CN110779689B - 一种测量激光介质热焦距的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量激光介质热焦距的装置和方法，属于激光技术领域。包括后端反射镜、待测激光介质、猫眼组模、光探测器、用于安装猫眼组模和光探测器的安装架；所述猫眼组模中的聚焦透镜和平凸透镜之间的距离可以调节；光探测器设置在平凸透镜的凸面的焦点上，通过光探测器寻找激光器的稳定状态和不稳定状态的临界点，根据聚焦透镜和平凸透镜之间的距离在稳区图上读取待测激光介质的热焦距。本发明适用于端泵和侧泵的激光介质，采用对角度的不敏感的光学谐振腔实现快速的测量装置的布置，能在较长的波长范围内实现对不同激光介质热焦距的测量，同时也容易扩展到不同波段的激光介质。

Description

一种测量激光介质热焦距的装置和方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体是一种适应性强的，能快速测量激光介质热透镜焦距的装置和方法。

技术背景

固体激光器因其体积小、使用方便、输出功率大、光束质量好等特点在军事、加工、医疗和科学研究等领域有着广泛的应用。在固体激光器工作状态下，作为增益介质的激光晶体吸收的泵浦能量只有一小部分转化成了激光输出，剩下大部分能量都被激光晶体吸收，在晶体内部形成温度梯度。激光晶体的温度梯度和热应变光弹性导致晶体内部折射率分布不均匀，对通过的激光光束产生类似聚焦透镜的聚焦效果，称为激光晶体的热透镜效应。热透镜效应的存在对激光器的整体输出特性，包括谐振腔的稳定性、模式匹配效率、谐振腔基模束腰半径、输出光束质量有着严重的影响。因此准确测量晶体热透镜焦距、消除晶体热透镜效应已经成为激光器领域的重要课题之一。

目前，比较常用的测量晶体热透镜焦距的方法主要衍生于以下两种方法。一是利用两个平面反射镜和待测激光晶体搭建平平腔，通过调节晶体到一侧腔镜的距离，使得激光器恰好出光，即谐振腔恰好稳定的临界状态，此时晶体到该侧腔镜之间的距离可以认为是晶体的热透镜焦距。该方法使用的器材较少，易于实现。不足之处在于，对于不同的热焦距需要多次搭建谐振腔，且平平腔结构对腔镜的平行度要求较高，调节较为困难，也难以实现自动控制，费时费力。另一方面，当热焦距较长时，该方法需要在测量时保证有足够的空间来调节，在某些场合难以得到满足。

另一种常用于测量激光晶体热透镜焦距的方法是探针光束直接测量法[APPLIEDOPTICS,VOL-9,P-2548(1970)]。该方法一般适用于侧面泵浦的固体激光器，即将一束探针光准直注入激光晶体，由于激光晶体的热透镜效应，探针光束将被聚焦，直接测量焦点位置即可得到晶体热透镜焦距。该方法原理简单，但在实际操着是，由于光点较小，且焦深较长，难以确定焦点的具体位置，因此该方法测量结果并不准确，或其测量过程非常复杂。另外，由于探针光与实际输出激光波长不同，因此，所测的热焦距与实际波长也会造成一定的差异。

发明内容

本发明中所涉及的基于猫眼谐振腔测量激光介质的热透镜焦距的方法，针对上述现有技术的缺陷和不足，能有效地解决上述问题。所涉及的方法适用于端泵和侧泵的激光介质。所涉及的方法采用对角度的不敏感的光学谐振腔实现快速的测量装置的布置，且只需要一次布置，就能完成不同大小的热焦距的测定。所涉及的方法能在较短的空间上，实现大范围的热焦距测定。该方法能在较长的波长范围内实现对不同激光介质热焦距的测量，同时也容易扩展到不同波段的激光介质。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种测量激光介质热焦距的装置，包括输出泵浦光的泵浦源，在泵浦光光轴上顺次布置的后端反射镜、待测激光介质、猫眼组模和光探测器，以及用于安装猫眼组模和光探测器的安装架；所述猫眼组模由聚焦透镜和平凸透镜组成，从待测激光介质射出的待测激光依次穿过聚焦透镜和平凸透镜，聚焦透镜和平凸透镜之间的距离通过安装架调节；所述平凸透镜的凸面朝向所述光探测器，且光探测器设置在平凸透镜的凸面的焦点上。

