光发射器运动机构12、剩余反射探测器运动机构13、精密定位运动机构14、指示激光器15、光开关16、第二高反射镜17、部分反射镜18。

功率调整装置2、第一高反射镜3、光束整形装置4和分光镜5依次设置在测量激光器1的输出光路上，激光强度探测器6设置在分光镜5的透射光路上，在分光镜5的反射光路上设有光纤耦合器7，耦合后的激光光束通过光纤8和激光发射器9入射到激光玻璃样本10上，经过激光玻璃样本10反射的剩余反射光束被剩余反射探测器11接收。

激光发射器9固定在激光发射器运动机构12上，剩余反射探测器11固定在剩余反射探测器运动机构13上，激光发射器运动机构12和剩余反射探测器运动机构13为可以沿圆弧轨迹运动的联动机构。激光玻璃样本10固定在精密定位运动机构14上。

指示激光器15输出的指示激光束通过光开关16、第二高反射镜17和部分反射镜18与测量激光器1输出的测量激光束共轴。在钕玻璃包边剩余反射测量中，测量激光器1输出的测量激光一般为1053nm红外激光，指示激光器15输出的指示激光一般为可见光波段。

激光强度探测器6和剩余反射探测器11将各自探测到的激光束的光强输入数据处理装置进行后续分析处理。

利用本发明对钕玻璃包边界面的剩余反射进行多角度多点测量，包括以下步骤：

S1、在测量前，先打开测量激光器1和指示激光器15，预热一定的时间使测量激光器1和指示激光器15工作稳定。

S2、调节测量激光器1、功率调整装置2、第一高反射镜3、光束整形装置4和分光镜5，使得测量激光器1输出的测量激光束位于它们的中心且共轴；调节第二高反射镜17和部分反射镜18，使指示激光器15输出的指示激光束与测量激光器1输出的测量激光束共轴。

S3、调节功率调整装置2，使测量激光器1输出的测量激光束的光强为零或者最小；调节光束整形装置4和光纤耦合装置7，使指示激光器15输出的指示激光束以最小的损耗耦合进入光纤8中；将未包边时的激光玻璃样本10固定放置在精密定位运动机构14上，调节精密定位运动机构14，使指示激光器15输出的指示激光束通过激光发射器9以测量角度α1入射到激光玻璃样本10内部待包边界面的测量点M上，然后找到剩余反射光斑的位置，通过剩余反射探测器运动机构13调节剩余反射探测器11的位置，使得从激光玻璃样本10出射的激光束能够完全被剩余反射探测器11接收。

S4、关闭光开关16，调节功率调整装置2，使测量激光器1输出的测量激光束的光强满足测量需求，其中，测量激光束的光强可以通过沿着分光镜5透射方向设置的激光强度探测器6来实时探测；由于在上述步骤中已通过指示激光器15找到了剩余反射光斑并确定了剩余反射探测器11的位置，因此可以从数据处理装置中读取激光强度探测器6的光强值E1和剩余反射探测器11的光强值E2。

S5、将包边后的激光玻璃样本10通过精密定位运动机构14固定好，由于精密定位运动机构14具有高精度定位的特点，所以入射激光束能够以同样的测量角度α1和同样的测量点M入射到包边后的激光玻璃样本10的包边界面上，相应地，剩余反射探测器11可以直接探测到剩余反射信号；从数据处理装置中读取激光强度探测器6的光强值E1’和剩余反射探测器11的光强值E2’；根据以下公式可以求得激光玻璃样本10包边界面上的测量点M在入射角为α1时的剩余反射率R’：

R’=(E2’/E2)×(E1/E1’)×R

其中，R为激光玻璃样品未包边界面的反射率，可采用菲涅尔公式求得。

上述步骤S1～S5介绍了如何测量激光玻璃样本包边界面上某一测量点在某一入射角度时的剩余反射率，通过下述步骤S6和S7介绍如何测量激光玻璃样本包边界面上不同测量点不同入射角度的剩余反射率。由上述步骤可知，通过精密定位运动机构14的精确定位和复位，可以方便地对激光玻璃样本10包边前后的剩余反射信号进行探测，因此，下述以“包边界面”为例进行的说明同样适用于“待包边界面”。

