CN108572061A - 全口径谐波转换效率测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全口径谐波转换效率测量系统及其测量方法，其中测量系统包括1053nm激光器以及沿其出射激光架设的测量光路，设置在测量光路上的倍频晶体运动控制装置，以及用于晶体准直的晶体自准直仪和光路准直的激光自准直仪、至少四个用于测量激光能量的卡计，测量方法主要采用测量系统并按如下步骤进行，激光光路准直、激光传输系数标定、待测晶体准直、待测二倍频晶体最佳匹配位置测量、待测三倍频晶体最大转换效率测量、平移测量和全口径三倍频最大转换效率测量七步。采用以上方案，实现对倍频转换效率的快速离线测量，且测量系统光路紧凑，空间占用小，成本较低，其测量精度高，操作方便可行，省时高效。

Description

全口径谐波转换效率测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于晶体生长、制造、装配、测量技术领域，具体涉及一种全口径谐波转换效率测量系统及其测量方法。

背景技术

在激光聚变领域，通常需要先借助二倍频晶体将1053nm基频光转换527nm二倍频光，再由三倍频晶体将1053nm基频光和527nm二倍频光转换成351nm三倍频光进行打靶，如美国NIF装置、法国LMJ装置、我国SG装置等，倍频晶体转换效率决定着倍频光输出能力。由于倍频转换效率在线测量调试成本高，耗费时间长，因此，倍频转换效率离线测量是实现在线三倍频光快速输出的唯一手段，倍频转换效率离线测量结果也成为评估在线三倍频输出能力的重要参考。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种全口径谐波转换效率测量系统及其测量方法，以实现倍频转换效率的快速离线测量，同时提高离线测量的测量精度。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种全口径谐波转换效率测量系统，其关键在于：包括1053nm激光器及架设在其出射光路上的第一透反镜、在第一透反镜反射光路上的第二透反镜、依次架设在第二透反镜反射光路上的第一单面高反镜和双面高反镜，在双面高反镜的两侧反射光路上分别架设有偏振片和标准镜，所述偏振片的出射光路上依次设置有倍频晶体运动控制装置和第二单面高反镜，所述第二单面高反镜的反射光路上依次架设有第三单面高反镜和第四单面高反镜，第四单面高反镜的反射光路上设有棱镜，其中第一透反镜为1053nm高反、527nm高透镜，第二透反镜为1053nm透反镜，第一单面高反镜为1053nm单面高反，双面高反镜为1053nm双面高反，第二单面高反镜、第三单面高反镜和第四单面高反镜均为1053nm、527nm、351nm单面高反镜，标准镜靠近偏振片的一面为1053nm透反膜，其透反比为1:1，另一面为1053nm高透膜；

所述倍频晶体运动控制装置远离偏振片的一侧设有晶体自准直仪控制装置，该晶体自准直仪控制装置上设有晶体自准直仪；

所述测量系统还包括能够测量激光能量的第一卡计、第二卡计、第三卡计和第四卡计。

采用以上方案，架设起一种全口径谐波转换效率的离线测量光路系统，确保可通过卡计完成对二倍频光能量、三倍频光能量和转化完的基频光能量的监测，即实现对激光能量的闭环动态监测，充分确保最后转换效率测量结果的精准度，且系统光路紧凑，占用空间较小，成本较低。

作为优选：所述棱镜为洛匈棱镜。由于输出的二倍频光偏振态与基频光、三倍频光垂直，而通过洛匈棱镜可将基频光、二倍频光和三倍频光相互分的更开，其分光效率更好，有利于进一步节省系统占用空间。

作为优选：所述第二透反镜的透射光路上设有第一平凹凹透镜，在洛匈棱镜的分光光路上分别设有第二平凹凹透镜、第三平凹凹透镜、第四平凹凹透镜，其中第一平凹凹透镜和第二平凹凹透镜均为1053nm双面高透平凹凹透镜，第三平凹凹透镜为527nm高透平凹凹透镜，第四平凹凹透镜为351nm高透平凹凹透镜。采用以上方案，可有效降低入射到卡计表面的功率密度，防止卡计受损。

作为优选：所述第一平凹凹透镜、第二平凹凹透镜、第三平凹凹透镜和第四平凹凹透镜均倾斜放置，平面迎光。采用以上方案，有利于防止透射激光将空气击穿或损伤其它测量元件，保持良好的测量环境。

