CN1888839A - 固体激光器动态热畸变的干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

一种固体激光器动态热畸变的干涉测量装置，其特征在于由He－Ne激光器、扩束望远镜、第一分光镜、第二分光镜、第一全反镜、第二全反镜、观察屏、CCD探测器和计算机组成，上述组件的位置关系如下：He－Ne激光器发出的He－Ne光经过扩束望远镜后被第一分光镜分为两束，一束透射光经过固体激光器的激光介质由第一全反镜反射，再经第二分光镜反射，另一反射光束经第二全反镜反射透过第二分光镜，这两束光在第二分光镜的半反射面上发生干涉，干涉图样成像在观察屏上，干涉条纹图样由CCD探测器采集送入计算机进行数据处理。本发明具有结构简单，易于制造，成本低廉，能够在非接触的条件下对板条激光介质的温度分布进行动态测量。

Description

固体激光器动态热畸变的干涉测量装置

技术领域

本发明涉及激光介质，特别是一种固体激光器中动态热畸变的干涉测量装置。

背景技术

激光工作物质热畸变是阻碍激光功率进一步提高和获得高光束质量的一个重要因素。因此有效的实时检测激光介质的动态热畸变，充分、深入地了解激光工作物质的温度分布，并对其进行有效补偿，对保证大功率固体激光器的连续、高效工作十分重要。

在固体激光器的热畸变研究中，大多数都是采用数值模拟的方式分析激光介质的温度分布、热应力，热焦距等[张玲等LD侧面泵浦Nd:YAG激光器的热效应研究，激光与红外，2003年，Vol.33，No.1]，但并不能够真实准确的得到激光介质的温度分布。也有的利用干涉方法探测激光介质的热畸变[罗必凯等YAG激光棒光泵浦动态热效应的干涉测试，中国激光，1993年，Vol.A20，No.3]，但是只用于单脉冲泵浦的情况下，而且得到的是三维波面图，并未得到温度分布图。也有利用泵浦过程中，参考光在激光晶体泵浦的另一端入射，经前后端面的反射后相互干涉，根据产生的干涉条纹发生的移动来测量晶体的热透镜焦距[杨永明等 干涉法测量LD端面泵浦Nd:YAG晶体热透镜焦距，光子学报，2005年2月，Vol.34，No.2]，但采用这种方法的精确度不高。总之，现有技术的都未能在实验中动态地测出激光介质的温度分布，而且不具有实时性，处理比较理想化，精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体激光器动态热畸变的干涉测量装置，要求结构简单，装调容易，能获得激光介质的动态热畸变。

本发明的技术解决方案：

一种固体激光器动态热畸变的干涉测量装置，其特征在于由He-Ne激光器、扩束望远镜、第一分光镜、第二分光镜、第一全反镜、第二全反镜、观察屏、CCD探测器和计算机组成，上述组件的位置关系如下：He-Ne激光器发出的He-Ne光经过扩束望远镜后被第一分光镜分为两束，一束透射光经过固体激光器的激光介质由第一全反镜反射，再经第二分光镜反射，另一反射光束经第二全反镜反射透过第二分光镜，这两束光在第二分光镜的半反射面上发生干涉，干涉图样成像在观察屏上，干涉条纹图样由CCD探测器采集送入计算机进行数据处理。

由于被测激光介质被泵浦时产生的热效应使激光介质的折射率会发生变化，而折射率的变化将使通过激光介质的光程差发生变化，导致产生的干涉条纹发生形变和移动，利用CCD探测器连续拍摄干涉条纹动态变化过程，得到一系列按时间排序的干涉条纹图像。通过分析这些干涉条纹图，根据这些条纹图上每一点在不同时刻对应的移动的级数来计算折射率的变化情况，而根据折射率的变化计算得到激光介质的热畸变情况。为了更精确的得到条纹上每一点对应的移动的条纹级数，因而采用了图像处理的办法，经过图像预处理等一些步骤，最后采用细化算法来提取抽取条纹的骨架，这为后续的数据处理带来了极大的方便。

下面以侧泵板条激光器为实例，具体计算过程如下：建立坐标系(见图2)，设板条激光介质的长度为L，探测光(He-Ne光)的波长为λ，未泵浦的半条介质的折射率为n₀，泵浦后轴向(z轴)折射率梯度为零，截面(x-y平面)上折射率分布为：

n＝n(x，y)                    (1)

对应点(x，y)的光程差的变化量为Δl(x，y)，移过的条纹数目为Δm(x，y)，折射率的变化量为Δn(x，y)，那么有：

Δl(x，y)＝Δm(x，y)·λ                  (2)

而有：

Δl(x，y)＝[n(x，y)-n₀]·L＝Δn(x，y)·L    (3)