包边后的激光玻璃样本（激光玻璃100、包边玻璃200、包边界面300）如图1所示，为了测量方便，一般情况下加工为长方体块，其后表面102用于包边，前表面101和四个侧面103均抛光。

S6、对激光玻璃样本包边剩余反射进行同点不同角度的测量：

结合图2和图3所示。在图2中，入射激光束是从激光玻璃样本的前表面入射，因此适用于小角度测量。对于大角度测量，入射激光束从激光玻璃样本的侧表面入射，如图3所示。若要测量的包边界面剩余反射的入射角度为α1，则根据折射定律，

对于前表面小角度入射，

n₀*sin(β1)=n_g*sin(α1)

对于侧表面大角度入射，

n₀*cos(β1)=n_g*cos(α1)

可以得出入射到激光玻璃样本前表面或者侧表面的入射激光束延长线与包边界面法线的夹角β1，其中n₀是空气折射率，n_g是激光玻璃折射率。然后根据反射定律，包边界面的剩余反射激光束以相同的角度α1反射，并以相同的角度β1从激光玻璃样本的前表面或者侧表面出射到剩余反射探测器11上。激光发射器9和剩余反射探测器11通过特殊的弧形运动机构设计，二者可以沿着同一弧形轨迹运动，弧形轨迹的圆心位于入射激光束的延长线和出射激光束的反向延长线的交点A处。

若要测量的包边界面剩余反射的入射角度从α1变为α2，并且保持测量点M不变，则根据折射定律，

对于前表面小角度入射，

n₀*sin(β2)=n_g*sin(α2)

对于侧表面大角度入射，

n₀*cos(β2)=n_g*cos(α2)

可以得出入射到激光玻璃样本的前表面的入射激光束角度从β1变为β2，即激光发射器9的位置沿着圆弧轨迹从角度β1转动到β2，

对于前表面小角度入射，

Δβ=β2-β1=arcsin([sin(α2)]*n_g/n₀)-arcsin([sin(α1)]*n_g/n₀)

对于侧表面大角度入射，

Δβ=β2-β1=arccos([cos(α2)]*n_g/n₀)-arccos([cos(α1)]*n_g/n₀)

并且弧形轨迹的圆心从位置A变为B

|BA|=[d/tan(β2)-d/tan(β1)]-[d/tan(α2)-d/tan(α1)]

其中d为激光玻璃样本侧表面到测量点M的距离。然后根据反射定律，包边界面的剩余反射激光束以相同的角度α2反射，并以相同的角度β2从激光玻璃样本的前表面或者侧表面出射。相应地，剩余反射探测器11的位置沿着圆弧轨迹转动Δβ。这样通过激光发射器9和剩余反射探测器11沿着弧形轨迹转动Δβ，以及弧形轨迹位移|BA|，方便地完成了同点不同角度的包边界面剩余反射测量。

S7、对激光玻璃样本包边剩余反射进行同角度不同点的测量：

若要测量的包边界面剩余反射的入射角度α1不变，测量点从M变为N，测量点移动Δd，则在小角度测量时，只需要将弧形运动机构（即激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构）平移Δd就可以实现对同角度不同点的包边剩余反射的测量，如图4所示；在大角度测量时，则弧形轨迹的圆心需要从A点移动到B点，但是出射激光束由于包边界面的反射需要再反方向移动距离2*|BA|，即先将激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构沿着平行于激光玻璃样本包边界面法线的方向移动距离|BA|，再将剩余反射探测器运动机构反方向移动距离2*|BA|，其中，|BA|=tan(90-α)*Δd，如图5所示。

