CN105606339B - 一种基于面积法测量脉冲激光器激光损耗的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于面积法测量脉冲激光器激光损耗的方法。实验中应用脉冲电流钳测量泵浦源泵浦能量情况，并与示波器任一通道相连，可以在示波器上直观检测到泵浦源的泵浦波形。应用光电探测器测量输出激光，并与示波器任一通道相连，可以在示波器上直观检测到输出激光的能量波形。两者之间存在着延迟时间，这里我们提出延迟时间范围内脉冲波形之间的面积即可以表示激光损耗。

Description

一种基于面积法测量脉冲激光器激光损耗的方法

技术领域

本发明属于固体激光技术领域，涉及一种使用光电探测器、脉冲电流钳、示波器等器件，通过面积法准确测量和计算脉冲激光器激光损耗的方法。

背景技术

激光损耗是衡量激光模块的一个重要参数指标。激光器产生激光的前提是能级间产生粒子数密度反转分布，由于光波在实现粒子数密度反转分布的介质中传播时会产生损耗，只有当增益的能量可以补偿损耗的能量，才可能产生激光，所以损耗与增益的关系对激光的产生起到至关重要的作用。因此，准确的测量激光损耗是实现激光的产生以及实现各种激光技术途径的前提条件。

目前所采用的测量脉冲激光器激光损耗的方法为固体激光工程中介绍的Findlay-Clay分析法。该方法主要利用反射率不同的输出镜，测量不同注入能量下的激光能量，通过数据拟合计算泵浦阈值，再通过输出镜反射率与泵浦阈值的关系，求解出激光损耗。Findlay-Clay分析法还需要改变谐振腔的腔型结构，这对于实验条件一致性的要求非常高，不可避免的会带来一定的实验误差。因此，为了使测量和计算的结果更加准确，需要改进上述测量方法，设计一种能够准确测量和计算脉冲激光器激光损耗的新方法。

发明内容

本发明的目的在于设计一种能够准确测量和计算脉冲激光器激光损耗的方法，解决现有方法所存在的测量和计算结果的误差。

本发明的目的是这样实现的：测量脉冲激光器激光损耗的新方法，光路整体结构包括:激光工作物质1；抽运模块2；全反镜3和输出镜8，两者构成激光谐振腔；激光器电源5。输出激光之后对于激光的测量部分主要用到的器件包括：脉冲电流钳4；光电探测器7；示波器6。其主要特征表现为：应用脉冲电流钳测量泵浦源泵浦能量情况，并与示波器任一通道相连，可以在示波器上直观检测到泵浦能量波形。利用光电探测器具有响应快、响应灵敏的特点，可以准确测量激光建立时间。正是由于激光器存在临界振荡条件，只有当粒子数反转的激活介质中增益至少能够补偿损耗，这样才能形成激光振荡，调节示波器，在示波器上必然会形成相互之间存在延迟的两个脉冲波形，一个为泵浦源泵浦能量波形，一个为输出激光脉冲能量波形，这里我们创造性的提出了延迟部分的面积即可以代表激光损耗值。

本发明的测试原理如下：

激光模块增益与泵浦能量密切相关，小信号增益可以表述为

(1)

上式为激光受激发射截面，为光子能量，为晶体抽运体积，为抽运功率，抽运时间，为转化效率。

泵浦波形可以视为任意波形，激光泵浦能量可以通过积分进行表示：

(2)

下面我们用符号表示示波器纵坐标的幅值，横坐标表示的是泵浦时间，泵浦功率与示波器幅值之间存在如下关系式

(3)

其中表示泵浦功率和示波器幅值之间的比例系数，那么我们可以用脉冲波形在示波器的面积表示激光泵浦能量

(4)

即

(5)

采用输出镜反射率时，激光建立时间为，采用输出镜反射率时，激光建立时间为，激光晶体长度为，激光开始振荡时，应满足下面关系，即

(6)

其中为固有损耗，则有

(7)

(8)

因此可以得到损耗

(9)

即

(10)

其中表示的是输出镜反射率为时，延迟时间范围内泵浦能量波形和输出激光脉冲能量波形的面积；表示的是输出镜反射率为时，延迟时间范围内泵浦能量波形和输出激光脉冲能量波形的面积；实验中，需要测量两种输出镜反射率情况下激光的延迟时间，而这个延迟时间可以通过示波器准确读出，通过积分计算示波器中波形的面积，带入公式(10)进行计算，可以计算出激光损耗。

