CN112345209B - 一种端面泵浦激光晶体热焦距测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种端面泵浦激光晶体热焦距测量装置，包括泵浦源、激光谐振腔、待测激光晶体、功率计，上述部件的光路位置关系如下：由泵浦源发出的泵浦光进入激光谐振腔内，经过待测激光晶体后，从激光谐振腔内射出，再通过功率计对输出激光的功率进行测量，所述的激光谐振腔是由输入镜和输出镜组成的平‑平腔，所述谐振腔内放置待测的激光晶体，所述输出镜和待测激光晶体之间的距离活动可调，所述泵浦光通过输入镜进入激光谐振腔内，再通过待测激光晶体，最后通过输出镜从激光谐振腔内射出。本发明装置具有结构简单，易操作，稳定可靠，测量精度高，能够快速准确地测量不同泵浦功率下待测激光晶体的热透镜焦距。

Description

一种端面泵浦激光晶体热焦距测量装置及方法
技术领域
本发明属于端面泵浦激光晶体热焦距测量领域，具体涉及一种端面泵浦激光晶体热焦距测量装置和方法。用于测量不同泵浦功率下激光晶体的热焦距，优化固体激光器谐振腔设计，提升固体激光器谐振腔稳定性与输出功率。
背景技术
二极管泵浦固体激光器具有体积小、效率高、结构简单和稳定性好等诸多优点，在科研、医疗以及探测等领域有着广泛的应用。采用激光二极管端面泵浦的固体激光器，一般需将泵浦光经过聚焦的方法注入激光晶体中，使得泵浦光斑半径通常只有几十到几百微米，从而造成了泵浦光功率集中在激光晶体端面很小的一部分区域内，并且泵浦光的能量密度很高。由于注入激光晶体中的泵浦光不能够完全被激光晶体吸收，且吸收的泵浦光也无法完全转换成为激光输出，其中一部分能量以热的形式沉积在晶体之中。加之激光晶体的量子缺陷损耗以及无辐射跃迁等过程中产生大量的热，因此会在激光晶体内部产生不均匀的热分布以及较大的温度梯度。沉积在晶体中的热会导致激光晶体的端面发生形变，产生热透镜效应，形成热焦距，热透镜效应以及热焦距的形成不仅影响了激光谐振腔的稳定性，还限制了激光器输出功率的进一步提升，并且降低了输出激光的效率以及光束质量。固体激光器谐振腔设计时亟待需要对其性能进行优化，提升谐振腔稳定性与激光器输出功率，而优化设计的前提条件是需要知道激光晶体在不同泵浦功率下的热焦距数值，因此，如何实现对激光晶体热焦距快速准确的测量就显得尤为重要。
发明内容
为了实现对激光晶体热焦距快速准确的测量，本发明提供了一种端面泵浦激光晶体热焦距测量装置，其特征在于包括泵浦源、激光谐振腔、待测激光晶体、功率计，上述部件的光路位置关系如下：由泵浦源发出的泵浦光进入激光谐振腔内，经过待测激光晶体后，从激光谐振腔内射出，再通过功率计对输出激光的功率进行测量，所述的激光谐振腔是由输入镜和输出镜组成的平-平腔，所述谐振腔内放置待测的激光晶体，所述输出镜和待测激光晶体之间的距离活动可调，所述泵浦光通过输入镜进入激光谐振腔内，再通过待测激光晶体，最后通过输出镜从激光谐振腔内射出。
具体地，所述泵浦源为激光二极管。
进一步地，所述泵浦源和输入镜之间放置耦合透镜，所述泵浦光经耦合透镜整形后进入激光谐振腔内。
进一步地，所述的激光谐振腔是由输入镜和输出镜组成的平-平腔，其中输入镜是对泵浦光高透、对激光晶体输出激光波长高反的平面镜，输出镜是对激光晶体输出激光波长具有5％-20％透过率的平面镜。
进一步地，还包括高精度位移平台，所述输出镜固定在高精度位移平台上，通过高精度位移平台改变输出镜的位置，从而实现对谐振腔长度即输入镜和输出镜之间距离的改变。
根据所述的测量装置进行端面泵浦激光晶体热焦距测量方法，基于激光器谐振腔稳区判定条件，通过改变激光器谐振腔长度，测量不同泵浦功率下满足谐振腔稳区判定条件的谐振腔长度，最终计算得出各泵浦功率下的待测激光晶体热透镜焦距，
包括以下步骤：
S1、将待测激光晶体放置在靠近输入镜的位置，测量待测激光晶体前端面与输入镜之间的距离，记为L1；
S2、选定泵浦功率，通过高精度位移平台改变输出镜的位置，当功率计测量的激光器输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大时，测量输入镜与输出镜之间的距离即谐振腔腔长，记为L；
S3、通过下列公式计算得出在选定的泵浦功率下待测激光晶体热焦距f：
Figure BDA0002670332180000021
其中，输入镜与输出镜均为平面镜，曲率分别为R1与R2，R1＝R2＝∞，待测激光晶体的折射率为n，长度为Lc；