作为优选：所述第一透反镜和第二透反镜之间设有法拉第隔离器。采用以上结构，可防止测量过程中晶体的反激光对激光器造成损伤。

一种全口径谐波转换效率测量方法，其关键在于，采用上述全口径谐波转换效率测量系统，并按如下步骤进行：

S1：激光光路准直，对入射1053nm激光光路及标准镜进行准直；

S2：激光传输系数标定；

标定输入的1053nm基频激光传输系数K₁₀₅₃；

标定第二单面高反镜至第二平凹凹透镜的1053nm的激光传输系数K＇＇₁₀₅₃；

标定输出的527nm激光传输系数K₅₂₇；

标定输出的351nm激光传输系数K₃₅₁；

S3：待测晶体准直，通过晶体自准直仪和标准镜对待测二倍频晶体、三倍频晶体进行准直；

S4：待测二倍频晶体最佳匹配位置测量，将第一卡计、第二卡计、第三卡计和第四卡计一一对应架设至第一平凹凹透镜、第二平凹凹透镜、第三平凹凹透镜和第四平凹凹透镜后方，开启1053nm激光器，调整二倍频晶体e轴转角，同时采集第一卡计和第三卡计读数，则可测出各测量位置的二倍频晶体频转换效率；

根据所测数值绘制二倍频转换效率与二倍频晶体e轴转角的关系曲线，并由此曲线求解出二倍频转换效率最大时对应的二倍频晶体e轴转角，此转角对应位置即为待测二倍频晶体最佳匹配位置；

S5：待测三倍频晶体单点最大转换效率测量，将待测二倍频晶体调整至最佳匹配位置，调整三倍频晶体e轴转角，同时采集第一卡计和第四卡计读数，则可求出各测量位置的三倍频转换效率；

绘制三倍频转换效率与三倍频晶体e轴转角关系曲线，并求解曲线极值，根据极值将待测三倍频晶体调整至极值对应的三倍频晶体e轴转角位置，再实测该位置的第一卡计和第四卡计读数，求出该点实际最大三倍频转换效率；

S6：平移测量，通过晶体自准直仪控制装置和倍频晶体运动控制装置分别将晶体自准直仪和待测晶体平移至另一指定点位，按步骤S3进行晶体准直，然后重复步骤S5和S6，测出并记录该点三倍频最大转换效率；

S7：全口径三倍频最大转换效率测量，重复步骤S6，完成对待测晶体多点的三倍频最大转换效率测量，即完成全口径三倍频最大转换效率的测量。

采用以上方案，可快速实现全口径的倍频转换效率离线测量，其测量耗时短，精度高，操作方便可行。

作为优选：在步骤S1中先采用DPL激光器进行粗准值，所述DPL激光器设置在第一透反镜远离法拉第隔离器的一侧，且其产生的DPL准直光与1053nm激光经第一透反镜的反射光同轴。

采用以上方案，因为1053nm基频光是肉眼不可见的脉冲光，又通常采用激光自准直仪进行准直，而激光自准直仪为小角度测量仪器，视场很小，很难一次就能将输入基频激光调至激光自准直仪视场内，因而通过DPL准直光先对光路进行粗准直，使其可落入激光自准直仪的视场内，再开启1053nm激光器，由于DPL准直光与测量激光同轴，传输路径又相同，故此时激光必定会出现在激光自准直仪视场内，再精调相关元器件，完成对入射的激光进行准直，这种粗准直与精准值相结合的准直方式有利于节省输入1053nm基频光的准直调试时间。

作为优选：所述DPL准直光是波长为527nm的连续绿光。采用以上方案，可降低准直激光功率需求，且更便于肉眼观测，提高可操作性。

作为优选：所述步骤S5中，当1053nm激光器输出激光功率密度大于1GW/cm²时，将待测三倍频晶体e轴调整至所求极值位置处后，需再调整二倍频晶体e轴转角，并采集第一卡计和第四卡计读数，绘制三倍频转换效率与二倍频晶体e轴转角的关系曲线，求解此关系曲线极值，再将待测二倍频晶体调整至该极值对应的二倍频晶体e轴转角位置，实测出该点该功率密度下的最大三倍转换效率值。采用以上方案，可在激光功率密度大于1GW/cm²时完成相应倍频转换效率的测量，提高测量方法的适用范围。

作为优选：所述步骤S4中调整二倍频晶体e轴转角以及步骤S5中调整三倍频晶体e轴转角时均匀速调整，且其调整步长为20μrad。采用以上方案，实现对待测晶体多点位的均匀测量，便于相应关系曲线的绘制及求解，从而提高测量效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明提供的全口径谐波转换效率测量系统及其测量方法，实现对倍频转换效率的快速离线测量，且测量系统光路紧凑，空间占用小，成本较低，其测量精度高，操作方便可行，省时高效。

