CN203455279U - 激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置，包括相对包边的激光玻璃样品前表面设置的测量激光光源，顺次设置于测量激光光源和激光玻璃样品之间的起偏器和1/4波片，相对包边的激光玻璃样品后表面设置的剩余反射探测器，以及设置于剩余反射探测器和激光玻璃样品之间的检偏器。其原理是椭圆偏振光经过激光玻璃和等效导纳的界面反射后，其偏振态和相位都会发生变化，进而通过偏振态和相位的变化求解出p光和s光的剩余反射率，最后得到总的激光玻璃包边界面的剩余反射率，并且通过激光玻璃装夹装置的精密定位来改变入射光的入射角和入射点，从而可以方便地测量激光玻璃包边界面在不同入射角和不同测量点情况下的剩余反射。

Description

激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置

技术领域

本实用新型涉及激光增益介质测量领域，特别是一种具有放大功能的激光玻璃材料包边界面剩余反射的偏振测量装置。 

背景技术

激光增益介质广泛应用于各种高功率和高能量的激光器中，并成为其中最主要的激光工作物质。激光工作物质分为固体、液体和气体，其中固体激光器是最重要的一种，它不但激活离子密度大，振荡频带宽，并能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。 

用于固体激光器的激光增益介质应当具备的基本条件有：具有合适的光谱特性、激发态吸收小、具有良好的光学均匀性和稳定性和具有良好的物化性能。其材料主要分为晶体和玻璃两种，大多数激光晶体是含有激活离子的荧光晶体；而激光玻璃虽然其激活离子的发光性能不如在晶体中好，但是激光玻璃储能大，其基质玻璃的性质可按要求在很大的范围内变化，制造工艺成熟，容易获得光学均匀的、结构尺寸灵活的玻璃，以及价格便宜等特点，使得激光玻璃广泛用于高功率和高能量的固体激光器中。 

在激光放大过程中，由于激光玻璃的增益很高，介质内的自发辐射将会得到放大而产生放大自发辐射（简称ASE）。由于ASE的存在，将在信号光到达之前消耗掉增益介质上能级的反转粒子，使信号光得不到有效放大，这不仅严重地降低了激光增益介质的储能密度和储能效率，而且会引起介质内抽运能量的 再分布，对增益均匀性具有严重影响。 

目前，抑制ASE的主要方法是在垂直于光路方向的片状激光玻璃的侧边通过胶合的方式接上吸收激光波长的玻璃，来破坏ASE放大过程，称为激光玻璃包边。激光玻璃、胶合层和包边玻璃之间折射率匹配度是影响激光玻璃包边降低ASE的关键，是衡量激光玻璃包边质量的最重要参数。激光玻璃与胶合层界面反射以及包边玻璃与胶合层界面反射总和称为激光玻璃包边剩余反射。因此，准确测量包边剩余反射能够直接、客观地反映激光玻璃包边的质量好坏。 

目前已有的激光玻璃包边剩余反射的测量方法主要是通过测量包边玻璃小尺寸样品，如直角三角块或者长方体块，来反映出激光玻璃包边的质量好坏[CN102818788A]。该方法无法消除样本内部的吸收和散射损耗以及激光玻璃和空气界面的反射，使得测量值往往小于实际的剩余反射值。另一种测量大口径包边玻璃剩余反射的方法同样存在这种问题[CN102768202A]。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置，其设计原理是通过引入等效导纳的概念来简化激光玻璃包边界面的剩余反射模型，椭圆偏振光经过激光玻璃和等效导纳的界面反射后，其偏振态和相位都会发生变化，进而通过偏振态和相位的变化求解出p光和s光的剩余反射率，最后得到总的激光玻璃包边界面的剩余反射率。 

本实用新型的技术方案为： 

激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置，包括相对包边的激光玻璃样品前表面设置的测量激光光源，顺次设置于测量激光光源和激光玻璃样品之间的起偏器和1/4波片，相对包边的激光玻璃样品后表面设置的剩余反射探 测器，以及设置于剩余反射探测器和激光玻璃样品之间的检偏器。 