S4、改变泵浦功率，重复上述过程，可测量待测激光晶体在不同泵浦功率下的热焦距数值。
进一步地，S3步骤中f的计算公式是根据ABCD矩阵理论推导得出，满足谐振腔稳定性条件：当功率计测量的激光器输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大。具体推到过程如下：
谐振腔有效腔长L′表示为：
Figure BDA0002670332180000031
谐振器g参数表示为：
Figure BDA0002670332180000032
Figure BDA0002670332180000033
当0<g1g2<1时，激光谐振腔满足稳定性条件，当g1g2＝0或者g1g2＝1时，激光谐振腔处于稳定腔的临界值，可以推导出激光晶体热焦距，表示如下：
Figure BDA0002670332180000034
本发明提出的端面泵浦激光晶体热焦距测量装置，基于激光器谐振腔稳区判定条件，通过改变激光器谐振腔腔长，测量不同泵浦功率下满足谐振腔稳区判定条件的谐振腔长度，最终计算得出各泵浦功率下的待测激光晶体热透镜焦距。本发明结构简单，易操作，稳定可靠，测量精度高，能够快速准确地测量不同泵浦功率下激光晶体的热透镜焦距。
附图说明
图1为发明端面泵浦激光晶体热焦距测量装置示意图。
图中：1-激光二极管泵浦源，2-耦合透镜，3-输入镜，4-待测激光晶体，5-输出镜，6-高精度位移平台，7-功率计。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。
图1为发明端面泵浦激光晶体热焦距测量装置示意图。
本发明提供了一种端面泵浦激光晶体热焦距测量装置，包括泵浦源、激光谐振腔、待测激光晶体、功率计，上述部件的光路位置关系如下：由泵浦源发出的泵浦光进入激光谐振腔内，经过待测激光晶体后，从激光谐振腔内射出，再通过功率计对输出激光的功率进行测量，所述的激光谐振腔是由输入镜和输出镜组成的平-平腔，所述谐振腔内放置待测的激光晶体，所述输出镜和待测激光晶体之间的距离活动可调，所述泵浦光通过输入镜进入激光谐振腔内，再通过待测激光晶体，最后通过输出镜从激光谐振腔内射出。
所述泵浦源为激光二极管。
所述泵浦源和输入镜之间放置耦合透镜，所述泵浦光经耦合透镜整形后进入激光谐振腔内。
所述的激光谐振腔是由输入镜和输出镜组成的平-平腔，其中输入镜是对泵浦光高透、对激光晶体输出激光波长高反的平面镜，输出镜是对激光晶体输出激光波长具有5％-20％透过率的平面镜。
还包括高精度位移平台，所述输出镜固定在高精度位移平台上，通过高精度位移平台改变输出镜的位置，从而实现对谐振腔长度即输入镜和输出镜之间距离的改变。
本发明还提供了根据所述的测量装置进行端面泵浦激光晶体热焦距测量方法，基于激光器谐振腔稳区判定条件，通过改变激光器谐振腔长度，测量不同泵浦功率下满足谐振腔稳区判定条件的谐振腔长度，最终计算得出各泵浦功率下的待测激光晶体热透镜焦距；所述谐振腔稳区判定条件具体为：当激光输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大；
包括以下步骤：
S1、将待测激光晶体放置在靠近输入镜的位置，测量待测激光晶体前端面与输入镜之间的距离，记为L1；
S2、选定泵浦功率，并开启激光二极管，泵浦光经耦合透镜整形后进入谐振腔内，由于热透镜效应的产生，热焦距的形成，会出现一个临界谐振腔腔长(记为L)使得谐振腔由稳腔变为非稳腔；精细调整谐振腔并通过高精度位移平台改变输出镜的位置，当功率计测量的激光器输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大时，测量输入镜与输出镜之间的距离即临界谐振腔腔长，记为L；
S3、通过下列公式计算得出在选定的泵浦功率下待测激光晶体热焦距f：
Figure BDA0002670332180000051
其中，输入镜与输出镜均为平面镜，曲率分别为R1与R2，R1＝R2＝∞，待测激光晶体的折射率为n；
待测激光晶体热焦距f的计算公式是根据ABCD矩阵理论推导得出，推导过程中引入满足谐振腔稳定性条件为：当功率计测量的激光器输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大。
S4、改变泵浦功率，重复上述过程，可测量待测激光晶体在不同泵浦功率下的热焦距数值。
