CN105547656B - 一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法与装置包括如下步骤：通过一激发光源发射一束激发激光，激光穿过被测激光晶体，在被测激光晶体中产生热透镜；通过一测试激光发射源一束测试激光，该测试激光穿过被测激光晶体；在被测激光晶体与测试光源之间设置具有中心孔的衍射屏，测试激光穿过衍射屏中心孔入射到激光晶体；测试激光经激光晶体反射后再返回到衍射屏上，获得亮暗相间的衍射图样；根据衍射图样计算晶体热透镜焦距。本发明采用上述方法技术方案具有以下技术效果，能够用于在线实时测量侧面泵浦与端面泵浦激光器中激光晶体热透镜焦距，这将为控制晶体热效应以及激光器研制提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种固态激光器中激光晶体的热透镜效应在线实时测量的方法与装置。
背景技术
通常情况下，如图1所示（以侧面泵浦为例），固体激光器在运转过程中，晶体吸收的泵浦光能量除小部分转化为激光输出外，大部分将转化成热并沉积在晶体内，使晶体温度明显升高而形成温度梯度。
如图2所示，温度梯度的产生将改变晶体的折射率分布，使其变成类透镜介质，此时光束再通过晶体时就会发生聚焦，这种现象被称为晶体的热透镜效应。晶体热效应的存在将严重影响激光器的整体输出性能，如：谐振腔的稳定性、腔模尺寸、模式耦合效率、输出光束质量等，因此，如何消除或减小晶体热透镜效应已经成为激光器研制领域亟待解决的重要课题之一。
测量激光晶体热透镜焦距是研究晶体热效应最有效的一种方法。目前，针对不同结构的激光器已经发展了许多种测量晶体热透镜焦距的方法：
1）对于侧面泵浦激光器报道比较多的是探测光测量法，该方法原理比较简单，但是，由于探测光与振荡激光波长不等，晶体热效应对它们的波相差不同，且在实验中很难精确确定探测光的焦点位置。另外，该方法不适用于端面泵浦固体激光器。
2）对于端面泵浦激光器，测量热透镜焦距的方法比较多。其中，横模拍频法和CCD照相法装置比较复杂；非稳腔法装置简单，但它不能直接测量激光运转时晶体的热透镜焦距；狭缝扫描法装置也比较简单，但理论相对复杂，需测量大量数据拟合获得热透镜焦距。因此，激光晶体热焦距测量仍是激光器研制领域一个重要研究课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上问题，提供一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，该方法能够简单、高效的在线实时测量侧面泵浦与端面泵浦激光器中激光晶体的热透镜焦距。
本发明还提供了一种用于在线实时测量侧面泵浦与端面泵浦激光器中激光晶体热透镜焦距的装置，该装置结构简单、操作方便、应用范围广。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，包括如下步骤：
a、通过一激发光源发射一束激发激光，激光穿过被测激光晶体，在被测激光晶体中产生热透镜；
b、通过一测试激光发射源一束测试激光，该测试激光穿过被测激光晶体；
c、在被测激光晶体与测试光源之间设置具有中心孔的衍射屏，测试激光穿过衍射屏中心孔入射到激光晶体；
d、测试激光经激光晶体反射后再返回到衍射屏上，获得亮暗相间的衍射图样；
e、根据衍射图样计算晶体热透镜焦距。
以下是本发明的进一步改进：
所述激发光源为泵浦激光器。
进一步改进：
测试激光发射源为He-Ne激光器。
进一步改进：
测试激光与激发激光入射方向相反。
进一步改进：
激发光源、测试激光发射源、衍射屏（3）中心孔及激光晶体（2）同轴设置。
进一步改进：
晶体的热透镜焦距为：
其中，为圆孔衍射半角宽度，值与测试激光波长λ、小孔直径D及衍射圆环的级次有关,对于第一暗环；
a为修正系数；
R为衍射屏（3）上衍射图中任一亮（或暗）环半径；