附图说明

图1为本发明测量系统的结构示意图；

图2为本发明测量方法的操作步骤图；

图3为输入1053nm基频激光传输系数K₁₀₅₃标定光路示意图；

图4为第二单面高反镜e至第二平凹凹透镜k的1053nm的激光传输系数K＇＇₁₀₅₃的标定光路示意图；

图5为输出的527nm激光传输系数K₅₂₇的标定光路示意图；

图6为输出的351nm激光传输系数K₃₅₁的标定光路示意图；

图7为倍频转换效应示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参考图1和图7所示的全口径谐波转换效率测量系统及其测量方法，其中测量系统的部件及光路结构大体如图1所示，包括用于产生1053nm基频激光的1053nm激光器1，以及架设在1053nm激光器1光路上的第一透反镜a、在第一透反镜a的反射光路上架设有第二透反镜b、第二透反镜b的反射光路上架设有第一单面高反镜c、在第一单面高反镜c的反射光路上架设有双面高反镜d，双面高反镜d的两侧反射光路上分别架设有偏振片4和标准镜i，本实施例中1053nm激光器1为1053nm皮秒激光器，可以有效提高输入激光功率密度，同时由于激光脉宽短，激光与晶体表面作用时间短，可降低待测晶体表面热沉积(即晶体匹配位置对温度的敏感)，激光能量可调，可根据需要将入射激光调整至对应的功率密度，本申请中1053nm激光器1的参数为能量0-50mj可调，脉宽50ps，频率2HZ，光斑口径5mm，功率密度0-5GW/cm²。

在偏振片4的出射光一侧设有倍频晶体运动控制装置6，倍频晶体运动控制装置6远离偏振片4的一侧架设有第二单面高反镜e，第二单面高反镜e的反射光路上架设有第三单面高反镜f，第三单面高反镜f的反射光路上架设有第四单面高反镜g，第四单面高反镜g的反射光路上架设有棱镜h，棱镜h的主要作用是将射入的光线进行分光作用，使不同频率的光分开，以便很好的监测，故本申请中的棱镜h采用洛匈棱镜，这样可以将入射的基频光、二倍频光和三倍频光分的更开，其分光效率更高，在很短距离内将几种频率光分开间隙较大，有利于节省整个平台占用空间。

装置中，其中第一透反镜a为1053nm高反、527nm高透镜，并且具有1°劈角，其平面反射侧对应1053nm激光器1的入射激光，当1053nm激光入射时，可在第一透反镜a上形成反射光路，而当527nm的激光入射至其另一侧(劈角形成的斜面一侧)时，可在第一透反镜a上形成透射光路。

第二透反镜b为1053nm透反镜，即入射光线为1063nm激光时，既可发生反射又可发生透射，本实施例中，第二透反镜b具有1°劈角，劈角所处的斜面一侧为透射侧，其透反比为1:9，第一单面高反镜c为1053nm单面高反，为保证其反射率良好，第一单面高反镜c的背面磨砂，双面高反镜d为1053nm双面高反，即两面均可发生反射，同时其双面平行，可保证在后续测量过程中，入射到待测晶体表面的激光与入射至激光自准直仪2的激光指向一致，而其双面均为1053nm的高反膜，既可减少入射至待测晶体的激光的能力损失，又可高效衰减入射至激光自准直仪2的济钢能量，确保激光自准直仪2的感光器件的安全。

第二单面高反镜e、第三单面高反镜f和第四单面高反镜g均为1053nm、527nm、351nm单面高反镜，即指当入射激光为1053nm、527nm和351nm时，均可在第二单面高反镜e、第三单面高反镜f和第四单面高反镜g的反射面上产生反射，三者的背面均磨砂。标准镜i靠近偏振片4的一面为1053nm透反膜，即可使入射光从这一侧射入标准镜i时，既可发生透射又可发生反射，其透反比为1:1，另一面为1053nm高透膜，即指光线从这一侧入射时，只能发生透射，光路中单面反射元件背面均采用磨砂处理，双面反射元件则采用楔角设计，以消除多余反射光的影响，有利于进一步提高测量精度。

此外，本测量系统还包括晶体自准直仪控制装置5和四个卡计，晶体自准直仪控制装置5大体位于倍频晶体运动控制装置6远离偏振片4的一侧，其主要用于对待测晶体准直，提高测量精度的作用，卡计主要用于测量激光能量，四个卡计分别为第一卡计n、第二卡计o、第三卡计p和第四卡计q，本申请中，部分卡计涉及到重复利用，测量前期在进行传输系数的标定时会用到其中几个卡计，卡计的位置是变动的，而在最后测量步骤，四个卡计位置固定，用于监测不同激光的能量。