对比(2)(3)两式，那么有：

$\mathrm{\Δn}(x,y)=\frac{\mathrm{\Δm}(x,y)\·\mathrm{\λ}}{L}---\left(4\right)$

这样根据条纹移动量就可以算的折射率的变化量。温度折射率系数dn/dt引起的温度变化是热致折射率变化Δn(x，y)的主要原因，因此近似认为：

$\mathrm{\Δn}(x,y)=\mathrm{\Δn}{(x,y)}_T=\mathrm{\ΔT}(x,y)\·\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}\right)---\left(5\right)$

综合上述两式(4)、(5)，则有：

$\mathrm{\ΔT}(x,y)=\mathrm{\Δn}(x,y)/\left(\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}\right)---\left(6\right)$

这样就可以得到板条激光介质在被泵浦过程中的温度分布，而从干涉条纹也可以直接得到三维波面图。

本发明的优点或技术成果是：

1、在本发明中，由于采用干涉条纹的方法，将成熟的计算机图像处理技术应用于处理条纹，能够得到较高的精度。

2、在本发明中，由于采用的是非接触的测量方式，不会影响激光器的正常工作。

3、在本发明中，由于CCD探测器采集的干涉条纹能够输入计算机中进行处理和计算，可以计算出折射率的变化得到激光介质的热畸变情况等。

4、在本发明中，由于所用器件结构简单，整个装置稳定使用，便于加工制造。

附图说明

图1为本发明固体激光器动态热畸变的干涉测量装置的结构框图。

图2为侧面泵浦的板条激光介质示意图。

具体的实施方式

参阅图1，图1为本发明测量激光介质动态热畸变的干涉测量装置的结构框图。由图可见本发明固体激光器动态热畸变的干涉测量装置，由He-Ne激光器1，扩束望远镜2，第一分光镜3、第二分光镜7，第一全反镜6、第二全反镜8，观察屏11，CCD探测器10和计算机12组成，上述组件的位置关系如下：He-Ne激光器1发出的He-Ne光经过扩束望远镜2后被第一分光镜3分为两束，一束透射光经过固体激光器的激光介质5由第一全反镜6反射，再经第二分光镜7反射，另一反射光束经第二全反镜8反射透过第二分光镜7，这两束光在第二分光镜7的半反射面上发生干涉，干涉图样成像在观察屏11上，干涉条纹图样由CCD探测器10采集并送入计算机12进行数据处理。

从He-Ne激光器1发出的激光经过扩束望远镜2进入干涉仪光路，此时光路中的激光介质5未被泵浦，通过CCD探测器10采集到一幅此时的干涉条纹图，保存作为背景条纹图。

当泵浦源4和9对激光介质5开始泵浦时，通过CCD探测器10实时连续的对观察屏11上的干涉条纹进行采集存储送入计算机12，直至泵浦结束为止。

为了方便精确计算截面上干涉条纹移动的数目，将所有采集到的干涉条纹进行处理并提取出条纹中心，然后将泵浦时采集到的一系列干涉条纹与背景条纹进行对比，分析计算出三维波面、温度分布、等效热焦距等。

本发明一个实施例中采用了一块大小为2cm*3cm*1cm的板状激光玻璃模拟激光二极管(LD)抽运激光板条的过程，将两个LD激光器4、9换成两个致冷片粘贴在激光玻璃的两侧面，实验环境温度为20℃。采用温控电路控制两个致冷片的温度，使其温差保持在60℃左右，模拟板条被抽运时的热传导过程。

先搭建好光路，拍得一幅背景条纹图。然后将激光玻璃放入光路中，在致冷片开始工作的同时CCD探测器10以每秒25帧的速度连续采集观察屏11上的干涉条纹移动的过程，共采集了12秒，这时热传导过程已经基本稳定。

为了更精确的计算条纹移动的级数，必须先提取出条纹的中心，根据前面的理论计算，可以得到该激光玻璃在热传导过程中的动态热畸变情况。从实验结果表明：结果与理论计算相符，本发明具有结构简单，易于制造，成本低廉，能够在非接触的条件下对板条激光介质的温度分布进行动态测量，并且在连续泵浦、单脉冲泵浦或重复脉冲泵浦的时候都能进行测量，应用广泛。

Claims (1)

1、一种固体激光器动态热畸变的干涉测量装置，其特征在于由He-Ne激光器(1)，扩束望远镜(2)，第一分光镜(3)、第二分光镜(7)，第一全反镜(6)、第二全反镜(8)，观察屏(11)，CCD探测器(10)和计算机(12)组成，上述组件的位置关系如下：He-Ne激光器(1)发出的He-Ne光经过扩束望远镜(2)后被第一分光镜(3)分为两束，一束透射光经过固体激光器的激光介质(5)由第一全反镜(6)反射，再经第二分光镜(7)反射，另一反射光束经第二全反镜(8)反射透过第二分光镜(7)，这两束光在第二分光镜(7)的半反射面上发生干涉，干涉图样成像在观察屏(11)上，干涉条纹图样由CCD探测器(10)采集送入计算机(12)进行数据处理。

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