CN104165754B - 一种激光棒热透镜焦距测量装置的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光棒热透镜焦距的测量装置的测量方法，此方法依靠的测量装置包括探测光源、准直扩束镜、激光棒、聚焦透镜、小孔光阑、功率计和泵浦源，在探测光源的输出光路上沿光轴依次设置准直扩束镜、激光棒、聚焦透镜、小孔光阑和功率计，所述泵浦源为侧泵泵浦源。本方法是：探测光源发出的探测光束通过准直扩束镜后，依次通过激光棒、聚焦透镜和小孔光阑，功率计测量不开启激光泵浦源和开启激光泵浦源两种状态下通过小孔光阑后的探测光束功率值，用以计算激光棒热透镜焦距，本发明提供的测量热透镜焦距的装置和方法，将长度测量转换为功率测量，测量过程不需调整光路和移动元件，操作方便且结果准确。

Description

一种激光棒热透镜焦距测量装置的测量方法

技术领域

本发明涉及一种固体激光器中激光棒热透镜焦距的测量技术，尤其是一种通过测量功率的方法测量激光棒热透镜焦距的测量方法。

背景技术

固体激光器运转过程中，激光工作介质只能将部分泵浦能量转化为激光输出，相当一部分泵浦能量转变工作介质内的废热。这些废热会引起严重的负面效应，其中热致折射率梯度即为其负面效果之一。激光工作介质内的热致折射率梯度，会使得原本折射率均匀的激光介质变为类透镜介质，这种效应称为热透镜效应。热透镜效应会导致光束波前畸变，光束会聚，严重时光束聚焦于激光介质内部，在材料内部产生激光损伤。为了减小热透镜效应的影响，人们采用各种方法对热透镜效应进行补偿。但是，为了有效实现热透镜效应的补偿，必须要准确测量热透镜焦距值。

目前测量热透镜焦距有很多方法，常用的有：直接测量法、临界腔法等。直接测量法，即通过直接测量准直探测光经过激光棒后的焦点位置，确定热透镜焦距，该方法物理意义直观，也非常简单易于操作，但是由于探测光束本身的直径就很小，并且很多时候随着泵浦功率的变化，热透镜焦距的范围在几十厘米到几米，测量过程操作范围大，精确焦点位置不好找，测量结果误差很大。而临界腔法是另一种更常用的测量热透镜焦距的方法。其基本原理：平行平面腔的稳定性条件是热透镜焦距的函数，激光输出功率是泵浦输入功率的函数。通过监测激光输出功率，获得临界稳定点，通过临界稳定点获得特定泵浦输入功率下的热透镜焦距[李强，王志敏等.测量Nd:YAG激光器热透镜焦距的新方法，光电子.激光2014，(15)：3]。该方法精确程度虽然优于直接测量法，但是实际上测试过程中，每改变一次腔长，就需要重新调试谐振腔，以尽量保证实验条件斜率效率等一致。过程繁琐。

发明内容

本发明提供一种通过测量探测光束功率来获得激光棒热透镜焦距装置的测量方法，用于解决现有技术中测量过程操作范围大、测量过程繁琐、测量结果误差大等技术问题。

针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出了通过测量探测光束功率来获得激光棒热透镜焦距的装置的测量方法。它能够准确、方便地测量激光棒的热透镜焦距值。

本发明提供的一种激光棒热透镜焦距测量装置的测量方法，所使用的测量装置包括探测光源、准直扩束镜、激光棒、聚焦透镜、小孔光阑、功率计和泵浦源，在所述探测光源的输出光路上沿光轴依次设置所述的准直扩束镜、激光棒、聚焦透镜、小孔光阑和功率计，所述泵浦源为侧泵泵浦源。

