CN1884991A - 固体激光器切向和径向热焦距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大功率固体激光器领域。目前只能测量热透镜焦距的平均值，而对热透镜补偿，测得径向热焦距f_r和切向热焦距f_θ更有意义。本发明步骤：开启激光器至稳定；用功率计测量并记录输出激光的功率，得到激光输出功率随灯泵浦功率的变化曲线，经过曲线确定腔的临界稳定区；多次改变腔长后得一系列曲线；分析该曲线：随着泵浦功率的增加，输出功率线性增加出现第一个拐点，进入临界稳定区，之后出现第二个拐点，离开临界稳定区；出现第一个拐点，计算出对应于该泵浦功率下的径向热焦距f_r；第二个拐点时，计算出对应的切向热焦距f_θ；在临界稳定区的中心，计算出对应的平均有效热焦距f。本发明操作简单，为优化设计大功率激光器提供了准确参数。

Description

固体激光器切向和径向热焦距测量方法

技术领域

固体激光器切向和径向热焦距测量方法属于大功率固体激光器技术领域。

背景技术

激光加工应用范围十分广泛，目前已在机械、电子、汽车、航空航天、钢铁、造船、军工等行业获得较为广泛的应用，并且在国民生产总值中占有越来越大的比重。大功率固体激光器有高能量储存、波长短、金属吸收率高的优点；且易于光纤传输，不但提高了系统的灵活性，同时与工业机器人匹配可组装成在线柔性制造系统实现柔性加工。

对于设计优化大功率固体激光器，激光晶体的热焦距是一个重要的参数。高功率灯泵浦的激光器，由于泵浦灯发射的光谱较宽，泵浦光非吸收光谱区的能量转换为热；荧光过程的量子效率小于1，部分光子能量散失到基质晶格中转换为热；泵浦带和荧光能级间的能量差通过无辐射跃迁散失到基质晶格中转换为热，在激光棒内引起的强烈的热透镜效应，会导致输出光束质量的降低，严重时会造成输出功率的降低。因此，设计具有最优的效率、稳定性和光束质量的激光器，测量激光棒的热透镜焦距是很重要的。

对激光器热透镜的测量，人们进行了大量的研究，提出了多种测量激光器热透镜的方法，如：氦氖光直接测量法，即将He-Ne光经过扩束，通过灯泵的Nd:YAG晶体，再用一个接受屏来接收光斑。前后移动接受屏寻找光斑最小最亮的点即为焦点，焦点与激光棒主平面的距离为测量焦距；氦氖光辅助透镜法，即将准直扩束后的He-Ne通过灯泵的Nd:YAG晶体，再经辅助透镜成象，利用光电探测器确定象点位置。根据几何公和成象公式得热焦距；光阑法，即利用光阑测量不同位置处光斑半径，利用公式θ＝2R/L，得出发散角，利用发散角拟合理论曲线，得出对应的热焦距；干涉法，即用1064nm的探测光照射泵浦的Nd:YAG晶体，用CCD测量其两端面的反射光的一阶干涉图象，由波面的变化得出热焦距；以及动态测量法、横模拍频法等。CCD照相法装置太复杂，干涉法易受外围环境的影响；氦氖光法是最常用的方法，但由于氪灯谱线的干扰、激光晶体折射率是波长的函数、以及氦氖光存在一定的发散角，测量并不准确；其他方法对测量仪器要求较高，并不实用。且这些方法都是测量热透镜焦距的平均值。而对热透镜补偿，测得径向热焦距f_r和切向热焦距f_θ更有实际意义。

发明内容

为测量大功率灯泵浦连续激光器的热透镜焦距，设计了一种新的测量方法，即通过监测激光输出功率，记录由于有效热焦距使谐振腔通过特殊临界稳定的点，确定有效热焦距。由于热透镜焦距是随着泵浦功率的变化而变化的，因此需要测得不同泵浦功率下的热透镜焦距。

其测量方法如下：

第一步，开启激光器至冷却水温度稳定在20℃；

第二步，用功率计测量并记录输出激光的功率，得到激光输出功率随灯泵浦功率的变化曲线，经过曲线确定腔的临界稳定区；

第三步，改变谐振腔的腔长，对腔镜进行准直，以保证测量的斜率效率一致，用功率计测量并记录输出激光的功率，得到激光输出功率随灯泵浦功率的变化曲线，经过曲线确定不同腔长下的临界稳定区；

多次改变腔长后得到一系列激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线；

第四步，任意一个谐振腔的腔长对应一条激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线，分析该曲线：随着泵浦功率的增加，输出功率线性增加出现第一个拐点，进入临界稳定区，之后出现第二个拐点，离开临界稳定区，输出功率又会线性增长，最后由于到达谐振腔的不稳区输出功率下降；

当出现第一个拐点时，就进入了临界稳定区，由谐振腔的临界稳定条件可知，此时热透镜焦距等于半腔长，利用公式(1)计算出对应于该泵浦功率下的径向热焦距f_r；

当出现第二个拐点时，离开临界稳定区，由谐振腔的临界稳定条件可知，利用公式(1)计算出对应于该泵浦功率下的切向热焦距f_θ；

在临界稳定区的中心，利用公式(1)计算出对应于该泵浦功率下的平均有效热焦距f；

不同腔长对应的临界稳定区是不同的，分析其它激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线得到不同泵浦功率下的热透镜焦距；