所述的偏振测量装置还包括有相对包边的激光玻璃样品前表面设置的定位激光光源，设置于测量激光光源和定位激光光源后端且位于起偏器前端的功率调整装置和光束整形装置。 

所述的偏振测量装置还包括有角度调整装置；所述的角度调整装置包括有设置于定位激光光源和功率调整装置之间的第一高反镜和第二高反镜，设置于光束整形装置和起偏器之间的第三高反镜和分光镜；且所述的第二高反镜位于测量激光光源和功率调整装置之间。 

所述的分光镜的透射输出端后设置有激光强度探测器，所述的激光强度探测器和剩余反射探测器均通过电信号处理模块与计算机连接。 

本实用新型的应用原理为： 

激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量方法，包括以下步骤： 

（1）、激光光束依次经过起偏器、1/4波片后形成椭圆偏振光，椭圆偏振光照射包边的激光玻璃样品的前表面，椭圆偏振光进入到激光玻璃样品内，并在激光玻璃样品内部被等效界面反射，反射后的椭圆偏振光从激光玻璃样品的后表面出射并经检偏器检偏，椭圆偏振光在激光玻璃样品前表面的入射角为θin，激光光束在激光玻璃样品前表面的折射角为θ0，激光光束在激光玻璃样品等效界面的入射角为θ1，激光光束在激光玻璃样品等效界面的折射角为θ2，激光光束在激光玻璃样品后表面的入射角为θ3，激光光束在激光玻璃样品后表面的折射角为θout； 

（2）、定义激光玻璃的复折射率为

等效介质的等效导纳为

根据菲涅尔反射公式，椭圆偏振光水平偏振分量-s光和垂直偏振分量-p光在等效界面上 的复反射系数分别为和

具体公式（1）和（2）： 

$\widetilde{r_s}=\frac{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_1-\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_1+\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_2}---\left(1\right)$

$\widetilde{r_p}=\frac{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_2-\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_2+\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_1}---\left(2\right)$

其中 $\tilde{n}\sin {\mathrm{\θ}}_1=\tilde{N}\sin {\mathrm{\θ}}_2---\left(3\right)$

定义公式(1)和公式(2)的比值，得到椭圆偏振法的基本公式为： 

$\tan \mathrm{\ψ}\·\exp \left(\mathrm{i\σ}\right)=\frac{\widetilde{r_p}}{\widetilde{r_s}}=\frac{E_{\mathrm{pr}}/E_{\mathrm{sr}}}{E_{\mathrm{pi}}/E_{\mathrm{si}}}---\left(4\right)$

其中，E_pr,E_sr,E_pi,E_si分别是等效界面上反射光的p波、s波与入射光的p波、s波的振动矢量； 

将公式(1)、公式(2)带入公式(4)得到： 

$\tan \mathrm{\ψ}\·\exp \left(\mathrm{i\σ}\right)=\frac{\frac{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_2-\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_1}{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_2+\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_1}}{\frac{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_1-\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_2}{\tilde{n}\cos {\mathrm{\θ}}_1+\tilde{N}\cos {\mathrm{\θ}}_2}}---\left(5\right)$

其中 $\tan \mathrm{\ψ}=\frac{{(A_p/A_s)}_r}{{(A_p/A_s)}_i}---\left(6\right)$

σ＝β_r-β_i  (T) 

其中，tanψ表示p光和s光的振幅之比在等效界面上反射前后的比值；σ表示p光和s光的相位差在等效界面上反射前后的差值；(A_p/A_s)_r为激光玻璃样品后表面透射前的椭圆偏振光的p光和s光的振幅比，(A_p/A_s)_i为激光玻璃样品前表面透射后的椭圆偏振光的p光和s光的振幅比；β_r为激光玻璃样品后表面透射前的椭圆偏振光的p光和s光的相位差，β_i为激光玻璃样品前表面透射后的椭圆 偏振光的p光和s光的相位差； 