如图1所示，在第二透反镜b的透射光路上设有第一平凹凹透镜j，在洛匈棱镜的分光光路上分别设有第二平凹凹透镜k、第三平凹凹透镜l、第四平凹凹透镜m，其中第一平凹凹透镜j和第二平凹凹透镜k均为1053nm双面高透平凹凹透镜，可对1053nm光形成透射，第三平凹凹透镜l为527nm高透平凹凹透镜，可对527nm形成透射，第四平凹凹透镜m为351nm高透平凹凹透镜，可对351nm形成透射，且四个平凹凹透镜均倾斜设置，平面迎光。

在测量最后步骤时，四个卡计则分别设置在四个平凹凹透镜的后方，即如图所示，第一卡计n位于第一平凹凹透镜j的后方，用于监测入射至晶体表面主激光能量，第二卡计o位于第二平凹凹透镜k后方，用于监测未转化完的基频激光能量，第三卡计p位于第三平凹凹透镜l后方，用于监测晶体输出的二倍频光能量，第四卡计q位于第四平凹凹透镜m后方，其用于监测晶体输出的三倍频光能量，四个卡计的使用可实现激光能量的闭环动态监测，根据能量守恒定律，在不考虑晶体对激光能量吸收的情况下，激光能量满足如下关系：

第一卡计读数×K₁₀₅₃＝第二卡计读数×K’₁₀₅₃+第三卡计读数×K₅₂₇+第四卡计读数×K₃₅₁，在测量过程中，可根据对该公式的计算，实现对激光能量的闭环监测。

本实施例中，为确保测量系统的安全运行，提高其使用寿命，故在第一透反镜a和第二透反镜b之间设有法拉第隔离器7，以防止测量过程中反激光对1053nm激光器1造成损伤。

本实施例中，倍频晶体运动控制装置6主要包括角度控制单元和位移控制单元，其中角度控制单元由四个步进电机和四个长度计构成，每两个电机控制一块晶体偏摆和俯仰方向的转角，长度计则配合电机进行闭环控制，通过前期利用晶体自准直仪对控制系统角度当量进行标定，将长度量转换成角度量，其大体结构类似于专利20131056389.4中公开的一种内置式高通量大口径激光频率转换装置，本实施例中在使用时，去掉了其中混频1及相应的调整机构，而倍频位置则用于安装待测二倍频晶体，原混频2位置用于安装待测三倍频晶体。

位移控制单元则是在去掉了其中的前后平移机构后，增加了整体左右平移和上下平移的调整机构，调整机构可采用标准的二维电控平移台即可，本实施例中还对电控平移台配置了光栅尺，使其形成闭环调整机构，可确保待测晶体的高精度平移，有利于提高全口径测量的精度。

本实施例中晶体自准直仪控制装置5与倍频晶体运动控制装置6中的位移控制单元类似，可确保在使用过程中，晶体自准直仪50的位移运动轨迹与待测晶体单元的运动轨迹保持一致，从而确保在晶体准直后，后续测量时晶体移动过程中晶体准直位置也可保持不变。

本申请的测量方法主要包括如下几个步骤：

S1：激光光路准直，对入射1053nm激光光路及标准镜i进行准直，本申请中设计了一种粗准直和精准值相结合，同时近场准直与远场准直相结合的准直方法，其具体操作如下：

在正对标准镜i 1053nm高透膜的一面设置激光自准直仪2，并在标准镜i与激光自准直仪2之间设置光阑20，在对应光阑20小孔位置处设置有CCD监测装置21，同时在1053nm双面高反镜d靠近激光自准直仪2的一侧设置角锥3，在第一透反镜a远离法拉第隔离器7的一侧设置DPL激光器8，DPL激光器8可发出DPL准直光，DPL准直光是波长为527nm的连续绿光，当其入射到第一透反镜a上可发生透射，在设置位置角度时，注意确保DPL准直光透射的光路与1053nm激光入射到第一透反镜a反射面上发生反射时的光路基本同轴。

操作时，首先通过DPL激光器8进行粗准直，即开起DPL激光器8，发出DPL准直光，并粗调DPL激光器8、第二透反镜b、双面高反镜d、标准镜i和激光自准直仪2角度或位置，使DPL准直光经由角锥3反射回的光斑穿过光阑20，并与激光自准直仪2的自准直光斑重合，而激光自准直仪2发出的光经由标准镜i靠近双面高反镜d的一侧表面反射的光斑与其自准直光斑重合。