热焦距表示为以下公式：

f＝L+(l/2)(1-(1/n₀))                  (1)

式中，f在上述不同泵浦功率下分别为径向热焦距f_r、切向热焦距f_θ、平均有效热焦距f，L为主面离镜的距离，l为棒的长度，n₀为激光棒的折射率；

第五步，关闭激光器。

此方法其特征在于，不仅可以测量与激光器结构有关的平均有效热焦距具体值，而且可以测得对应的径向热焦距f_r和切向热焦距f_θ；此方法所需的仪器仅为功率计，操作简单。

附图说明

图1.平平腔腔长584到1344mm时输出功率随泵浦功率的变化测量结果；

图2.YAG棒的热透镜焦距随输入功率变化曲线。

具体实施方式

采用双氪灯泵浦漫反腔，φ9mm×155mm的Nd:YAG棒(掺钕浓度为0.8％)。激光电源为灯提供最大功率16Kw。激光器用双循环水冷进行冷却，实验温度及稳定度为20℃(±1℃)。采用的是输出耦合效率为20.5％的平行平面腔，并且在紧接激光棒处两端分别放置直径为8.5mm的光阑。

测量方法如下：

第一步，开启激光器至冷却水温度稳定在20℃；

第二步，用功率计测量并记录输出激光的功率，得到激光输出功率随灯泵浦功率的变化曲线，经过曲线确定腔的临界稳定区；

第三步，改变谐振腔的腔长，对腔镜进行准直，以保证测量的斜率效率一致，用功率计测量并记录输出激光的功率，得到激光输出功率随灯泵浦功率的变化曲线，经过曲线确定不同腔长下的临界稳定区，多次改变腔长后得到一系列激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线，如图1所示；

第四步，分析任意一条激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线可知，随着泵浦功率的增加，输出功率线性增加，随后出现第一个拐点，进入临界稳定区，之后出现第二个拐点，离开临界稳定区，最后由于到达谐振腔的不稳区输出功率下降，以L＝944mm为例，当出现第一个拐点a时，就进入了临界稳定区，由谐振腔的临界稳定条件可知，此时热透镜焦距等于半腔长，利用公式(1)计算出对应于此时泵浦功率下的径向热焦距f_r，当出现第二个拐点b时，离开临界稳定区，由谐振腔的临界稳定条件可知，利用公式(1)计算出对应于此时泵浦功率下的切向热焦距f_θ，在平缓区的中心，利用公式(1)计算出对应于此时泵浦功率下的平均有效热焦距f，不同腔长对应的临界稳定区是不同的，分析图1的其它4条激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线得到不同泵浦功率下的热透镜焦距，结果如图2所示；

热焦距可表示为：

f＝L+(l/2)(1-(1/n₀))                (1)

式中，f在不同情况下分别为径向热焦距f_r、切向热焦距f_θ、平均有效热焦距f，L为主面离镜的距离，L＝D-(l/2)(1-(1/n₀))，D为半腔长，l为棒的长度，n₀为激光棒的折射率；

第五步，关闭激光器。

其它热透镜焦距方法都是测量热透镜焦距的平均值，而该方法不仅可以测量平均有效热焦距，而且可以测得径向热焦距f_r和切向热焦距f_θ。对热透镜补偿，测得径向热焦距f_r和切向热焦距f_θ更有实际意义，为优化设计大功率激光器提供了准确的设计参数。

Claims (1)

1、一种固体激光器切向和径向热焦距测量方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，开启激光器至冷却水温度稳定在20℃；

第二步，用功率计测量并记录输出激光的功率，得到激光输出功率随灯泵浦功率的变化曲线，经过曲线确定腔的临界稳定区；

第三步，改变谐振腔的腔长，对腔镜进行准直，以保证测量的斜率效率一致，用功率计测量并记录输出激光的功率，得到激光输出功率随灯泵浦功率的变化曲线，通过曲线确定不同腔长下临界稳定区；

多次改变腔长后得一系列激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线；

第四步，任意一个谐振腔的腔长对应一条激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线，分析该曲线：随着泵浦功率的增加，输出功率线性增加出现第一个拐点，进入临界稳定区，之后出现第二个拐点，离开临界稳定区，输出功率又会线性增长，最后由于到达谐振腔的不稳区输出功率下降；

当出现第一个拐点时，利用公式(1)计算出对应于该泵浦功率下的径向热焦距f_r；

当出现第二个拐点时，利用公式(1)计算出对应于该泵浦功率下的切向热焦距f_θ；

在临界稳定区的中心，利用公式(1)计算出对应于该泵浦功率下的平均有效热焦距f；

分析其它激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线得到不同泵浦功率下的热透镜焦距；

热焦距表示为以下公式：

f＝L+(l/2)(1-(1/n₀))                            (1)

式中，f在上述不同泵浦功率下分别为径向热焦距f_r、切向热焦距f_θ、平均有效热焦距f，L为主面离镜的距离，l为棒的长度，n₀为激光棒的折射率；

第五步，关闭激光器。

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