本发明的优点是：(1)本发明不需测量不同输出镜反射率条件下的激光阈值并进行数据拟合进而求出激光损耗，避开了大量的实验测试过程。(2)本发明不需要更换多组反射率不同的输出镜以及改变谐振腔腔型结构进行测量，避免了实验条件的改变所造成的实验测试结果的误差。(3)本发明将激光损耗与示波器中泵浦波形的面积相对应，泵浦能量脉冲波形和激光脉冲波形的延迟时间可以从示波器中准确读出，而对于激光损耗大小的准确数值只需要计算两组输出镜反射率情况下延迟时间范围内脉冲波形的面积，然后带入推倒的公式(10)进行求解。因此，本发明是实现激光损耗准确计算的一个有效方法。

附图说明

图1：为激光建立时间测试方案示意图。

图2：为光电探测器和脉冲电流钳的采集结果图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明。

图1所示的是激光建立时间测试方案示意图。实验主要应用到的器件为LD侧面泵浦脉冲Nd:YAG激光器，输出波长为1064nm，包括：激光工作物质1，抽运模块2，全反镜3和输出镜8，两者构成激光谐振腔，激光器电源5；输出激光之后对于激光的测量部分主要用到的器件包括：脉冲电流钳4，光电探测器7，示波器6。通过选用两组反射率不同的输出镜进行激光调试实验，当激光效果达到最佳时，将光电探测器7与示波器6任一通道相连，为了避免激光损伤光电探测器7，应将光电探测器7放置在激光输出端的一个侧面进行激光脉冲的采集。脉冲电流钳4与示波器6任一通道相连，钳头部分钳入激光器电源与激光器之间的正极连接线或负极连接线任一条连接线均可，测量激光电源输出能量波形。通过调节示波器进行波形比较，判断激光建立时间。

图2所示的就是脉冲电流钳4和光电探测器7的采集结果示意图。调节示波器6，我们可以观察到两个脉冲波形分别表示为9和10。这里，9表示的就是脉冲电流钳4所检测到的泵浦源能量的脉冲波形，此波形可以代表方波也可以表示任意波形。10表示的是光电探测器7所检测到的脉冲激光能量波形。想要产生激光其中一个必要条件就是激光增益大于损耗。当泵浦源对工作物质进行泵浦的时候，需要一段时间建立激光振荡，即延迟时间t，接着求出两组输出镜反射率不同情况下，示波器6内延迟时间范围9和10之间图形的面积。对于面积的求解，首先需要保存示波器波形，可以得到示波器波形任意一点的横纵坐标；其次根据这些点的横纵坐标，我们可以得到延迟时间范围内泵浦源能量的脉冲波形幅值和时间的函数关系，通过积分这段函数我们就可以得到范围9和10之间图形的面积；最后将得到的面积带入推导公式(10)，即可更加精准的求出激光损耗。

特别指出，图2所示的脉冲电流钳4所检测到的泵浦源能量的脉冲波形9，若是方波的情况下，根据公式(7)和(8)可以得到损耗的表达式：

(11)

即

(12)

从公式(12)可以看出，泵浦源能量的脉冲波形为方波的情况下，我们只需改变两组输出镜反射率进行测量，用示波器6测量脉冲9和10之间的延迟时间和，即可求出激光损耗的准确值。

Claims (3)

1.一种基于面积法测量脉冲激光器激光损耗的方法，其特征表现为如下步骤：

(1)对于具有第一反射率的第一输出镜和具有第二反射率的第二输出镜，分别运用脉冲电流钳测量泵浦源，并与示波器任一通道相连，通过示波器得到第一和第二泵浦源脉冲能量波形；

(2)分别运用光电探测器探测输出激光，并与示波器任一通道相连，通过示波器得到第一和第二输出激光的脉冲能量波形；

(3)通过上述两个步骤分别从示波器中读取激光建立时间即泵浦源脉冲能量波形和输出激光的脉冲能量波形之间的第一和第二延迟时间；

(4)分别通过积分计算第一和第二延迟时间范围内脉冲能量波形的第一和第二面积，带入推导公式即能够求出脉冲激光器激光损耗，其中，所述推导公式为：

其中，L表示脉冲激光器激光损耗，S₁表示第一面积，S₂表示第二面积，R₁表示第一反射率，R₂表示第一反射率。

2.依据权利要求1中基于面积法测量脉冲激光器激光损耗的方法，其特征在于：泵浦源提供的脉冲能量波形能够是任意形状。

3.依据权利要求1中基于面积法测量脉冲激光器激光损耗的方法，其特征在于：泵浦源提供的脉冲能量波形若是方波的情况，只需要从示波器中得到泵浦源脉冲能量波形和输出激光的脉冲能量波形之间的延迟时间，带入推导公式即能够求出激光损耗。