然后再进行精准值，开启1053nm激光器1，精调第二透反镜b、双面高反镜d、标准镜i和激光自准直仪2，使1053nm激光经由角锥3反射后的光斑穿过光阑20，并与激光自准直仪2的自准直光斑重合，激光自准直仪2发出的光经由标准镜i靠近双面高反镜d的一侧表面反射的光斑与其自准直光斑重合。

在粗准直和精准值过程中，均可通过CCD监测装置21观察相应的光斑是否穿过光阑20的小孔，当然因为DPL准直光为肉眼可见的连续光，故在调整过程中可更好的把控大体方向，再由CCD监测装置21具体观测，因为测量的入射激光为1053nm红外肉眼不可见光，且激光自准直仪2为小角度测量仪器，其视场很小，故很难快速将激光调至激光自准直仪2的视场内，而因为DPL准直光与测量激光同轴，其传输路径相同，故当DPL准直光可落入激光自准直仪2视场时，那么1053nm测量激光也可落入激光自准直仪2的视场内，从而提高了准直效率。

本步骤中所说的近场准直和远场准直相结合主要在于光阑20的架设，当激光沿着测量仪器边缘非近轴入射时，容易造成卡光或像差等现象，影响到准直精度，而光阑20的存在，既保证了激光在激光自准直仪2内远场光点与其自准直叉丝重合，又保证激光近场沿着激光自准直仪2的光轴中心入射，也只有满足了这两个要求，才能确定激光光轴与激光自准直仪2的光轴是否严格平行。

S2：激光传输系数标定；

标定输入的1053nm基频激光传输系数K₁₀₅₃，其标定过程如图3所示，将第一卡计n架设到第一平凹凹透镜j的后方，将第二卡计o架设到偏振片4的出射光路上，开启1053nm激光器1，则可根据第一卡计n和第二卡计o读数，计算出输入的1053nm基频激光传输系数K₁₀₅₃即可，K₁₀₅₃＝第二卡计读数/第一卡计读数。

标定第二单面高反镜e至第二平凹凹透镜k的1053nm之间的激光传输系数K＇＇₁₀₅₃，起标定如图4所示，此时倍频晶体运动控制装置6处于空置状态，即未装入待测二、三倍频晶体，在第二单面高反镜e与倍频晶体运动控制装置6之间架设第一分光镜r1，并将第一卡计n架设在第一分光镜r1的反射光路上，将第二卡计o架设到第一分光镜r1的投射光路上，根据此时第一卡计n和第二卡计o读数计算出第一分光镜透反比，接着将第二卡计o移走，将第三卡计p架设至第二平凹凹透镜k的后方，再读取此时第一卡(n和第三卡计p数值，结合第一分光镜透反比的数值，即可计算出第二单面高反镜e至第二平凹凹透镜k的1053nm激光传输系数K＇＇₁₀₅₃，K＇＇₁₀₅₃＝第一分光镜透反比×第一卡计读数/第三卡计读数；

标定输出的527nm激光传输系数K₅₂₇，其标定是如图5所示，在倍频晶体运动控制装置6中装入待测二倍频晶体60，并在待测二倍频晶体与第二单面高反镜e之间依次架设第一滤光片s1和第二分光镜r2，其中第一滤光片s1只能透射527nm激光，然后将第二卡计o架设到第二分光镜r2的透射光路上，将第一卡计n架设到其反射光路上，开启1053nm激光器1，读出此时第一卡计n和第二卡计o读数，则可测出第二分光镜透反比，接着移走第二卡计o，将第三卡计p架设到第三平凹凹透镜l后方，根据此时第一卡计n和第三卡计p的读数，结合第二分光镜透反比数值，即可计算输出的527nm激光传输系数K₅₂₇，K₅₂₇＝第二分光镜透反比×第一卡计读数/第三卡计读数；

标定输出的351nm激光传输系数K₃₅₁，其标定如图6所示，在倍频晶体运动控制装置6中同时装入待测二倍频晶体60和待测三倍频晶体61，并在待测三倍频晶体与第二单面高反镜e之间依次架设第二滤光片s2和第三分光镜r3，其中第二滤光片s2只能透射351nm激光，然后将第二卡计o架设至第三分光镜r3的透射光路上，而第一卡计n架设至其反射光路上，开启1053nm激光器1，读出此时第一卡计n和第二卡计o读数，则可测出第三分光镜透反比，接着移走第二卡计o，将第三卡计p架设至第四平凹凹透镜m后方，根据此时第一卡计n和第三卡计p的读数，结合第三分光镜透反比即可计算出输出的351nm激光传输系数K₃₅₁，K₃₅₁＝第三分光镜透反比×第一卡计读数/第三卡计读数。