作为本发明的优选，所述安装架包括固定聚焦透镜的固定支架、固定平凸透镜和光探测器的运动支架；所述固定支架上设有滑轨，运动支架安装在滑轨中，运动支架通过驱动电机在滑轨中移动，用于调节聚焦透镜和平凸透镜之间的距离；所述驱动电机通过控制器控制。

作为本发明的优选，所述聚焦透镜镀有中心波长与待测激光波长一致的增透膜或镀有包括待测激光波段范围的宽带增透膜。

作为本发明的优选，所述平凸透镜的平面镀有中心波长与待测激光波长一致的高反射膜或镀有包括待测激光波段范围的宽带高反射膜；平凸透镜的凸面镀有中心波长与待测激光波长一致的增透膜或镀有包括待测激光波段范围的宽带增透膜。

作为本发明的优选，所述聚焦透镜和平凸透镜均至少一面镀有中心波长与泵浦光波长一致的高反射膜。

作为本发明的优选，所述后端反射镜和激光介质入射面之间的距离L1为10mm～50mm。

作为本发明的优选，所述激光介质出射面和聚焦透镜之间的距离L2为150mm～250mm。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：

1、后端反射镜为平面镜，由平面镜和猫眼组模组成的谐振腔结构，既可以适用于侧面泵浦的情况，也可以适用于端面泵浦的情况；

2、猫眼组模对角度具备不敏感特性，可以使装置的布置更加快速；

3、猫眼组模内的平凸透镜的平面镀有高反射膜，相当于反射镜，猫眼中的反射镜对角度的倾斜具有较大的允许范围，因此，反射镜可以放置在运动支架上移动，而不像平平腔结构那样需要对腔镜进行仔细的调节；

4、在猫眼聚焦透镜的作用下，猫眼反射镜在较小的范围上对应了较大范围的热焦距，可以使装置的使用空间大大地减小；

5、猫眼组模内的平凸透镜的凸面相当于凸透镜，将谐振腔内透射出的少量出射光聚焦在光电探测器上。由于猫眼组模的工作特征决定了振荡光总是垂直于平面反射面，因此出射光无论在何处总能通过凸透镜聚焦在光电探测器上；

6、由后端反射镜的出射面、聚焦透镜和平凸透镜的平面组成的谐振腔具备光学稳定性，与猫眼到激光介质的距离不敏感，因此布置该装置时不需要进行精确的测量，猫眼谐振腔的振荡特性也能保证激光器的输出最终都能通过平凸透镜汇聚到光探测器；

7、猫眼结构比较简单，采用不同的光学材料可以实现对不同激光介质的热焦距的测量。

附图说明

附图1为本发明中测试激光热透镜焦距的装置示意图；

附图2为本发明中所采用的猫眼组模示意图；

附图3为当L1＝10mm，L2＝200mm时，热透镜焦距F和猫眼间隔L3作为变量的激光器稳区图；

附图4为当L1＝50mm，L2＝200mm时，热透镜焦距F和猫眼间隔L3作为变量的激光器稳区图；

附图5为当L1＝10mm，L2＝210mm时，热透镜焦距F和猫眼间隔L3作为变量的激光器稳区图；

附图6为当L1＝10mm，L2＝250mm时，热透镜焦距F和猫眼间隔L3作为变量的激光器稳区图；

附图标记：1后端反射镜，2待测激光介质，3猫眼组模，31聚焦透镜，32平凸透镜，33光探测器，34固定支架，35运动支架，36运动传输杆，37驱动电机。

具体实施方式

本发明主要由输出泵浦光的泵浦源，在泵浦光光轴上顺次布置的后端反射镜1、待测激光介质2、猫眼模组3和光探测器33，以及用于安装猫眼模组和光探测器的安装架所组成，如图1所示；其中猫眼组模是本测量装置的核心部件，其在安装架上的安装示意图如图2所示。以下结合附图，说明该装置的工作原理和使用流程。