所述的探测光源发出的探测光束为光斑内能量均匀分布发散角小的平行光源。

所述探测光源发出的探测光束经过所述准直扩束镜后的直径a₁小于所述激光棒的直径D。

所述小孔光阑的孔径d小于所述探测光源发出的探测光束通过所述激光棒和聚焦透镜后到达所述小孔光阑所在平面处的光斑直径D₁。

一种激光棒热透镜焦距测量装置的测量方法，包括下述步骤，步骤一：打开探测光源，探测光源发出的探测光束通过准直扩束镜，经过准直扩束的探测光束通过激光棒后，又通过聚焦透镜和小孔光阑，功率计测量通过小孔光阑后的激光功率值。所述的激光棒的长度中心与所述的聚焦透镜之间的距离为b，所述的聚焦透镜与所述的小孔光阑之间的距离为h，所述的聚焦透镜的焦距为f₁,，小孔光阑的孔径为d。在未开启激光棒泵浦源之前，激光棒工作介质均匀，不影响光束波前形状，此时探测光束通过激光棒、聚焦透镜后到达小孔光阑所在平面处的光斑直径为D₁，功率计测得的功率为P₁；步骤二：测出P₁后，再开启激光棒泵浦源，此时由于激光棒对入射探测光具有会聚作用，相当于焦距为f的热透镜。所述探测光源发出的探测光束通过所述准直扩束镜后经过所述激光棒会聚，再经过聚焦透镜进一步会聚，到达小孔光阑所在平面的光斑直径为D₂，探测光束再经过小孔光阑，功率计测得的功率为P₂；步骤三：计算出开启激光棒泵浦源后激光棒热透镜的焦距值。

所述步骤三中的激光棒热透镜焦距值根据下列公式计算获得，其中，f-热透镜焦距值，b-激光棒的长度中心与聚焦透镜之间的距离，f₁-聚焦透镜的焦距，h-聚焦透镜与小孔光阑之间的距离，P₁-未开启激光棒泵浦源，功率计测得的通过小孔光阑的激光功率值，P₂-保持探测光源参数不变，开启激光棒泵浦源，功率计测得的通过小孔光阑的激光功率值。

与现有技术相比，本发明的优点在于提供的激光棒热透镜焦距的测量装置和方法，测量过程无需移动任一元件，将测量长度转换为测量功率，操作方便且测量结果准确，便于进行自动化测量。

附图说明

图1为本发明实施例一未开启泵浦源时光路示意图(h>f₁)；

图2为本发明实施例一开启泵浦源时光路示意图(h>f₁)；

图3为本发明实施例二未开启泵浦源时光路示意图(h<f₁)

图4为本发明实施例二未开启泵浦源时光路示意图(h<f₁)。

1-探测光源；2-准直扩束镜；3-激光棒；4-聚焦透镜；

5-小孔光阑；6-功率计；7-泵浦源；8-热透镜。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1和图2所示，一种激光棒热透镜焦距的测量装置，包括探测光源1、准直扩束镜2、激光棒3、聚焦透镜4、小孔光阑5、功率计6和泵浦源7，在探测光源1的输出光路上依次设置准直扩束镜2、激光棒3、聚焦透镜4、小孔光阑5和功率计6，泵浦源7为侧泵泵浦源，激光棒3的长度中心与聚焦透镜4中心之间的距离为b，探测光源1发出的探测光束为平行光束，准直扩束镜2将探测光束扩束成为直径为a₁的平行光束，a₁小于激光棒3的直径D，小孔光阑5的孔径d小于直径为a₁的平行光束通过激光棒3、聚焦透镜4到达小孔光阑5所在平面处的光斑直径D₁，聚焦透镜4的中心与小孔光阑5的距离h大于聚焦透镜4的焦距f₁。

基于上述装置而实现的激光棒热透镜测量方法，包括以下步骤，

步骤一：打开探测光源1，如图1所示，探测光源1发出探测光束，通过准直扩束镜2后光束直径为a₁，平行入射到直径为D的激光棒，由于泵浦源7未开启状态下，激光棒工作介质均匀，不影响光束波前形状，探测光束通过激光棒3后依然为直径为a₁的平行光，平行光经过聚焦透镜4后汇聚于光轴，汇聚点到聚焦透镜4中心的距离为聚焦透镜4的焦距值f₁，到达小孔光阑5所在平面处的光斑直径为D₁，通过小孔光阑5之前激光功率为P₀，探测光束再经过小孔光阑5，由于小孔光阑5的直径d比光斑直径D₁小很多，则功率计6测得的功率为P₁：

步骤二：保持探测光源参数不变，开启泵浦源7，由于热透镜效应，激光棒3对入射探测光具有会聚作用，相当于焦距为f的热透镜8，探测光束通过准直扩束镜后变为直径为a₁的平行光，经过激光棒3会聚，再经过聚焦透镜4进一步会聚于光轴，此时会聚点到聚焦透镜4中心的距离为f₂，该光束到达小孔光阑5所在平面的光斑直径为D₂，探测光束再经过小孔光阑5，功率计6测得的功率为