S3：待测晶体准直，通过晶体自准直仪50和标准镜i对待测二倍频晶体60、三倍频晶体61进行准直，关闭1053nm激光器1，通过晶体自准直仪控制装置5调整晶体自准直仪50位置，同时通过倍频晶体运动控制装置6调整待测二倍频晶体和三倍频晶体姿态，使晶体自准直仪50经由待测二倍频晶体60和三倍频晶体61反射回的十字叉丝像与其自准直叉丝重合，同时经由标准镜i靠近待测晶体的一侧表面反射回的十字叉丝像也与其自准直叉丝重合，即完成了对晶体的准直。

通过该步骤，结合步骤S1，还可看出本实施例的准直装置还达到了基准过渡的目的，从准直流程可看出，激光自准直仪2的光轴与标准镜i的一面法线一致，激光指向(射入待测晶体的方向)与激光自准直仪2的光轴一致，因此激光指向与标准镜i的法线一致，而晶体准直使得晶体表面法线方向与标准镜i的法线一致，因此最终激光指向与晶体表面法线方向一致(晶体此时位置与倍频光转换效率最大时晶体所处位置的夹角就是文中所谓的晶体最佳匹配位置)。基准过渡使得激光指向调至与标准镜法线一致，而标准镜i表面可认为是平的(反射波前小于1λ，λ＝632.8nm)，标准镜i表面任意位置法线方向一致，可保证在晶体自准直仪50和待测晶体每平移过一次后，重新准直晶体后，待测晶体位置与晶体初始位置相同，即又校准到了激光指向与晶体表面法线方向一致。

S4：待测二倍频晶体最佳匹配位置测量，即指倍频光转换效率最大时，晶体所处位置与晶体没有转动时的初始位置(即激光指向与晶体表面法线方向一致时的位置)的夹角，将第一卡计n、第二卡计o、第三卡计p和第四卡计q一一对应架设至第一平凹凹透镜j、第二平凹凹透镜k、第三平凹凹透镜l和第四平凹凹透镜m后方，架设完成后如图1所示，开启1053nm激光器1，调整待测二倍频60的e轴转角，本实施例中，调整过程中采用调节步长为20μrad的均匀调整方式，同时采集第一卡计n和第三卡计p读数，则可测出各测量位置的二倍频转换效率＝(第三卡计读数×K₅₂₇)/(第一卡计读数×K₁₀₅₃)；

根据所测数值绘制二倍频转换效率与二倍频晶体e轴转角的关系曲线，并由此曲线求解出二倍频转换效率最大时对应的二倍频晶体e轴转角，此转角对应位置即为待测二倍频晶体最佳匹配位置；

S5：待测三倍频晶体单点最大转换效率测量，将待测二倍频晶体60调整至S5中所测出的最佳匹配位置，调整待测三倍频晶体61的e轴转角，调整过程中采用调节步长为20μrad的均匀调整方式，同时采集第一卡计n和第四卡计q读数，则可求出各测量位置的三倍频转换效率＝(第四卡计读数×K₃₅₁)/(第一卡计读数×K₁₀₅₃)；

然后绘制三倍频转换效率与三倍频晶体e轴转角关系曲线，并求解曲线极值，根据极值将待测三倍频晶体61调整至极值对应的三倍频晶体e轴转角位置，再实测该位置的第一卡计n和第四卡计q读数，则可求出该点在该功率密度下实际最大三倍频转换效率；

在该步骤中当1053nm激光器1输出激光功率密度大于1GW/cm²时，将待测三倍频晶体61的e轴调整至所求极值位置处后，还需再调整待测二倍频晶体60的e轴转角，并采集第一卡计n和第四卡计q读数，绘制三倍频转换效率与二倍频晶体e轴转角的关系曲线，求解此关系曲线极值，再将待测二倍频晶体调整至该极值对应的二倍频晶体e轴转角位置，再实测出该点该功率密度下的最大三倍转换效率值。

S6：平移测量，通过晶体自准直仪控制装置5和倍频晶体运动控制装置6分别将晶体自准直仪50和待测晶体平移至另一指定点位，按步骤S3进行晶体准直，然后重复步骤S5和S6，测出并记录该点三倍频最大转换效率；

S7：全口径三倍频最大转换效率测量，重复步骤S6，完成对待测晶体其他点的三倍频最大转换效率测量，即完成全口径三倍频最大转换效率的测量。

按照上述操作步骤，通过平移晶体自准直仪50以及晶体即可实现晶体全口径三倍频转换效率的测量，而不同于美国NF装置中，通过平移激光的方式进行测量，其每次平移后均需重新准直激光，过程十分繁琐，本申请中在步骤S6中，每次平移后只需对待测晶体进行准直即可，省去重新准直激光的繁琐步骤，有利于提高测量效率，同时降低测量成本。

