CN109323852A - 一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统及性能表征方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统及性能表征方法，该系统包括高刚度基板、载物板、晶体固定架、X、Y向精密电动平移台、激光器、激光接收器；通过X向和Y向平移台的交替间续运动，激光接收器对倍频晶体通光口径表面进行逐点采样，获取倍频后的激光功率值；在高洁净光学测量环境中进行大口径激光倍频晶体频率转换性能表征操作时，在完成初始操作后，测量系统可在其控制器模块的控制下自动按特定轨迹完成采样并计算出用来表征倍频晶体频率转换性能的值；本发明测量系统可满足大口径激光倍频晶体频率转换效率高效精密测量需求，表征方法科学、简明，适用于高功率惯性约束聚变激光器中倍频晶体频率转换效率影响研究和现场装配校准测试。
Description
技术领域
本发明属于光学元件精密测量技术领域，涉及高功率固体激光驱动器中的大口径倍频晶体元件频率转换效率的精密测量，特别涉及一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统及性能表征方法。
背景技术
激光倍频是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光。在高功率固体激光驱动器中，高能激光束的二次谐波转换通常由大口径KDP晶体实现。不同的晶体生长方式、加工方法和装配工艺都会导致KDP晶体的面形精度和折射率均匀性发生变化，从而对晶体元件频率转换效率造成显著影响，倍频晶体频率转换效率的高低直接决定着靶心能量密度的大小，对整体装置的运行性能起着至关重要的作用。
当前，我国最大的高功率固体激光驱动器中大口径KDP晶体元件频率转换效率的测定采用的是中心点检测的方式，然而实际工况下每束激光口径超过300mm，由于通光口径内晶体的面形精度和折射率均匀性的变化，仅利用中心点测量所得到的倍频效率值无法准确表征KDP晶体整个通光口径内的频率转换效率。为了通过调控晶体面形或折射率分布来实现更高的终端能量密度，我国亟需可以测量晶体元件全通光口径内倍频效率的实验平台，此外，还需要配套的全通光口径晶体倍频性能的表征方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，从满足高功率固体激光驱动器对大口径激光倍频晶体频率转换效率全口径精确高效测量的迫切需求出发，本发明的目的在于提供一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统及性能表征方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统，包括：
高刚度基板1，为矩形平板，用以安装载物板2和X向精密电动平移台5；
载物板2，四脚固定在所述高刚度基板1上，用于承载KDP晶体元件4；
X向精密电动平移台5，固定在所述高刚度基板1上，用于承载Y向精密电动平移台6，并实现X方向水平移动；
Y向精密电动平移台6，固定在所述X向精密电动平移台5中心位置，用于安装激光器7，并实现Y方向竖直移动；
激光器7，固定于U型转接架8一端，用于产生基频激光；
U型转接架8，固定在所述Y向精密电动平移台6中心位置，用于连接激光器7与激光接收器9，确保在平移台运动过程中，激光接收器9与激光器7相对位置保持不变；
激光接收器9，固定于所述U型转接架8另一端，其内部为倍频效应测量光路，用于测量透过KDP晶体元件4后的二倍频激光功率；
控制器模块10，包括控制器、计算器、显示屏16、控制面板17以及数据传输接口，一方面用于实现所述X向精密电动平移台5和Y向精密电动平移台6的运动控制，通过所述X向精密电动平移台5、Y向精密电动平移台6的交替运动实现对所述KDP晶体元件4通光口径的遍历式测量；另一方面，实现对所述激光器7和激光接收器9的初始设置、实时监控和数据处理。
所述载物板2上设有3个微调旋钮12，用于调节KDP晶体元件4与激光垂直。
所述载物板2上设有用于固定KDP晶体元件4的晶体固定架3。
所述激光器7为YAG固体激光器，用于产生1.06μm红外激光。
所述倍频效应测量光路包括反射镜13、功率计14和散射片15，其中，所述反射镜13表面镀有一层介质膜，以分离基频光与二倍频光，激光器7发射的激光经调节KDP晶体元件4后打在反射镜13上，功率计14设置于反射镜13反射光路上，用于测量倍频激光功率，散射片15设置于反射镜一13的透射光路上，用以吸收及散射基频激光。
所述介质膜对1.06μm激光全透而对0.53μm激光全反。
所述激光接收器9上设置有激光接收器小孔11，激光器7产生的基频激光穿过KDP晶体元件4，经激光接收器小孔11进入倍频效应测量光路。
本发明还提供了基于所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统的频率转换性能表征方法，在满足5级洁净要求的光学精密测量环境中，具体执行如下步骤：
步骤1：将KDP晶体元件4竖直摆放在载物板2上将其固定；
步骤2：调节使得激光器7发出的激光垂直透过KDP晶体元件4，进入到激光接收器9内，倍频效应测量光路捕获到倍频激光功率数据；
步骤3：X向精密电动平移台5、Y向精密电动平移台6移动到坐标原点处；
