CN111175023A - 一种激光晶体热透镜焦距在线实时测量装置及方法 - Google Patents

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樊荣伟
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Abstract

本发明公开了一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量装置及方法，所述装置包括He‑Ne激光器(1)、5‑10倍第一扩束系统(2)、可变孔径光阑(3)、45°的632.8nm高反镜(4)、分束立方体(5)、45°的二色镜(6)、衰减片组(7)、2‑5倍第二扩束系统(8)、相机(9)和导轨(10)；利用所述高反镜(4)和分束立方体(5)，调节He‑Ne光与激光器泵浦光严格同光轴传输；通过所述第二扩束系统(8)使所述相机(9)上He‑Ne成像光斑尽可能大，但不能超出所述相机(9)成像面元。该装置测量结果准确，能够快速地实现不同泵浦功率下激光晶体的热焦距测量，为激光器的补偿设计提供有力保障。

Description

一种激光晶体热透镜焦距在线实时测量装置及方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量的装置及方法。
背景技术
在LD端泵固体激光器中，由于泵浦光斑小，泵浦光能量集中，使得激光晶体的热效应严重，为提升激光器的性能，需要进行热透镜补偿设计。而准确测量激光晶体的热透镜焦距，是对LD端泵固体激光器进行补偿设计的关键。激光器在工作和非工作状态下，由于受激辐射的作用，激光晶体热透镜焦距值是不一样的，尤其在高泵浦功率下，两种状态下的测量值会有较大差别。同时考虑激光器补偿设计的需要，获取激光晶体泵浦区的热焦距比整块激光晶体区域的热焦距要更有价值。因此在测量激光晶体热焦距时，这两个问题需要特别注意：一是晶体的热焦距是否是在激光器工作的条件下在线获得；二是获取的热焦距是晶体泵浦区还是整个晶体区的热焦距。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量装置及方法，以解决上述技术问题之一。
根据本发明的第一实施方式，本发明提供的一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量装置，包括He-Ne激光器1、5-10倍第一扩束系统2、可变孔径光阑3、45°的632.8nm高反镜4、分束立方体5、45°的二色镜6、衰减片组7、2-5倍第二扩束系统8、相机9和导轨10；利用所述高反镜4和分束立方体5，调节He-Ne光与激光器泵浦光严格同光轴传输；通过所述第二扩束系统8使所述相机9上He-Ne成像光斑尽可能大，但不能超出所述相机9成像面元；所述导轨10在放置时，需与激光器的出光光路和He-Ne光的通光光路同轴，所述二色镜6、衰减片组7、第二扩束系统8、相机9都安置于所述导轨10上。
可选的，所述He-Ne激光器作为辅助测试光源，其输出光斑尺寸不小于1mm，发散角不大于1mrad。
可选的，所述第一扩束系统具有5-10倍扩束能力，用于压缩He-Ne光发散角至百微弧度级别。
可选的，所述光阑为可变孔径光阑，且最小通光孔不大于0.5mm。
可选的，所述光阑为可变孔径光阑，通光孔应为激光器泵浦光斑的1.1-1.2倍。
可选的，所述45°高反镜应一面镀632.8nm高反膜；所述二色镜，靠近待测激光晶体的一面镀对激光和泵浦光的45°高反膜，反射率需大于99.98％。
可选的，所述分束立方体外形尺寸不大于5mm×5mm×5mm，其允许激光器泵浦光高透且He-Ne光45°高反。
可选的，所述衰减片组包含不同衰减倍率的多片衰减片，用于将He-Ne光以合适倍率衰减后在相机上成清晰且不饱和像。
根据本发明的第二实施方式，本发明提供的一种利用如上任一权利要求所述装置实现LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、按测量光路所述依次放置He-Ne激光器1、5-10倍第一扩束系统2、可变孔径光阑3和45°的632.8nm高反镜4；
步骤二、将分束立方体5置于LD端泵固体激光器光路中，调节所述45°的632.8nm高反镜4和分束立方体5，确保He-Ne光与激光器泵浦光严格同光轴传输；
步骤三、在激光器输出端放置导轨10，调节所述导轨10位置，使其运动方向与激光器的出光光路和He-Ne光的通光光路同轴；
步骤四、按测量光路所示在激光器输出端依次放置45°的二色镜6、衰减片组7、2-5倍第二扩束系统8以及相机9；