参考图7，对本申请的测量理念做进一步说明，倍频效应是非线性晶体的固有特性，其转换效率有理论公式，而由于晶体生长、装配、晶体内部应力、折射率不均匀性导致晶体实际转换效率不可能与理论完全契合，本文也正是要测出其实际的最大转换效率，如图所示，由非线性光学晶体特性可知，当入射1053nm基频激光电场方向(也可指偏振态方向)与二倍频晶体60的o轴平行，绕着二倍频晶体60的o轴转动二倍频晶体，使得二倍频晶体60的e轴与入射激光夹角发生改变，才能发生倍频效应产生527nm二倍频光，随着旋转角度的改变，转换二倍频光效率最高的位置就是二倍频晶体最佳匹配位置，在确保二倍频晶体60处于最佳匹配位置后，再在二倍频晶体后面放置三倍频晶体61，放置时要求三倍频晶体61的o轴与二倍频晶体60的o轴垂直，然后绕着三倍频晶体61的o轴转动三倍频晶体61，使得三倍频晶体61的e轴与入射激光夹角发生改变，才能发生倍频效应产生351nm三倍频光(这是二、三倍频晶体的共同作用)，转换三倍频光效率最高的位置就是三倍频晶体最佳匹配位置。

晶体转动的角度(晶体e轴与入射激光夹角)与倍频光转换效率关系为一个主峰、多个次峰的对称曲线，本申请中所测的是主峰部分，主峰可认为类似开口朝下的抛物线，通过采集的转换效率和晶体转角数据，利用最小二乘法进行曲线拟合，求解出曲线极值及对应的晶体转角，将晶体转到这个极值对应的晶体位置，就可测出晶体该点的最大倍频转换效率，然后多次重复，完成待测晶体其它点的测量，即实现晶体的全口径测量。

参考图1和图2，在测量过中，测量前期先采用自准直仪对倍频晶体运动控制装置6中的角度控制单元的角度当量进行标定，将长度量转换成角度量，且确保其精度优于5μrad，有利于提高测量精度，降低成本。

此外，为进一步提高本测量系统和测量方法的精度，在架设测量系统时，可将整个测量系统架设在气悬浮光学平台上，并安装在恒温室中，从而避免外界针对及温度变化对准直和测量造成的影响，与此同时，1053nm激光器1、四个卡计、晶体自准直仪50、激光自准直仪2、自准直仪控制装置5和倍频晶体运动控制装置的通讯均集成到同一台计算机上，数据采集和处理均由同一台计算机完成，其操作更方便，有利于进一步提高测量效率。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全口径谐波转换效率测量系统，其特征在于：包括1053nm激光器(1)及架设在其出射光路上的第一透反镜(a)、在第一透反镜(a)反射光路上的第二透反镜(b)、依次架设在第二透反镜(b)反射光路上的第一单面高反镜(c)和双面高反镜(d)，在双面高反镜(d)的两侧反射光路上分别架设有偏振片(4)和标准镜(i)，所述偏振片(4)的出射光路上依次设置有倍频晶体运动控制装置(6)和第二单面高反镜(e)，所述第二单面高反镜(e)的反射光路上依次架设有第三单面高反镜(f)和第四单面高反镜(g)，第四单面高反镜(g)的反射光路上设有棱镜(h)，其中第一透反镜(a)为1053nm高反、527nm高透镜，第二透反镜(b)为1053nm透反镜，第一单面高反镜(c)为1053nm单面高反，双面高反镜(d)为1053nm双面高反，第二单面高反镜(e)、第三单面高反镜(f)和第四单面高反镜(g)均为1053nm、527nm、351nm单面高反镜，标准镜(i)靠近偏振片(4)的一面为1053nm透反膜，其透反比为1:1，另一面为1053nm高透膜；

所述倍频晶体运动控制装置(6)远离偏振片(4)的一侧设有晶体自准直仪控制装置(5)，该晶体自准直仪控制装置(5)上设有晶体自准直仪(50)；

所述测量系统还包括能够测量激光能量的第一卡计(n)、第二卡计(o)、第三卡计(p)和第四卡计(q)。

2.根据权利要求1所述的全口径谐波转换效率测量系统，其特征在于：所述棱镜(h)为洛匈棱镜。

3.根据权利要求2所述的全口径谐波转换效率测量系统，其特征在于：所述第二透反镜(b)的透射光路上设有第一平凹凹透镜(j)，在洛匈棱镜的分光光路上分别设有第二平凹凹透镜(k)、第三平凹凹透镜(l)、第四平凹凹透镜(m)，其中第一平凹凹透镜(j)和第二平凹凹透镜(k)均为1053nm双面高透平凹凹透镜，第三平凹凹透镜(l)为527nm高透平凹凹透镜，第四平凹凹透镜(m)为351nm高透平凹凹透镜。