步骤4：设定KDP晶体元件4外形尺寸参数、通光口径大小及激光接收器9中的采样间距；
步骤5：X向精密电动平移台5、Y向精密电动平移台6交替间续运动，逐点采集数据，直至遍历KDP晶体元件4完整通光口径，获得倍频激光功率矩阵z；
步骤6：控制器模块10中的计算器根据测得的功率矩阵z求解得到表征KDP晶体元件4全通光口径频率转换效率的均值
步骤7：值的计算结果显示在控制器模块10的显示屏16上，测得的倍频激光功率矩阵z以及值计算结果均通过控制器模块10中的数据传输接口导出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
针对高功率固体激光驱动器对大口径激光倍频晶体元件频率转换效率全口径精确高效测量的迫切需求，提出一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统，可以实现对于晶体元件全通光口径内激光倍频效率的精密测量。同时采用频率转换效率均值为性能指标的表征方法，准确表征了KDP晶体元件整个通光口径内的频率转换效率。本发明所建立的测量系统，能够同时满足测量范围和精度要求，测试方法简洁高效，可以为我国高功率固体激光驱动器中倍频晶体元件频率转换效率测试提供关键设备和技术支撑。
附图说明
图1是本发明大口径激光倍频晶体频率转换效率测量系统整体结构图。
图2是本发明大口径激光倍频晶体频率转换效率测量系统正视图。
图3是本发明大口径激光倍频晶体频率转换效率测量原理示意图。
图4是本发明实际测量过程激光器采样轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图和一个具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和2所示，本发明是一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统，主要包括高刚度基板1、载物板2、晶体固定架3、KDP晶体元件4、X向精密电动平移台5、Y向精密电动平移台6、激光器7、U型转接架8、激光接收器9和控制器模块10等。
其中：
所述高刚度基板1，是尺寸为1800mm*1200mm*10mm矩形高平面度钢板，用以安装支撑载物板2和X向精密电动平移台5；
所述载物板2，为不锈钢材质搭建的载物平台，四脚分别用螺钉固定在所述高刚度基板1上，用于承载晶体安装框3，同时载物板2上设有3个微调旋钮12，用于调节KDP晶体4与激光垂直；
所述晶体固定架3，为不锈钢材质的支架，与晶体接触部分为聚四氟乙烯材质的垫片，通过螺钉固定在所述载物板2上，用于安装固定不同尺寸和厚度的KDP晶体元件4；
所述X向精密电动平移台5，最大行程600mm，运动精度10μm，用螺钉固定在所述高刚度基板1上，用于承载Y向精密电动平移台6，并实现X方向水平移动；
所述Y向精密电动平移台6，最大行程600mm，运动精度10μm，用螺钉固定在所述X向精密电动平移台5中心位置，用于安装激光器7，并实现Y方向竖直移动；
所述激光器7，YAG固体激光器，用于产生1.06μm红外激光，出射基频激光功率1.23W，光束直径2mm，固定于U型转接架8一端；
所述U型转接架8，为高强度方型钢管(横截面尺寸80mm*80mm*6mm)焊接而成，用螺栓固定在所述Y向精密电动平移台6中心位置，用于连接激光器7与激光接收器9，确保在平移台运动过程中，激光接收器9与激光器7相对位置保持不变；
所述激光接收器9，固定于所述U型转接架8另一端，用于测量透过KDP晶体二倍频激光功率，其内部为倍频效应测量光路，激光器7产生的基频激光穿过KDP晶体元件4，透过所述激光接收器小孔11打在反射镜13上，反射镜13表面镀有一层介质膜，对1.06μm激光全透而对0.53μm激光全反，目的是分离基频光与二倍频光，功率计14用于测量倍频激光功率，散射片15用以吸收及散射基频激光；
所述控制器模块10，包括控制器、计算器、显示屏16、控制面板17以及数据传输接口，用于实现对所述X向精密电动平移台5和Y向精密电动平移台6的运动控制，以及对所述激光器7和激光接收器9的初始设置、实时监控和数据处理。根据设定的采样间距，控制器向电动位移台发送移动指令，待位移台运动到位后，控制器再向激光接收器发送读取指令，将功率计测得的返回值记录在存储器中，然后控制器继续向电动位移台发送移动指令，周而复始，以此实现对所述KDP晶体元件4通光口径(360mm*360mm)的完整遍历式测量。根据测得的功率矩阵z，求解得到表征KDP晶体元件4全通光口径频率转换效率的均值计算公式为：
其中，z(x,y)是KDP晶体通光口径上点对应的二倍频光功率，P为基频光功率，m为点的总列数，n为点的总行数。
在满足5级洁净要求(根据ISO14644-1标准)的光学精密测量环境中，具体执行如下步骤：
步骤1：将KDP晶体元件4竖直摆放在载物板2上，调节晶体固定架3将其固定；
步骤2：打开激光器7和激光接收器9，调节载物板2上的微调旋钮12，直到激光透过KDP晶体元件4，从小孔11进入到激光接收器9内，功率计14捕获到倍频激光功率数据，即显示屏16显示出的实时采样数据在0-3W的测量范围内；
步骤3：按动控制面板17上的“归零”按钮，X向精密电动平移台5、Y向精密电动平移台6移动到坐标原点处，此时激光测点与图4所示坐标原点重合；
