CN107560825A - 掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置，包括：至少包含板条激光晶体、泵浦源的激光放大器；沿光向在同一光轴上依次设置的探测光源、第一透镜、第二透镜；垂直于探测光光轴设置的纸屏；所述第一透镜与第二透镜之间的距离为第一透镜与第二透镜的焦距之和；探测光依次经所述第一透镜、所述第二透镜照射到所述板条激光晶体泵浦面上，再经所述板条激光晶体泵浦面反射后于所述纸屏上形成光斑。该装置简单，不需要特殊的设备和仪器既即可以实时测得激光放大器热转换系数。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置及测量方法。
背景技术
在激光技术领域，测量固体激光器的热转换系数具有非常重要的实际意义。不同提取情况下，热转换系数差别很大，尤其对于小信号高增益的全固态激光器而言，提取较低，热转换系数会大幅提高，只有准确的掌握了热转换系数，才可以更加准确地分析晶体内的热效应。常用的测量热转换系数方法主要有非稳腔法和二次谐波法。上述两种方法都是在泵浦功率提取很高的情况下测量的，无法测量提取较低时的热转换系数。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置。该装置简单，不需要特殊的设备和仪器，且利用该装置的测量方法操作简单。
本发明的技术方案为：
一种掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置，包括：
至少包含板条激光晶体、泵浦源的激光放大器；
沿光向在同一光轴上依次设置的探测光源、第一透镜、第二透镜；
垂直于经所述板条激光晶体反射的探测光光轴设置的纸屏；
所述第一透镜与第二透镜之间的距离为第一透镜与第二透镜的焦距之和；
探测光依次经所述第一透镜、所述第二透镜照射到所述板条激光晶体上，再经所述板条激光晶体反射后于所述纸屏上形成光斑。
所述第一透镜和所述第二透镜组成望远镜系统。
经所述第一透镜与所述第二透镜组成的望远镜系统扩束后的探测光束直径大于板条激光晶体的厚度。通过调节所述第一透镜的焦距与所述第二透镜的焦距即可以控制望远镜系统的扩束比f2/f1。作为优选，所述第一透镜的焦距f1＝10～500mm，所述第二透镜的焦距f2＝10～500mm。
作为优选，所述纸屏与所述板条激光晶体之间的距离为2～10m。
本发明的原理是：掠入射板条结构激光放大器中板条激光晶体在沿厚度方向上，上下两个大面之间未泵浦的区域，温度分布为线性，引起线性的折射率变化，形成轴棱镜结构，而泵浦中心线附近区域，温度分布为抛物线，引入折射率分布中的二次项，形成热透镜。当用一束准直的探测光通过板条激光晶体时，由于光束尺寸比板条激光晶体厚度方向泵浦尺寸大得多，只有轴棱镜结构部分的影响比较明显，探测光将分裂成两部分，在远场就可以观测到探测光光斑分裂。通过测量光斑分裂的距离就可以计算得到热转换系数。
利用上述测量装置测量掠入射板条结构激光放大器热转换系数的方法，包括以下步骤：
(1)选择由第一透镜和第二透镜组成的望远镜系统的扩束比，利用该望远镜系统对探测光进行扩束，使扩束后的探测光束直径大于板条激光晶体的厚度；
(2)测量板条激光晶体泵浦面长度l、探测光在板条激光晶体上的内入射角θ，查阅资料获得板条激光晶体的折射率n、导热系数k、热膨胀系数α、折射率温度系数dn/dT、泵浦光的有效吸收系数αp；
(3)调整激光放大器的泵浦功率置于25W及以上，使激光放大器工作在待测状态；
(4)测量纸屏与板条激光晶体之间的距离L、纸屏上光斑分开距离H；
(5)对多次测量的光斑分开距离H、与光斑分开距离H对应的泵浦功率P进行直线拟合，得到直线斜率K，根据以下公式得到热转换系数ξ：
步骤(5)中，拟合直线的纵坐标为斑分开距离H，横坐标为泵浦功率P。
本发明测量方法可以实时在线地测量掠入射板条结构激光放大器热转换系数，测量结果精度较高。该方法操作简单，只需要测量不同泵浦功率下，纸屏上探测光光斑分开距离，直线拟合后得到直线斜率，代入公式即计算得到热转换系数的结果。
附图说明
图1是本发明实施例掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置的结构示意图；
图2是实施例1中探测光束在纸屏上形成的光斑分裂图；
图3是实施例1中激光放大器在不同工作条件下的热转换系数值。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明实施例掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置的结构示意图。如图1所示，该测量装置包括：包含板条激光晶体4、LD泵浦源6、半波片7、垂直方向柱透镜8的激光放大器；沿光向在同一光轴上依次设置的探测光源1、第一透镜2、第二透镜3；垂直于经板条激光晶体4反射的探测光光轴设置的纸屏5；第一透镜2与第二透镜3之间的距离d为第一透镜与第二透镜的焦距之和；探测光依次经第一透镜2、第二透镜3照射到板条激光晶体4泵浦面上，再经板条激光晶体4泵浦面反射后于纸屏5上形成光斑。
第一透镜2与第二透镜3形成望远镜系统，通过调节第一透镜2的焦距与第二透镜3的焦距控制望远镜系统的扩束比f2/f1，使扩束后的探测光束直径大于板条激光晶体4的厚度。
第一透镜2的焦距f1＝10～500mm，第二透镜3的焦距f2＝10～500mm。
纸屏5与板条激光晶体4之间的距离为2～10m。