4.根据权利要求3所述的全口径谐波转换效率测量系统，其特征在于：所述第一平凹凹透镜(j)、第二平凹凹透镜(k)、第三平凹凹透镜(l)和第四平凹凹透镜(m)均倾斜放置，平面迎光。

5.根据权利要求4所述的全口径谐波转换效率测量系统，其特征在于：所述第一透反镜(a)和第二透反镜(b)之间设有法拉第隔离器(7)。

6.一种全口径谐波转换效率测量方法，其特征在于，采用上述全口径谐波转换效率测量系统，并按如下步骤进行：

S1：激光光路准直，对入射1053nm激光光路及标准镜(i)进行准直；

S2：激光传输系数标定；

标定输入的1053nm基频激光传输系数K₁₀₅₃；

标定第二单面高反镜(e)至第二平凹凹透镜(k)的1053nm的激光传输系数K＇₁₀₅₃；

标定输出的527nm激光传输系数K₅₂₇；

标定输出的351nm激光传输系数K₃₅₁；

S3：待测晶体准直，通过晶体自准直仪(50)和标准镜(i)对待测二倍频晶体、三倍频晶体进行准直；

S4：待测二倍频晶体最佳匹配位置测量，将第一卡计(n)、第二卡计(o)、第三卡计(p)和第四卡计(q)一一对应架设至第一平凹凹透镜(j)、第二平凹凹透镜(k)、第三平凹凹透镜(l)和第四平凹凹透镜(m)后方，开启1053nm激光器(1)，调整二倍频晶体e轴转角，同时采集第一卡计(n)和第三卡计(p)读数，则可测出各测量位置的二倍频晶体频转换效率；

根据所测数值绘制二倍频转换效率与二倍频晶体e轴转角的关系曲线，并由此曲线求解出二倍频转换效率最大时对应的二倍频晶体e轴转角，此转角对应位置即为待测二倍频晶体最佳匹配位置；

S5：待测三倍频晶体单点最大转换效率测量，将待测二倍频晶体调整至最佳匹配位置，调整三倍频晶体e轴转角，同时采集第一卡计(n)和第四卡计(q)读数，则可求出各测量位置的三倍频转换效率；

绘制三倍频转换效率与三倍频晶体e轴转角关系曲线，并求解曲线极值，根据极值将待测三倍频晶体调整至极值对应的三倍频晶体e轴转角位置，再实测该位置的第一卡计(n)和第四卡计(q)读数，求出该点实际最大三倍频转换效率；

S6：平移测量，通过晶体自准直仪控制装置(5)和倍频晶体运动控制装置(6)分别将晶体自准直仪(50)和待测晶体平移至另一指定点位，按步骤S3进行晶体准直，然后重复步骤S5和S6，测出并记录该点三倍频最大转换效率；

S7：全口径三倍频最大转换效率测量，重复步骤S6，完成对待测晶体多点的三倍频最大转换效率测量，即完成全口径三倍频最大转换效率的测量。

7.根据权利要求6所述的全口径谐波转换效率测量方法，其特征在于：在步骤S1中先采用DPL激光器(8)进行粗准值，所述DPL激光器(8)设置在第一透反镜(a)远离法拉第隔离器(7)的一侧，且其产生的DPL准直光与1053nm激光经第一透反镜(a)的反射光同轴。

8.根据权利要求7所述的全口径谐波转换效率测量方法，其特征在于：所述DPL准直光是波长为527nm的连续绿光。

9.根据权利要求6所述的全口径谐波转换效率测量方法，其特征在于：所述步骤S5中，当1053nm激光器(1)输出激光功率密度大于1GW/cm²时，将待测三倍频晶体e轴调整至所求极值位置处后，需再调整二倍频晶体e轴转角，并采集第一卡计(n)和第四卡计(q)读数，绘制三倍频转换效率与二倍频晶体e轴转角的关系曲线，求解此关系曲线极值，再将待测二倍频晶体调整至该极值对应的二倍频晶体e轴转角位置，实测出该点该功率密度下的最大三倍转换效率值。

10.根据权利要求6至9中任意一项所述的全口径谐波转换效率测量方法，其特征在于：所述步骤S4中调整二倍频晶体e轴转角以及步骤S5中调整三倍频晶体e轴转角时均匀速调整，且其调整步长为20μrad。