因此，

如图1和图2，由几何关系可以得到：

联立②③两式，可得：

将④代入⑤可得：

对图2中所述的聚焦透镜4用高斯公式，可得：

$\frac{-f_1}{f-b}+\frac{f_1}{f_2}=1\&DoubleRightArrow;f_2=\frac{f_1(f-b)}{f+f_1-b}$

将上式带入⑥并化简可得激光棒热透镜3的热透镜焦距值：

$f=\frac{b(f_1-h)+f_{1}h}{(h-f_1)(1-\sqrt{P_2/P_1})}\sqrt{P_2/P_1}$

其中，f为激光棒3的热透镜焦距值，b为激光棒3的长度中心与聚焦透镜4中心之间的距离，h为聚焦透镜4的中心与小孔光阑5之间的距离，f₁为聚焦透镜4的焦距，P₁为泵浦源开启前功率计测得的功率，P₂为泵浦源开启后功率计测得的功率；

步骤三：将泵浦源7开启前功率计测得的功率P₁和泵浦源7开启后功率计测得的功率P₂代入公式计算得到激光棒3在泵浦源7开启后的热透镜焦距值f。

根据上述步骤实施一个具体的方案，激光棒3为Nd³⁺:YAG棒，激光棒3直径为6.5mm，激光棒的泵浦源7为半导体激光，半导体激光供电电压为直流电，电压为0到55V，电流0到30A。探测光源1为He-Ne激光源，发出的探测光束为光强均匀分布发散角极小的平行光，输出光束直径为1mm，准直扩束镜2扩束倍数为5倍，经过扩束后探测光束直径为5mm，聚焦透镜4焦距f₁＝50mm，小孔光阑孔径d为1mm，激光棒3的长度中心与聚焦透镜4中心之间的距离b＝70mm，聚焦透镜4的中心与小孔光阑5之间的距离h＝100mm，大于聚焦透镜的焦距f₁＝50mm。

测量步骤如下：

开启He-Ne激光器，激光棒的泵浦源7不打开，He-Ne激光器发出探测光，通过准直扩束镜2后光束直径为5mm，平行入射到直径为6.5mm的激光棒3上，平行入射光通过激光棒3后，透射光依次通过聚焦透镜4及小孔光阑5，到达功率计6。此时功率计测量结果为P₁＝540mW；保持探测光束参数不变，开启泵浦源7，将泵浦源7电流设14A，电压为40V。功率计6的读数稳定后，记录此时的读数P₂＝520mW；将测量值P₁和P₂代入公式计算得到激光棒此时的热透镜焦距值为1574mm。

实施例二：如图3和图4所示，一种激光棒热透镜焦距的测量装置，包括探测光源1、准直扩束镜2、激光棒3、聚焦透镜4、小孔光阑5、功率计6和泵浦源7，在探测光源1的输出光路上依次设置准直扩束镜2、激光棒3、聚焦透镜4、小孔光阑5和功率计6，泵浦源7为侧泵泵浦源，激光棒3的长度中心与聚焦透镜4中心之间的距离为b，探测光源1发出的探测光束为平行光束，准直扩束镜2将探测光束扩束成为直径为a₁的平行光束，a₁小于激光棒3的直径D，小孔光阑5的孔径d小于直径为a₁的平行光束通过激光棒3、聚焦透镜4到达小孔光阑5所在平面处的光斑直径D₁，聚焦透镜4的中心与小孔光阑5的距离h小于聚焦透镜4的焦距f₁。

基于上述装置而实现的激光棒热透镜测量方法，包括以下步骤，

步骤一：打开探测光源1，如图3所示，探测光源1发出探测光束，通过准直扩束镜2后光束直径为a₁，平行入射到直径为D的激光棒，由于泵浦源7未开启状态下，激光棒工作介质均匀，不影响光束波前形状，探测光束通过激光棒3后依然为直径为a₁的平行光，平行光经过聚焦透镜4后汇聚于光轴，汇聚点到聚焦透镜4中心的距离为聚焦透镜4的焦距值f₁，到达小孔光阑5所在平面处的光斑直径为D₁，通过小孔光阑5之前激光功率为P₀，探测光束再经过小孔光阑5，由于小孔光阑5的直径d比光斑直径D₁小很多，则功率计6测得的功率为P₁：

步骤二：保持探测光源参数不变，开启泵浦源7，由于热透镜效应，激光棒3对入射探测光具有会聚作用，相当于焦距为f的热透镜8，探测光束通过准直扩束镜后变为直径为a₁的平行光，经过激光棒3会聚，再经过聚焦透镜4进一步会聚于光轴，此时会聚点到聚焦透镜4中心的距离为f₂，该光束到达小孔光阑5所在平面的光斑直径为D₂，探测光束再经过小孔光阑5，功率计6测得的功率为P₂：