步骤五、运行LD端泵固体激光器系统，激光晶体14在泵浦源11发出的泵浦光的作用下产生热透镜，入射到所述激光晶体14内且与泵浦光同轴的He-Ne光在晶体热透镜的作用下发生会聚，选择合适的衰减片，沿所述导轨10方向前后移动所述相机9，直至在所述相机9上成像最小光斑，测量所述相机9与所述激光晶体14间的距离，即为所述激光晶体14的热透镜焦距值。
可选的，还包括：步骤六、改变激光器系统的泵浦功率，重复按步骤五操作，即可获取不同泵浦功率下所述激光晶体14的热透镜焦距。
本发明的有益效果：本发明提供了一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量的装置及方法，测量结果准确，能够快速地实现不同泵浦功率下激光晶体的热焦距测量，为激光器的补偿设计提供有力保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量的装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
如图1所示，根据本发明的第一实施方式，本发明提供的一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量装置，包括He-Ne激光器1、5-10倍第一扩束系统2、可变孔径光阑3、45°的632.8nm高反镜4、分束立方体5、45°的二色镜6、衰减片组7、2-5倍第二扩束系统8、相机9和导轨10；利用所述高反镜4和分束立方体5，调节He-Ne光与激光器泵浦光严格同光轴传输；通过所述第二扩束系统8使所述相机9上He-Ne成像光斑尽可能大，但不能超出所述相机9成像面元；所述导轨10在放置时，需与激光器的出光光路和He-Ne光的通光光路同轴，所述二色镜6、衰减片组7、第二扩束系统8、相机9都安置于所述导轨10上。
其中，第一扩束系统2包括第一输入负透镜和第一输出正透镜，第一输入负透镜的焦距为F1，第一输出正透镜的焦距为F2，输入光束经过第一输入负透镜后形成发散光束，发散光束的束腰ω1＝(F1λ)/(ωπ)，同时可以计算出发散光束的发散角θ1＝2λ/πω1。计算获得入射激光束在第一输入负透镜上光束半径ω(l)
Figure BDA0002332861950000041
其中，l表示入射激光束腰，由于发散光束的束腰ω1位于第一输出正透镜的后焦平面上，并且第一输出正透镜的焦距F2大于第一输入负透镜的焦距F1，高斯光束将被扩束镜准直。准直倍率如下：
A＝θ/θ2＝A1ω(l)
其中，A1＝F1/F2，经过扩束后，束腰ω2＝(F1λ)/(ω1π)，发散角θ2＝θ/A。因此，ω2＝A1ω(l)。
第二扩束系统8可通过如上计算获得合适倍率的扩束系统。
可选的，所述He-Ne激光器作为辅助测试光源，其输出光斑尺寸不小于1mm，优选0.5mm，发散角不大于1mrad优选0.5mrad。
可选的，所述第一扩束系统具有5-10倍扩束能力，优选8倍扩束能力，用于压缩He-Ne光发散角至百微弧度级别。
可选的，所述光阑为可变孔径光阑，且最小通光孔不大于0.5mm，优选0.3mm。特别的，通光孔应为激光器泵浦光斑的1.1-1.2倍，使得泵浦光刚好全部通过光阑。
可选的，所述45°高反镜应一面镀632.8nm高反膜，光束通过45°高反镜光路发生90度旋转；所述二色镜，靠近待测激光晶体的一面镀对激光和泵浦光的45°高反膜，反射率需大于99.98％。
可选的，所述分束立方体外形尺寸不大于5mm×5mm×5mm，例如选择3mm×3mm×3mm尺寸的分束立方体，其允许激光器泵浦光高透且He-Ne光45°高反。
可选的，所述衰减片组包含不同衰减倍率的多片衰减片，例如2倍、3倍、5倍的衰减，用于将He-Ne光以合适倍率衰减后在相机上成清晰且不饱和像。
结合图1，根据本发明的第二实施方式及如上第一实施方式，本发明提供的一种利用如上所述装置实现LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、按测量光路所述依次放置He-Ne激光器1、5-10倍第一扩束系统2、可变孔径光阑3和45°的632.8nm高反镜4；
步骤二、将分束立方体5置于LD端泵固体激光器光路中，调节所述45°的632.8nm高反镜4和分束立方体5，确保He-Ne光与激光器泵浦光严格同光轴传输；
步骤三、在激光器输出端放置导轨10，调节所述导轨10位置，使其运动方向与激光器的出光光路和He-Ne光的通光光路同轴；
步骤四、按测量光路所示在激光器输出端依次放置45°的二色镜6、衰减片组7、2-5倍第二扩束系统8以及相机9；