（3）、由于激光玻璃前表面和后表面的透射会改变p光和s光的振幅比，所以激光玻璃前表面和后表面的透射光相对于入射光的p光和s光振幅比的变化关系表示为： 

其中，

和

分别表示激光玻璃样品前表面和后表面对入射光的p光和s光的振幅变化关系系数； 

将公式（8）和(9)代入公式(6)，得到： 

通过起偏器和检偏器对入射椭圆偏光和出射椭圆偏光进行检偏，分别得到入射椭圆偏光和出射椭圆偏光的长轴方向α_front和α_rear，根据公式（11）和（12)得到(A_p/A_s)_rear和(A_p/A_s)_front， 

(A_p/A_s)_front＝tan(α_front)  (11) 

(A_p/A_s)_resr＝tan(α_rear)  (12) 

其中，(A_p/A_s)_rear为激光玻璃样品后表面透射后的椭圆偏振光的p光和s光 

的振幅比，(A_p/A_s)_front为激光玻璃样品前表面透射前的椭圆偏振光的p光和s光 

的振幅比； 

将公式（11）和（12）带入公式（10），得到： 

又由于激光玻璃样品前表面和后表面的透射不改变p光和s光的相位差，所以有 

β_front＝β_i  (14) 

β_rear＝β_r  (15) 

其中，β_front为激光玻璃样品前表面透射前的椭圆偏振光的p光和s光的相位差，β_rear为激光玻璃样品后表面透射后的椭圆偏振光的p光和s光的的相位差； 

公式(14)和(15)代入公式(7)，得到： 

σ＝β_r-β_i＝β_rear-β_front  (16) 

（4）、通过起偏器对入射椭圆偏振光进行调制，使得检偏器检偏的出射光为线偏振光时，可以得到出射光的p光和s光的相位差β_rear=0；此时入射椭圆偏振光的p光和s光的相位差β_front可以通过公式(17)得到： 

β_front＝π-2ρ-2γ  (17) 

其中，ρ为起偏器的方位角，γ为1/4波片快轴的方位角； 

将公式（17）和β_rear=0带入公式（16）得到： 

σ＝β_r-β_i＝β_rear-β_front＝２ρ+2γ-π  (18) 

（5）、将公式（3）、公式（13）和公式（18）带入公式（5）中求出等效导纳

然后代入菲涅尔公式分别得到p光和s光在等效界面上的反射率为和

最后得到总的激光玻璃包边界面的剩余反射率为R＝(R_p+R_s)/2 

所述的公式（6）和（7）的推导过程为： 

所述的E_pr、E_sr、E_pi、E_si的计算公式为公式(19)至公式(22)： 

E_pr＝A_pr·exp[i(ωt+β_pr)]  (19) 

W_sr＝A_sr·exp[i[ωt+β_sr)]  (20) 

E_pi＝A_pi·exp[i(ωt+β_pi)]  (21) 

E_si＝A_si·exp[i(ωt+β_si)]  (22) 

其中，A_pr、A_sr、A_pi和A_si分别是等效界面上反射光的p波、s波与入射光的p波、s波的振幅； 

将公式(19)至公式(22)代入公式(4)中得到复指数形式： 

$\tan \mathrm{\ψ}\·\exp \left(\mathrm{i\σ}\right)=\frac{{(A_p/A_s)}_r}{{(A_p/A_s)}_i}\·\exp \left\{i\right[({\mathrm{\β}}_{\mathrm{pr}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{sr}})-({\mathrm{\β}}_{\mathrm{pi}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{si}})\left]\right\}---\left(23\right)$