因此，

如图3和图4，由几何关系可以得到：

联立②③两式，可得：

将④代入⑤可得：

对图2中所述的聚焦透镜4用高斯公式，可得：

$\frac{-f_1}{f-b}+\frac{f_1}{f_2}=1\&DoubleRightArrow;f_2=\frac{f_1(f-b)}{f+f_1-b}$

将上式带入⑥并化简可得激光棒热透镜3的热透镜焦距值：

$f=\frac{b(f_1-h)+f_{1}h}{(h-f_1)(1-\sqrt{P_2/P_1})}\sqrt{P_2/P_1}$

其中，f为激光棒3的热透镜焦距值，b为激光棒3的长度中心与聚焦透镜4中心之间的距离，h为聚焦透镜4的中心与小孔光阑5之间的距离，f₁为聚焦透镜4的焦距，P₁为泵浦源开启前功率计测得的功率，P₂为泵浦源开启后功率计测得的功率；

步骤三：将泵浦源7开启前功率计测得的功率P₁和泵浦源7开启后功率计测得的功率P₂代入公式计算得到激光棒3在泵浦源7开启后的热透镜焦距值f。

根据上述步骤实施一个具体的方案，激光棒3为Nd³⁺:YAG棒，激光棒3直径为6.5mm，激光棒的泵浦源7为半导体激光，半导体激光供电电压为直流电，电压为0到55V，电流0到30A。探测光源1为He-Ne激光源，发出的探测光束为光强均匀分布发散角极小的平行光，输出光束直径为1mm，准直扩束镜2扩束倍数为5倍，经过扩束后探测光束直径为5mm，聚焦透镜4焦距f₁＝50mm，小孔光阑孔径d为1mm，激光棒3的长度中心与聚焦透镜4中心之间的距离b＝70mm，聚焦透镜4的中心与小孔光阑5之间的距离h＝30mm，小于聚焦透镜的焦距f₁＝50mm。

测量步骤如下：

开启He-Ne激光器，激光棒的泵浦源7不打开，He-Ne激光器发出探测光，通过准直扩束镜2后光束直径为5mm，平行入射到直径为6.5mm的激光棒3上，平行入射光通过激光棒3后，透射光依次通过聚焦透镜4及小孔光阑5，到达功率计6。此时功率计测量结果为P₁＝340mW；保持探测光束参数不变，开启泵浦源7，将泵浦源7电流设19A，电压为40V。功率计6的读数稳定后，记录此时的读数P₂＝680mW；将测量值P₁和P₂代入公式计算得到激光棒此时的热透镜焦距值为495mm。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照具体实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (2)

1.一种激光棒热透镜焦距测量装置的测量方法，此方法采用的激光棒热透镜焦距的测量装置包括探测光源、准直扩束镜、激光棒、聚焦透镜、小孔光阑、功率计和泵浦源，所述探测光源的输出光路上沿光轴依次设置所述准直扩束镜、激光棒、聚焦透镜、小孔光阑和功率计；其具体的测量方法包括以下步骤：

（1）打开探测光源，探测光源发出的探测光束通过准直扩束镜平行入射到激光棒上，并透过所述激光棒通过聚焦透镜和小孔光阑，到达功率计，功率计测量透过小孔光阑后的探测光束功率值；

（2）保持探测光束参数不变，开启泵浦源，激光棒对入射探测光束具有会聚作用，相当于焦距为f的热透镜，探测光源发出的探测光束通过准直扩束镜后经过激光棒会聚，再经过聚焦透镜进一步会聚，然后透过小孔光阑到达功率计，功率计测量透过小孔光阑后的探测光束功率值；

（3）根据泵浦源开启前功率计测得的功率和泵浦源开启后功率计测得的功率计算激光棒的热透镜焦距值f。

2.如权利要求1所述的一种激光棒热透镜焦距测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤（3）中的热透镜焦距值是根据下列公式计算获得的，，

其中：f-热透镜焦距值，b-激光棒的长度中心与聚焦透镜之间的距离，f₁-聚焦透镜的焦距，h-聚焦透镜与小孔光阑之间的距离，P₁-未开启激光棒泵浦源，功率计测得的功率值，P₂-保持探测光源参数不变，开启激光棒泵浦源，功率计测得功率值。