步骤4：通过控制面板17输入待测KDP晶体元件4的外形尺寸及通光口径参数，设定激光接收器9中功率计14的采样间距，即X向精密电动平移台5和Y向精密电动平移台6每步移动距离，默认设置1mm；
步骤5：按动控制面板上的“开始”按钮，在控制器模块的控制下，X向精密电动平移台5和Y向精密电动平移台6沿图4所示采样轨迹交替间续运动，在图4网格交叉点处，功率计14逐点采集数据，直至遍历KDP晶体元件4完整通光口径，获得倍频激光功率矩阵z；
步骤6：控制器模块10中的计算器根据测得的功率矩阵z求解得到表征KDP晶体元件4全通光口径频率转换效率的均值
步骤7：值的计算结果显示在控制器模块10的显示屏16上，测得的倍频激光功率矩阵z以及值计算结果都通过控制器模块10中的数据传输接口导出，方便进一步数据处理和分析。
Claims (8)
1.一种激光倍频晶体频率转换效率测量系统，其特征在于，包括：
高刚度基板(1)，为矩形平板，用以安装载物板(2)和X向精密电动平移台(5)；
载物板(2)，四脚固定在所述高刚度基板(1)上，用于承载KDP晶体元件(4)；
X向精密电动平移台(5)，固定在所述高刚度基板(1)上，用于承载Y向精密电动平移台(6)，并实现X方向水平移动；
Y向精密电动平移台(6)，固定在所述X向精密电动平移台(5)中心位置，用于安装激光器(7)，并实现Y方向竖直移动；
激光器(7)，固定于U型转接架(8)一端，用于产生基频激光；
U型转接架(8)，固定在所述Y向精密电动平移台(6)中心位置，用于连接激光器(7)与激光接收器(9)，确保在平移台运动过程中，激光接收器(9)与激光器(7)相对位置保持不变；
激光接收器(9)，固定于所述U型转接架(8)另一端，其内部为倍频效应测量光路，用于测量透过KDP晶体元件(4)后的二倍频激光功率；
控制器模块(10)，包括控制器、计算器、显示屏(16)、控制面板(17)以及数据传输接口，一方面用于实现所述X向精密电动平移台(5)和Y向精密电动平移台(6)的运动控制，通过所述X向精密电动平移台(5)、Y向精密电动平移台(6)的交替运动实现对所述KDP晶体元件(4)通光口径的遍历式测量；另一方面，实现对所述激光器(7)和激光接收器(9)的初始设置、实时监控和数据处理。
2.根据权利要求1所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统，其特征在于，所述载物板(2)上设有3个微调旋钮(12)，用于调节KDP晶体元件(4)与激光垂直。
3.根据权利要求1所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统，其特征在于，所述载物板(2)上设有用于固定KDP晶体元件(4)的晶体固定架(3)。
4.根据权利要求1所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统，其特征在于，所述激光器(7)为YAG固体激光器，用于产生1.06μm红外激光。
5.根据权利要求1所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统，其特征在于，所述倍频效应测量光路包括反射镜(13)、功率计(14)和散射片(15)，其中，所述反射镜(13)表面镀有一层介质膜，以分离基频光与二倍频光，激光器(7)发射的激光经调节KDP晶体元件(4)后打在反射镜(13)上，功率计(14)设置于反射镜(13)反射光路上，用于测量倍频激光功率，散射片(15)设置于反射镜一(13)的透射光路上，用以吸收及散射基频激光。
6.根据权利要求5所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统，其特征在于，所述介质膜对1.06μm激光全透而对0.53μm激光全反。
7.根据权利要求1或5所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统，其特征在于所述激光接收器(9)上设置有激光接收器小孔(11)，激光器(7)产生的基频激光穿过KDP晶体元件(4)，经激光接收器小孔(11)进入倍频效应测量光路。
8.基于权利要求1所述激光倍频晶体频率转换效率测量系统的频率转换性能表征方法，其特征在于，在满足5级洁净要求的光学精密测量环境中，具体执行如下步骤：
步骤1：将KDP晶体元件(4)竖直摆放在载物板(2)上将其固定；
步骤2：调节使得激光器(7)发出的激光垂直透过KDP晶体元件(4)，进入到激光接收器(9)内，倍频效应测量光路捕获到倍频激光功率数据；
步骤3：X向精密电动平移台(5)、Y向精密电动平移台(6)移动到坐标原点处；
步骤4：设定KDP晶体元件(4)外形尺寸参数、通光口径大小及激光接收器(9)中的采样间距；
步骤5：X向精密电动平移台(5)、Y向精密电动平移台(6)交替间续运动，逐点采集数据，直至遍历KDP晶体元件(4)完整通光口径，获得倍频激光功率矩阵z；
步骤6：控制器模块(10)中的计算器根据测得的功率矩阵z求解得到表征KDP晶体元件(4)全通光口径频率转换效率的均值
步骤7：值的计算结果显示在控制器模块(10)的显示屏(16)上，测得的倍频激光功率矩阵z以及值计算结果均通过控制器模块(10)中的数据传输接口导出。
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