利用上述测量系统测量掠入射板条结构激光放大器热转换系数的方法，包括以下步骤：
(1)选择由第一透镜2和第二透镜3组成的望远镜系统的扩束比，利用该望远镜系统对探测光进行扩束，使扩束后的探测光束直径大于板条激光晶体4的厚度；
(2)测量板条激光晶体4泵浦面长度l、探测光在板条激光晶体4上的内入射角θ，查阅资料获得板条激光晶体4的折射率n、导热系数k、热膨胀系数α、折射率温度系数dn/dT、泵浦光的有效吸收系数αp；
(3)调整激光放大器的泵浦功率置于25W及以上，使激光放大器工作在待测状态；
(4)测量纸屏5与板条激光晶体4之间的距离L、纸屏5上光斑分开距离H；
(5)对多次测量的光斑分开距离H(纵坐标)、与光斑分开距离H对应的泵浦功率P(横坐标)进行直线拟合，得到直线斜率K，根据以下公式得到热转换系数ξ：
实施例1
本实施例中，探测光源1为波长632nm的HeNe激光，激光器为基模输出，连续波方式工作，激光器出口处的激光光束半径约为0.3mm，远场发散角为1.13mrad。望远镜系统中第一透镜2的焦距为f1＝15mm，到探测光源的距离为15mm，第二透镜3的焦距f2＝70mm，第一透镜2和第二透镜3之间的距离d＝f1+f2＝85mm。探测光束经过望远镜系统后的光束半径约为1.5mm，远场发散角为0.25mrad。
激光放大器为波长为1064nm的全固态激光器，波长1064nm的全固态激光器的工作介质为Nd:YVO4激光晶体4，也就是板条激光晶体4为Nd:YVO4激光晶体。
Nd:YVO4激光晶体4切割方向为a-cut，Nd3+离子的掺杂浓度为1at.％,Nd:YVO4激光晶体4尺寸为20mm×5mm×0.8mm，靠近泵浦源一表面尺寸为20mm×0.8mm，另一表面尺寸为22mm×0.8mm，两个通光端面寸为5mm×0.8mm，Nd:YVO4激光晶体4使用液态金属涂覆后放置于紫铜夹具中，紫铜夹具采用通水冷却，实验中水温设置为18℃。
全固态激光器采用波长为808nm的激光二极管6侧面抽运方式工作，808nm半波片7将抽运光的偏振方向旋转90°(TM偏振)，使偏振态和c轴平行，再通过垂直方向柱透镜8将泵浦光为束腰聚焦到Nd:YVO4激光晶体泵浦表面中心。实验中的抽运光功率为25W～55W。
探测光进入Nd:YVO4激光晶体4后，在Nd:YVO4激光晶体4泵浦表面反射，出射后照射在纸屏5上，形成如图2所示的分裂图样。纸屏5距离Nd:YVO4激光晶体4端面的距离为L＝5m，在泵浦功率25W，30W，35W，40W，45W,50W,55W时，分别测量纸屏上探测光的分裂距离为161mm，194mm，225mm，258mm，290mm，322mm，354mm。横坐标为泵浦功率，纵坐标为探测光分裂距离，线性拟合得到直线斜率K为6.44。将如K值带入以下公式：
得到在上述工作条件下的激光晶体的热转换系数ξ＝0.37。
将1W的种子光通入板条激光晶体放大，泵浦功率为55W时得到14W的放大激光输出，按照上述步骤测量得到的热转换系数为0.29。
图3示出了不同种子光功率提取时的激光晶体的热转换系数，都是在激光输出的同时实时在线地测量。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置，其特征在于，包括：
至少包含板条激光晶体、泵浦源的激光放大器；
沿探测光传播方向在同一光轴上依次设置的探测光源、第一透镜、第二透镜；
垂直于经所述板条激光晶体反射的探测光光轴设置的纸屏；
所述第一透镜与第二透镜之间的距离为第一透镜与第二透镜的焦距之和；
探测光依次经所述第一透镜、所述第二透镜照射到所述板条激光晶体泵浦面上，再经所述板条激光晶体泵浦面反射后于所述纸屏上形成光斑。
2.如权利要求1所述的掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置，其特征在于，经所述第一透镜与所述第二透镜组成的望远镜系统扩束后的探测光束直径大于板条激光晶体的厚度。
3.如权利要求1所述的掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置，其特征在于，所述第一透镜的焦距f1＝10～500mm，所述第二透镜的焦距f2＝10～500mm。
4.如权利要求1所述的掠入射板条结构激光放大器热转换系数的测量装置，其特征在于，所述纸屏与所述板条激光晶体之间的距离为2～10m。
5.一种利用权利要求1～4任一所述测量装置测量掠入射板条结构激光放大器热转换系数的方法，包括以下步骤：
(1)选择由第一透镜和第二透镜组成的望远镜系统的扩束比，利用该望远镜系统对探测光进行扩束，使扩束后的探测光束直径大于板条激光晶体的厚度；
(2)测量板条激光晶体泵浦面长度l、探测光在板条激光晶体上的内入射角θ，查阅资料获得板条激光晶体的折射率n、导热系数k、热膨胀系数α、折射率温度系数dn/dT、泵浦光的有效吸收系数αp；
(3)调整激光放大器的泵浦功率置于25W及以上，使激光放大器工作在待测状态；
(4)测量纸屏与板条激光晶体之间的距离L、纸屏上光斑分开距离H；
(5)对多次测量的光斑分开距离H、与光斑分开距离H对应的泵浦功率P进行直线拟合，得到直线斜率K，根据以下公式得到热转换系数ξ：
<mrow>
<mi>&xi;</mi>
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<mi>T</mi>
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