步骤五、运行LD端泵固体激光器系统，例如30W泵浦，激光晶体14在泵浦源11发出的泵浦光的作用下产生热透镜，入射到所述激光晶体14内且与泵浦光同轴的He-Ne光在晶体热透镜的作用下发生会聚，选择合适的衰减片组，例如选择2、3、5倍的衰减片组，沿所述导轨10方向前后移动所述相机9，直至在所述相机9上成像最小光斑，测量所述相机9与所述激光晶体14间的距离f，即为所述激光晶体14的热透镜焦距值。
步骤六、改变激光器系统的泵浦功率，例如35W泵浦、40W泵浦、50W泵浦等，重复按步骤五操作，即可获取不同泵浦功率下所述激光晶体14的热透镜焦距f1、f2、f3等。通过将不同泵浦功率下的热透镜焦距形成二位关系图，在后续一定泵浦功率下就可以准确指定当下的热透镜焦距。
本发明提供了一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量的装置及方法，测量结果准确，能够快速地实现不同泵浦功率下激光晶体的热焦距测量。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量装置，其特征在于，包括He-Ne激光器(1)、5-10倍第一扩束系统(2)、可变孔径光阑(3)、45°的632.8nm高反镜(4)、分束立方体(5)、45°的二色镜(6)、衰减片组(7)、2-5倍第二扩束系统(8)、相机(9)和导轨(10)；利用所述高反镜(4)和分束立方体(5)，调节He-Ne光与激光器泵浦光严格同光轴传输；通过所述第二扩束系统(8)使所述相机(9)上He-Ne成像光斑尽可能大，但不能超出所述相机(9)成像面元；所述导轨(10)在放置时，需与激光器的出光光路和He-Ne光的通光光路同轴，所述二色镜(6)、衰减片组(7)、第二扩束系统(8)、相机(9)都安置于所述导轨(10)上。
2.根据权利要求1所述的在线实时测量装置，其特征在于：所述He-Ne激光器作为辅助测试光源，其输出光斑尺寸不小于1mm，发散角不大于1mrad。
3.根据权利要求1所述的在线实时测量装置，其特征在于：所述第一扩束系统具有5-10倍扩束能力，用于压缩He-Ne光发散角至百微弧度级别。
4.根据权利要求1所述的在线实时测量装置，其特征在于：所述光阑为可变孔径光阑，且最小通光孔不大于0.5mm。
5.根据权利要求4所述的在线实时测量装置，其特征在于：所述光阑为可变孔径光阑，通光孔应为激光器泵浦光斑的1.1-1.2倍。
6.根据权利要求1所述的在线实时测量装置，其特征在于：所述45°高反镜应一面镀632.8nm高反膜；所述二色镜，靠近待测激光晶体的一面镀对激光和泵浦光的45°高反膜，反射率需大于99.98％。
7.根据权利要求1所述的在线实时测量装置，其特征在于：所述分束立方体外形尺寸不大于5mm×5mm×5mm，其允许激光器泵浦光高透且He-Ne光45°高反。
8.根据权利要求1所述的在线实时测量装置，其特征在于：所述衰减片组包含不同衰减倍率的多片衰减片，用于将He-Ne光以合适倍率衰减后在相机上成清晰且不饱和像。
9.一种利用权利要求1-8任一权利要求所述装置实现LD端泵固体激光器中激光晶体热透镜焦距在线实时测量的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一、按测量光路所述依次放置He-Ne激光器(1)、5-10倍第一扩束系统(2)、可变孔径光阑(3)和45°的632.8nm高反镜(4)；
步骤二、将分束立方体(5)置于LD端泵固体激光器光路中，调节所述45°的632.8nm高反镜(4)和分束立方体5，确保He-Ne光与激光器泵浦光严格同光轴传输；
步骤三、在激光器输出端放置导轨(10)，调节所述导轨(10)位置，使其运动方向与激光器的出光光路和He-Ne光的通光光路同轴；
步骤四、按测量光路所示在激光器输出端依次放置45°的二色镜(6)、衰减片组(7)、2-5倍第二扩束系统(8)以及相机(9)；
步骤五、运行LD端泵固体激光器系统，激光晶体(14)在泵浦源(11)发出的泵浦光的作用下产生热透镜，入射到所述激光晶体(14)内且与泵浦光同轴的He-Ne光在晶体热透镜的作用下发生会聚，选择合适的衰减片，沿所述导轨(10)方向前后移动所述相机(9)，直至在所述相机(9)上成像最小光斑，测量所述相机(9)与所述激光晶体(14)间的距离，即为所述激光晶体(14)的热透镜焦距值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于还包括：
步骤六、改变激光器系统的泵浦功率，重复按步骤五操作，即可获取不同泵浦功率下所述激光晶体(14)的热透镜焦距。
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