通过上述步骤S6和S7的结合，可以实现激光玻璃包边剩余反射多角度多点的测量。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，包括测量激光器、分光镜、激光强度探测器、激光玻璃样本和剩余反射探测器，所述分光镜设置在测量激光器的输出光路上，所述激光强度探测器设置在分光镜的透射光路上，所述剩余反射探测器设置在激光玻璃样本的出射光路上，其特征在于：

还包括光纤耦合器、光纤和激光发射器，所述光纤耦合器设置在分光镜的反射光路上，所述光纤耦合器的输出端通过光纤与激光发射器的输入端连接，所述激光发射器设置在激光玻璃样本的入射光路上；

所述激光玻璃样本固定在精密定位运动机构上，所述激光发射器固定在激光发射器运动机构上，所述剩余反射探测器固定在剩余反射探测器运动机构上，所述激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构为沿圆弧轨迹运动的联动机构。

2.根据权利要求1所述的激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，其特征在于：所述测量激光器与分光镜之间设有功率调整装置、第一高反射镜和光束整形装置。

3.根据权利要求1所述的激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，其特征在于：还包括指示激光器，所述指示激光器通过光开关、第二高反射镜和部分反射镜分别与测量激光器和分光镜光路连接，所述部分反射镜设置在测量激光器与分光镜之间。

4.根据权利要求1所述的激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量装置，其特征在于：还包括数据处理装置，所述数据处理装置的输入端与激光强度探测器和剩余反射探测器的输出端连接。

5.一种激光增益介质包边剩余反射的多角度多点测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）测量激光器输出的测量激光束经过分光镜分成两束，其中一束进入到激光强度探测器，另一束经过光纤耦合装置耦合后，通过光纤和激光发射器照射到激光玻璃样本上，经由激光玻璃样本前表面或者侧表面进入到激光玻璃样本内部，并在激光玻璃样本内部被包边界面反射，经包边界面反射的剩余反射光束被剩余反射探测器接收；

（2）调整精密定位运动机构，使测量激光束从激光玻璃样本前表面或者侧表面入射，入射光线经过折射后以测量角度α1入射到激光玻璃样本包边界面上的某一测量点，采用折射定律计算得到测量激光束在激光玻璃样本前表面或者侧表面的入射光线延长线与包边界面法线的夹角β1：

前表面入射，β1=arcsin([sin(α1)]*n_g/n₀)，

侧表面入射，β1=arccos([cos(α1)]*n_g/n₀)，

其中，n_g表示激光玻璃样本折射率，n₀表示空气折射率；

（3）保持测量点不变，测量角度由α1变为α2，将激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构的位置沿着圆弧轨迹转动角度Δβ，再沿着平行于测量点法线的方向移动距离Δd1：

Δd1=[d/tan(β2)-d/tan(β1)]-[d/tan(α2)-d/tan(α1)]，

前表面入射，

Δβ=β2-β1=arcsin([sin(α2)]*n_g/n₀)-arcsin([sin(α1)]*n_g/n₀)，

侧表面入射，

Δβ=β2-β1=arccos([cos(α2)]*n_g/n₀)-arccos([cos(α1)]*n_g/n₀)，

其中，d表示测量点到激光玻璃样本侧表面的距离，β2表示测量角度为α2时测量激光束在激光玻璃样本前表面或者侧表面的入射光线延长线与包边界面法线的夹角，

前表面入射，β2=arcsin([sin(α2)]*n_g/n₀)，

侧表面入射，β2=arccos([cos(α2)]*n_g/n₀)；

（4）保持测量角度α1不变，测量点的位置移动距离Δd，

（i）若测量激光束从激光玻璃样本前表面入射，则将激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构平移距离Δd；

（ii）若测量激光束从激光玻璃样本侧表面入射，则将激光发射器运动机构和剩余反射探测器运动机构沿着平行于包边界面法线的方向移动距离Δd2，再将剩余反射探测器运动机构反方向移动距离2*Δd2：

Δd2=tan(90-α1)*Δd。

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