本发明的基本思想是利用谐振腔的稳定性与激光介质的热透镜焦距相关性来测试激光介质的热透镜焦距。

如图1所示，与现有技术不同的是，本发明使用了聚焦透镜31和平凸透镜32组成的猫眼组模3。其中，聚焦透镜31镀待测激光的增透膜，如果该透镜镀宽带增透膜，则本发明可以用于更广泛种类的激光介质热透镜焦距测量。平凸透镜32在平面一端镀待测激光波长的高反射膜，用作反射镜面；凸面镀待测激光波长的增透膜。当激光振荡时，少量激光透过平凸透镜32平面上的高反射膜，并经过平凸透镜32的凸面汇聚到光探测器33上。光探测器33用于探测由后端反射镜1，待测激光介质2以及猫眼组模3组成的激光器是否起振，该条件是判断待测激光介质热透镜的重要依据。为了排除泵浦光对光探测器33的影响，聚焦透镜31，平凸透镜32至少一面需要镀泵浦光波长的高反膜。

图1所示的本发明中测试激光热透镜焦距的装置中的猫眼模组和光探测器安装在安装架上，如图2所示，所述安装架包括固定聚焦透镜的固定支架34、固定平凸透镜和光探测器的运动支架35；所述固定支架上设有滑轨，运动支架安装在滑轨中，运动支架通过与驱动电机37连接的运动传输杆36在滑轨中移动，用于调节聚焦透镜31和平凸透镜32之间的距离；所述驱动电机37通过控制器4控制。待测激光介质的热透镜焦距可以通过移动平凸透镜32与聚焦透镜31之间的距离L3来确定。

图3是当聚焦透镜31的焦距为25mm，L1＝10mm，L2＝200mm时的谐振腔稳区图。图中的横坐标是L3以25mm为中心，离开中心的距离。其负值表明在移动时，平凸透镜32向聚焦透镜31靠近。图3的纵坐标是激光介质的热透镜焦距。可以看出，激光的热透镜和L3的偏移值一一对应，因此可以通过测量谐振腔稳定区域的边界来寻找激光介质的热透镜焦距。

采用猫眼组模3作为激光器的前腔镜，所需的测试空间很小，猫眼长度在以25mm为中心时，向负方向移动5mm的距离，可以实现0.3至1.5m热透镜焦距的变化。另外，猫眼对光线的逆射性能能保证猫眼不需要通过仔细地调节光路，就能实现激光的振荡，这为减小测试的误判提供了很大的帮助。

另一方面，激光系统里的L1，L2的大小对测量结果影响不大。图4是保持其它条件不变，当L1为50mm时，激光器的稳区图。比较图3和图4可以看出，L1的改变对谐振腔的稳定性几乎没有影响。

图5是在图3的参数条件下，保持其它条件不变，将L2从200mm变为210mm时的稳区图。两者相比之下，其稳区略有改变。继续将L2变为250mm，如图6所示，其稳定区域的差别继续扩大。

相比而言，将L2从200mm变为210mm时，其所得的热透镜焦距相差几乎可以忽略，而变为250mm时，热透镜焦距相差约为10％。当所需精度不高时，该测量结果仍然可以采用。如果需要较高的测量精度，可以通过向控制器4输入实验参数L2来进行校正。

具体的使用方法可以按照以下步骤进行。

1.通过传统方法将后端反射镜1和待测激光介质2摆放完毕，两者之间的距离L1对其测量结果基本没有影响，可以按照泵浦源的需求设置，泵浦源从后端反射镜1的左侧入射进入待测激光介质2。

2.将聚焦透镜31，平凸透镜32和光探测器33按照图2的方式安装在固定支架和运动支架上，集成为一个整体的测试组模。其中聚焦透镜31放置在固定支架34上，为不动件。平凸透镜32和光探测器33通过运动支架35固定在一起，且光探测器33在平凸透镜32的焦点上。

3.运动支架35通过滑轨与固定支架34相连接，驱动电机37通过运动传输杆36驱动运动支架35前后运动来调节聚焦透镜31与平凸透镜32之间的距离。

4.控制器4控制驱动电机37的转动，能知晓驱动电机37的具体位置。同时，驱动器4能获得光探测器33的探测结果。

5.将猫眼组模3放置在待测激光介质2前端，距离待测激光介质2的距离为200mm。由于猫眼对光线的逆射特性，猫眼组模3不需要仔细调节，且摆放距离L2在200mm附近时，对其最后的测量结果影响不大，或可以通过数值校正来进行微调。另外，猫眼谐振腔的振荡特性也能保证激光器的输出最终都能通过平凸透镜32汇聚到光探测器33上。