实施例1：本实施例中激光二极管泵浦源1为808nm激光二极管；输入镜为镀有808nm高透膜和1064nm高反膜的平面镜；待测激光晶体为Nd:YVO4晶体，端面尺寸为4mm×4mm，晶体长度为10mm；输出镜为平面镜，对1064nm透过率为10％。透过率范围为5％-20％，本实例具体规定为10％
将待测激光晶体放置在靠近输入镜的位置，测量待测激光晶体前端面与输入镜之间的距离，记为L1，本实例具体为5mm。将激光二极管泵浦源泵浦功率设置为5W并开启泵浦源，通过高精度位移平台改变输出镜的位置，并实时监测功率计示数。当激光输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大时，测量输入镜与输出镜之间的距离，即谐振腔腔长，记为L，本实例具体为240mm，利用计算公式得出待测激光晶体在泵浦功率5W时的热焦距f，本实例具体为155mm。改变泵浦功率，重复上述操作，可测量待测激光晶体在不同泵浦功率下的热焦距。
实施例2：本实施例中激光二极管泵浦源1为808nm激光二极管；输入镜为镀有808nm高透膜和1064nm高反膜的平面镜；待测激光晶体为Nd:GdVO4晶体，端面尺寸为3mm×3mm，晶体长度为7mm；输出镜为平面镜，对1064nm透过率为15％。将待测激光晶体放置在靠近输入镜的位置，测量待测激光晶体前端面与输入镜之间的距离，记为L1，本实例具体为10mm。将激光二极管泵浦源泵浦功率设置为15W并开启泵浦源，通过高精度位移平台改变输出镜的位置，并实时监测功率计示数。当激光输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大时，测量输入镜与输出镜之间的距离，即谐振腔腔长，记为L，本实例具体为132mm；利用计算公式得出待测激光晶体在泵浦功率15W时的热焦距为f，本实例具体为78mm。改变泵浦功率，重复上述操作，可测量待测激光晶体在不同泵浦功率下的热焦距。
该实施例表明，本发明具有结构简单，易操作，稳定可靠，测量精度高，能够快速准确地测量不同泵浦功率下待测激光晶体的热透镜焦距。

Claims (2)

1.一种端面泵浦激光晶体热焦距测量方法，使用端面泵浦激光晶体热焦距测量装置进行，所述端面泵浦激光晶体热焦距测量装置包括泵浦源、激光谐振腔、待测激光晶体、功率计，上述部件的光路位置关系如下：由泵浦源发出的泵浦光进入激光谐振腔内，经过待测激光晶体后，从激光谐振腔内射出，再通过功率计对输出激光的功率进行测量，所述的激光谐振腔是由输入镜和输出镜组成的平-平腔，所述谐振腔内放置待测的激光晶体，所述输出镜和待测激光晶体之间的距离活动可调，所述泵浦光通过输入镜进入激光谐振腔内，再通过待测激光晶体，最后通过输出镜从激光谐振腔内射出；
所述泵浦源为激光二极管；
所述泵浦源和输入镜之间放置耦合透镜，所述泵浦光经耦合透镜整形后进入激光谐振腔内；
所述的激光谐振腔是由输入镜和输出镜组成的平-平腔，其中输入镜是对泵浦光高透、对激光晶体输出激光波长高反的平面镜，输出镜是对激光晶体输出激光波长具有5％-20％透过率的平面镜；
还包括高精度位移平台，所述输出镜固定在高精度位移平台上，通过高精度位移平台改变输出镜的位置，从而实现对谐振腔长度即输入镜和输出镜之间距离的改变；
其特征在于：基于激光器谐振腔稳区判定条件，通过改变激光器谐振腔长度，测量不同泵浦功率下满足谐振腔稳区判定条件的谐振腔长度，最终计算得出各泵浦功率下的待测激光晶体热透镜焦距，
包括以下步骤：
S1、将待测激光晶体放置在靠近输入镜的位置，测量待测激光晶体前端面与输入镜之间的距离，记为L1；
S2、选定泵浦功率，通过高精度位移平台改变输出镜的位置，当功率计测量的激光器输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大时，测量输入镜与输出镜之间的距离，记为L；
S3、通过下列公式计算得出在选定的泵浦功率下待测激光晶体热焦距f：
Figure FDA0003737107220000021
其中，输入镜与输出镜均为平面镜，曲率分别为R1与R2，R1＝R2＝∞，待测激光晶体的折射率为n；
S4、改变泵浦功率，重复上述过程，可测量待测激光晶体在不同泵浦功率下的热焦距数值。
2.根据权利要求1所述的端面泵浦激光晶体热焦距测量方法，其特征在于S3步骤中f的计算公式是根据ABCD矩阵理论推导得出，满足谐振腔稳定性条件：当功率计测量的激光器输出功率不为零且输入镜与输出镜之间的距离最大。
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