其中，(β_pr-β_sr)为等效界面上反射光的相位差，记为β_r；(β_pi-β_si)等效界面上入射光的相位差， 记为β_i； 

公式(23)虚部和实部如公式(6)和(7)所示。 

所述的

和

根据公式（16）和（17）得到： 

其中，n为激光玻璃样品的折射率，n₀为空气的折射率。 

本实用新型的目的是通过椭圆偏振光的偏振态和相位的变化来求解剩余反射率，从而避开了激光玻璃内部的吸收和散射损耗以及激光玻璃和空气界面的反射的测量难题，并且同时适合小尺寸样品和大口径样品的剩余反射测量。 

本实用新型所述的等效导纳的概念如图1所示。任意光学多层膜，无论是介质膜还是金属膜组合，都可以用一个虚拟的等效介质1来代替，即等效介质1由薄膜系统11和基底12组合而成，入射介质2和等效介质1之间的界面称为等效界面3。通常入射光经过具有不同折射率和厚度的多层薄膜结构都会经历多次透射和反射，最终的反射光为多光束叠加的综合效果。当多层膜结构由等效介质代替后，等效介质就具有了等效导纳。因此，整个薄膜系统的反射率就是等效界面的反射率。 

本实用新型所述的采用椭圆偏振调制的方法进行激光玻璃包边界面剩余反射测量的原理如图2所示。图中所示为小尺寸的三角块样品，由激光玻璃2、胶合层11和包边玻璃12组成。根据等效导纳的概念，可以将胶合层11和包边玻璃12等效成等效介质1，等效介质1和激光玻璃2之间的界面为等效界面。因 此，激光玻璃包边剩余反射就可以简化为等效界面的反射；其中，图2中还包括有起偏器5、1/4波片6和检偏器7。 

长方形激光玻璃样品包边前后的测量原理（见图3）和大口径激光玻璃样品包边前后的测量原理（见图4）同上。 

本实用新型避开了对激光玻璃样品内部的吸收和散射损耗以及激光玻璃和空气界面反射等因素的测量，通过引入等效导纳的概念来简化激光玻璃包边界面的剩余反射模型，然后利用椭圆偏振调制的方法求解等效导纳并进一步求得垂直偏振分量（p光）和水平偏振分量（s光）的剩余反射率，最后得到总的激光玻璃包边界面的剩余反射率，并且通过激光玻璃装夹装置的精密定位来改变入射光的入射角和入射点，从而可以方便地测量激光玻璃包边界面在不同入射角和不同测量点情况下的剩余反射。 

附图说明

图1是本实用新型应用等效导纳的概念图。 

图2是三角形激光玻璃样品包边后的测量原理图。 

图3是长方形激光玻璃样品包边后的测量原理图。 

图4是大口径激光玻璃样品包边后的测量原理图。 

图5是本实用新型的结构示意图。 

具体实施方式

在各种具有放大功能的激光玻璃材料中，钕玻璃由于能在室温产生激光，温度淬灭效应小，光泵吸收效串和发光的量子效率高，目前已经成为最主要的激光玻璃材料。尤其是超大尺寸钕玻璃成为高功率激光系统最成熟可靠的放大 介质，广泛引用于国际上各种高功率激光装置，例如美国利弗莫尓实验室的国家点火装置和我国的神光Ⅱ和Ⅲ装置等。 

因此下面具体结合附图5，并以钕玻璃包边界面的剩余反射率测量为例对本实用新型作进一步详细阐述，但不应以此限制本实用新型的保护范围。 

见图5，激光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，包括包括相对包边的激光玻璃样品16前表面设置的测量激光光源1和定位激光光源2，顺次设置于测量激光光源1、定位激光光源2和激光玻璃样品16之间的起偏器5和1/4波片6，相对包边的激光玻璃样品16后表面设置的剩余反射探测器9，设置于剩余反射探测器9和激光玻璃样品16之间的检偏器，设置于测量激光光源1和定位激光光源2后端且位于起偏器前端的功率调整装置3和光束整形装置4，以及角度调整装置；角度调整装置包括有设置于定位激光光源2和功率调整装置3之间的第一高反镜12和第二高反镜13，设置于光束整形装置4和起偏器5之间的第三高反镜14和分光镜15；且第二高反镜13位于测量激光光源1和功率调整装置3之间，分光镜15的透射输出端后设置有激光强度探测器8，激光强度探测器8和剩余反射探测器9均通过电信号处理模块10与计算机11连接。 