6.在运动支架移动过程中，从稳区图图3可知，激光器的状态必然从稳态到不稳态，或反之。激光器的稳态和不稳态这两种状态可以从光探测器33的输出得出。在两者之间临界点，驱动器4获得驱动电机37的状态，从而计算出聚焦透镜31和平凸透镜32之间的距离L3。

7.从激光器的稳区图计算出激光介质的热透镜焦距。

8.如果需要较为精确的测量结果，可将猫眼组模3与激光介质2之间的距离L2作为参数输入控制器4，得出更为精确的热透镜焦距。

尽管上文对本发明作出了详细说明，但本发明不限于此。本技术领域的发明人或技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡是按照本发明的原理进行的修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测量激光介质热焦距的装置，其特征在于，包括输出泵浦光的泵浦源，在泵浦光光轴上顺次布置的后端反射镜、待测激光介质、猫眼组模和光探测器，以及用于安装猫眼组模和光探测器的安装架；所述猫眼组模由聚焦透镜(31)和平凸透镜(32)组成，从待测激光介质射出的待测激光依次穿过聚焦透镜和平凸透镜，聚焦透镜和平凸透镜之间的距离通过安装架调节；所述平凸透镜的凸面朝向所述光探测器，且光探测器设置在平凸透镜的凸面的焦点上；

所述安装架包括固定聚焦透镜的固定支架(34)、固定平凸透镜和光探测器的运动支架(35)；所述固定支架上设有滑轨，运动支架安装在滑轨中，运动支架通过驱动电机在滑轨中移动，用于调节聚焦透镜和平凸透镜之间的距离；所述驱动电机通过控制器控制。

2.如权利要求1所述的测量激光介质热焦距的装置，其特征在于所述聚焦透镜镀有包括待测激光波段范围的增透膜。

3.如权利要求1所述的测量激光介质热焦距的装置，其特征在于所述平凸透镜的平面镀有包括待测激光波段范围的高反射膜，凸面镀有包括待测激光波段范围的增透膜。

4.如权利要求1所述的测量激光介质热焦距的装置，其特征在于所述聚焦透镜和平凸透镜均至少一面镀有中心波长与泵浦光波长一致的高反射膜。

5.如权利要求1所述的测量激光介质热焦距的装置，其特征在于所述后端反射镜和激光介质入射面之间的距离L1为10mm～50mm。

6.如权利要求1所述的测量激光介质热焦距的装置，其特征在于所述激光介质出射面和聚焦透镜之间的距离L2为150mm～250mm。

7.一种利用权利要求1所述装置测量激光介质热焦距的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)初始化所述装置的布置

设置聚焦透镜(31)和平凸透镜(32)之间的初始距离L3，设置激光介质出射面和聚焦透镜之间的距离L2，并根据泵浦条件设置后端反射镜和激光介质入射面之间的距离L1；

2)打开泵浦源，泵浦光穿过后端反射镜并进入由后端反射镜(1)、聚焦透镜(31)和平凸透镜(32)组成的光学谐振腔中；

3)控制器(4)控制驱动电机(37)转动，并带动运动支架(35)在固定支架(34)的滑轨中移动来改变聚焦透镜(31)和平凸透镜(32)之间的距离L3；在运动支架移动过程中，光学谐振腔始终处于稳定状态或者不稳定状态；若光探测器能探测到从平凸透镜输出的待测激光，则说明部分泵浦光已转换为待测激光在光学谐振腔内振荡，此时光学谐振腔处于稳定状态；反之，则光学谐振腔处于不稳定状态；

4)光学谐振腔的状态通过光探测器传输到控制器，控制器根据光学谐振腔处于稳定状态和不稳定状态的临界点时的驱动电机的状态，得到聚焦透镜(31)和平凸透镜(32)之间的距离L3′；

5)计算距离L3′与初始距离L3之间的差值，根据稳区图读取待测激光介质的热透镜焦距。

8.如权利要求7所述的装置测量激光介质热焦距的方法，其特征在于所述步骤1)设置聚焦透镜(31)和平凸透镜(32)之间的初始距离L3等于聚焦透镜(31)的焦距。

9.如权利要求7所述的装置测量激光介质热焦距的方法，其特征在于所述步骤1)设置激光介质出射面和聚焦透镜之间的距离L2为150mm～250mm，后端反射镜和激光介质入射面之间的距离L1为10mm～50mm。

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