f为晶体热透镜焦距；
L为激光晶体（2）后表面与衍射屏（3）的距离。
进一步改进：
包括激光晶体（2）、泵浦激光器（1）、He-Ne激光器（4）及具有中心孔的衍射屏（3）。
进一步改进：
激光晶体（2）的一侧设置泵浦激光器（1）；
激光晶体（2）的另一侧设有He-Ne激光器（4）；
He-Ne激光器（4）与激光晶体（2）之间设有具有中心孔的衍射屏（3）。
进一步改进：
泵浦激光器（1）输出激光、He-Ne激光、激光晶体（2）与衍射屏（3）中心孔同轴。
进一步改进：
泵浦激光器（1）用于输出激光并穿过激光晶体（2）在激光晶体（2）中产生热透镜；
He-Ne激光器（4）用于发出He-Ne激光穿过激光晶体（2）；
He-Ne激光器（4）用于发出激光穿过衍射屏（3）的中心孔小孔入射到激光晶体（2），He-Ne激光器（4）输出激光经激光晶体（2）反射后再返回到衍射屏（3）上。
本发明采用上述方法技术方案具有以下技术效果，能够用于在线实时测量侧面泵浦与端面泵浦激光器中激光晶体热透镜焦距，这将为控制晶体热效应以及激光器研制提供科学依据。
本发明采用上述装置结构简单、操作方便、应用范围广，不会影响激光器的正常运转。
下面结合附图和实施例对本新型作进一步说明。
附图说明
附图1为本发明背景技术中端面泵浦激光器工作示意图；
附图2为本发明背景技术中激光晶体热透镜效应等效图；
附图3为本发明中晶体热透镜焦距测量装置的结构示意图。
图中：1-泵浦激光器；2-激光晶体；3-衍射屏；4-He-Ne激光器。
具体实施方式
实施例1，如图3所示，一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，包括如下步骤：
1、在被测激光晶体2的一侧设置泵浦激光器1，泵浦激光器1输出激光并穿过激光晶体2，在激光晶体2中产生热透镜。
2、在被测激光晶体2的另一侧设置一平行激光发射装置，通过平行激光发射装置发出测试激光，如He-Ne激光器4，He-Ne激光器4发出He-Ne激光穿过激光晶体2；
泵浦激光器1输出激光的方向与He-Ne激光器4输出激光的方向相反。
3、在被测激光晶体2与He-Ne激光器4之间设置具有中心孔的衍射屏3，He-Ne激光器4发出激光穿过衍射屏3中心孔入射到激光晶体2；
泵浦激光器1输出激光、激光晶体2、He-Ne激光与衍射屏3的中心孔同轴。
4、He-Ne激光器4输出激光经激光晶体2反射后再返回到衍射屏3上，获得亮暗相间的衍射图样；
由于衍射屏3中心孔的直径比较小，He-Ne激光经小孔透射后将出现衍射现象，亮暗相间的衍射图样经晶体反射后将呈现在衍射屏3上。
5、根据衍射图样计算晶体热透镜焦距。
衍射图样的亮（或暗）环半径与浦激光器输出强度有如下关系：当增大泵浦激光输出强度P时，晶体热效应增强热透镜焦距f变小，衍射屏上衍射图样的亮（或暗）环半径R增大，即衍射图样的亮（或暗）环半径R与浦激光器输出强度P成正比关系（R∝P）与f成反比关系（R∝1/f）。
6、计算公式如下：
测试光He-Ne激光的波长λ已知，若给定小孔直径D及晶体后表面与衍射屏3的距离L，根据He-Ne激光传输过程很容易求出晶体热透镜焦距与衍射屏3上衍射图中任一亮（或暗）环半径R的关系，从而由R值求出值。半径R可以通过在衍射屏3上设置刻度线直接读出，也可以通过测量得出。
由于整个光路中光束衍射角、反射角都非常小，可以认为其正弦、正切函数与弧度值近似相等，这样很容易求得晶体的热透镜焦距为：
其中，为圆孔衍射半角宽度，值与测试激光波长λ、小孔直径D及衍射圆环的级次有关,对于第一暗环；a为修正系数，因为晶体热透镜与理想凸透镜有一定差异，且激光器的泵浦光束腰位置对衍射环的大小也会稍有影响，可通过实验修正。