激光增益介质包边界面剩余反射的测量方法： 

（1）、首先调节测量激光光源1、功率调整装置3、光束整形装置4、第三高反镜14、分光镜15、起偏器5和1/4波片6，使得激光光束位于它们的中心且同轴； 

（2）、调节定位激光光源2、第一高反镜12和第二高反镜13，使得定位激光光源2输出的激光光束和测量激光光源1输出的激光光束同轴； 

（3）、关闭测量激光光源1，将包边后的激光玻璃样品16放置在精密三维定位装置上并且固定好，调节精密三维定位装置，使得定位激光光源2的入射激光束以所需要的角度入射到激光玻璃样品16所需要的探测位置上； 

（4）、由于定位激光光源2的波长对于包边玻璃具有弱吸收的特性，因此通过功率调整装置3可以使定位激光光源2的激光束以适当的功率入射到样品上，然后找到剩余反射光斑的位置，通过三维位移调节架调节剩余反射探测器9的位置，使得出射光能够完全被剩余反射探测器9接收； 

（5）、关闭定位激光光源2，并打开测量激光光源1，由于测量激光光源1的波长对于包边玻璃具有强吸收的特性，因此通过功率调整装置3使得测量激光光源1的入射激光束以适当的功率入射到被测样品中，以防止包边玻璃强吸收而造成热破坏；由于在步骤（4）中已通过定位激光光源2找到了剩余反射光斑并固定了剩余反射探测器9的位置，因此测量激光光源1的激光束能够完全被剩余反射探测器9接收； 

（6）、将1/4波片6的快轴位于45°方向（s偏光的振动方向为0°），然后旋转起偏器5和检偏器7，使得剩余反射探测器9接收到的光强为零或者最小，记下此时1/4波片6的快轴方向γ=45°、起偏器5的方位角ρ和检偏器的方位角η，从而根据公式(16)和公式(17)得到 

σ＝β_rear-β_front＝2ρ-π/2 

根据公式(10)、公式(11)和公式(12)得到 

将以上两公式代入公式(5)中即可求解出等效导纳

然后代入菲涅尔公式分别得到p光和s光在等效界面上的反射率为和

最后得到总的激光玻璃包边界面的剩余反射率为R＝(R_p+R_s)/2。 

该测量方法通过重复步骤3至步骤6，可以测量钕玻璃包边界面在不同入射角和不同探测位置时的剩余反射。 

Claims (4)

1.激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置，其特征在于：包括相对包边的激光玻璃样品前表面设置的测量激光光源，顺次设置于测量激光光源和激光玻璃样品之间的起偏器和1/4波片，相对包边的激光玻璃样品后表面设置的剩余反射探测器，以及设置于剩余反射探测器和激光玻璃样品之间的检偏器。

2.根据权利要求1所述的激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置，其特征在于：所述的偏振测量装置还包括有相对包边的激光玻璃样品前表面设置的定位激光光源，设置于测量激光光源和定位激光光源后端且位于起偏器前端的功率调整装置和光束整形装置。

3.根据权利要求2所述的激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置，其特征在于：所述的偏振测量装置还包括有角度调整装置；所述的角度调整装置包括有设置于定位激光光源和功率调整装置之间的第一高反镜和第二高反镜，设置于光束整形装置和起偏器之间的第三高反镜和分光镜；且所述的第二高反镜位于测量激光光源和功率调整装置之间。

4.根据权利要求3所述的激光增益介质包边界面剩余反射的偏振测量装置，其特征在于：所述的分光镜的透射输出端后设置有激光强度探测器，所述的激光强度探测器和剩余反射探测器均通过电信号处理模块与计算机连接。

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