实施例2，一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的装置，包括激光晶体2、泵浦激光器1及He-Ne激光器4，激光晶体2的一侧设置泵浦激光器1，激光晶体2的另一侧设有He-Ne激光器4，He-Ne激光器4与激光晶体2之间设有具有中心孔的衍射屏3，泵浦激光器1输出激光并穿过激光晶体2，在激光晶体2中产生热透镜，He-Ne激光器4发出He-Ne激光穿过激光晶体2，He-Ne激光器4发出激光穿过衍射屏3的中心孔小孔入射到激光晶体2，泵浦激光器1输出激光、He-Ne激光、激光晶体2与衍射屏3中心孔同轴，He-Ne激光器4输出激光经激光晶体2反射后再返回到衍射屏3上，获得亮暗相间的衍射图样，根据衍射图样计算晶体热透镜焦距。衍射屏3上可以设置刻度线方便直接读出数值。
显然，该方法与装置不影响泵浦激光器正常运转，当改变泵浦能量时，测量方法与装置无需做任何改变即可在线实时获得晶体的热透镜焦距，而且该方案同样适用于侧面泵浦激光器。
Claims (8)
1.一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、通过一激发光源发射一束激发激光，激光穿过被测激光晶体（2），在被测激光晶体（2）中产生热透镜；
b、通过一测试激光发射源发射一束测试激光，该测试激光穿过被测激光晶体（2）；
c、在被测激光晶体（2）与测试激光发射源之间设置具有中心孔的衍射屏（3），测试激光穿过衍射屏（3）中心孔入射到激光晶体（2）；
d、测试激光经激光晶体（2）反射后再返回到衍射屏（3）上，获得亮暗相间的衍射图样；
e、根据衍射图样计算晶体热透镜焦距。
2.根据权利要求1所述的在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，其特征在于：所述激发光源为泵浦激光器（1）。
3.根据权利要求1所述的在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，其特征在于：测试激光发射源为He-Ne激光器（4）。
4.根据权利要求1所述的在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，其特征在于：测试激光与激发激光入射方向相反。
5.根据权利要求1所述的在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，其特征在于：激发光源、测试激光发射源、衍射屏（3）中心孔及激光晶体（2）同轴设置。
6.根据权利要求1所述的在线实时测量激光晶体热透镜焦距的方法，其
特征在于：晶体的热透镜焦距计算公式为：
其中，为圆孔衍射半角宽度，值与测试激光波长λ、小孔直径D及衍射圆环的级次有关,对于第一暗环；
a为修正系数；
R为衍射屏（3）上衍射图中任一亮（或暗）环半径；
f为晶体热透镜焦距；
L为激光晶体（2）后表面与衍射屏（3）的距离。
7.一种在线实时测量激光晶体热透镜焦距的装置，其特征在于：包括激光晶体（2）、泵浦激光器（1）、He-Ne激光器（4）及具有中心孔的衍射屏（3）；
激光晶体（2）的一侧设置泵浦激光器（1）；
激光晶体（2）的另一侧设有He-Ne激光器（4）；
He-Ne激光器（4）与激光晶体（2）之间设有具有中心孔的衍射屏（3）；
泵浦激光器（1）用于输出激光并穿过激光晶体（2）在激光晶体（2）中产生热透镜；
He-Ne激光器（4）用于发出He-Ne激光穿过激光晶体（2）；
He-Ne激光器（4）用于发出激光穿过衍射屏（3）的中心孔小孔入射到激光晶体（2），He-Ne激光器（4）输出激光经激光晶体（2）反射后再返回到衍射屏（3）上。
8.根据权利要求7所述的在线实时测量激光晶体热透镜焦距的装置，其特征在于：泵浦激光器（1）输出激光、He-Ne激光、激光晶体（2）与衍射屏（3）中心孔同轴。
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