專利名稱：測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)領(lǐng)域，測量固體激光器的熱透鏡焦距具有非常重要的實際意義，尤其對于大功率、高亮度的全固態(tài)激光器而言，只有準(zhǔn)確的掌握了熱透鏡的焦距，才可以更加合理地設(shè)計激光諧振腔。常用的測量熱透鏡焦距的方法主要有探測光束會聚焦點測量法、波面干涉儀測量法和諧振腔穩(wěn)定性測量法。上述第一種方法的測量精度較低，測量誤差較大，實際測量中較少使用。第二種測量方法的結(jié)果最為準(zhǔn)確，但是測量設(shè)備非常昂貴，操作復(fù)雜。其中第三種方法是目前使用最多的一種測量方法，測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，操作也比較簡單。
但是諧振腔穩(wěn)定性測量法對于激光二極管端面抽運的固體激光器而言，測量結(jié)果不夠理想，主要原因在于這種方法不能實時在線測量。諧振腔穩(wěn)定性測量法測量得到的結(jié)果都是激光器工作在介穩(wěn)腔的條件下，而激光二極管端面抽運的固體激光器工作在介穩(wěn)區(qū)和穩(wěn)定區(qū)時激光器的熱透鏡條件相差較大，所以此時的測量結(jié)果并不能反映激光器工作在穩(wěn)定區(qū)時的真實的熱透鏡焦距值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置及方法。
測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置包括在同一光軸上依次放置的探測光源、第一透鏡、第二透鏡、第一雙色反射鏡、激光諧振腔后反鏡、
激光晶體、激光諧振腔輸出鏡、第二雙色反射鏡和紙屏組成；其中，所述第一透鏡和第二透鏡組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第一透鏡的焦距f產(chǎn)10 500mm，第二透鏡的焦距f2=10~500mm;第一透鏡和第二透鏡之間的距離d尸f2=20 1000mm。測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的方法包括以下步驟
1) 選擇由第一透鏡和第二透鏡組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的擴束比，即對探測光束進(jìn)行擴束，使擴束后的探測光束直徑大于激光晶體的直徑；
2) 調(diào)整由激光諧振腔后反鏡、激光晶體和激光諧振腔輸出鏡組成的待測激光器，使待測激光器工作在待測量的狀態(tài)；
3) 在距離激光晶體2 10m的位置處放置紙屏，調(diào)整紙屏的方向使其垂直
3于測量裝置的光軸，探測光束在紙屏上形成了干涉環(huán)，測量紙屏上從外向內(nèi)的
第一個亮環(huán)的半徑r。，第一個暗環(huán)的半徑^和第二個暗環(huán)的半徑r2，測量紙屏和
激光晶體之間的距離d2;
4)激光晶體的熱透鏡焦距f通過以下公式計算得到
/ =——^~~;r，其中人為探測激光的波長。
本發(fā)明可以實時在線地測量激光二極管端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距，測量結(jié)果精度較高。裝置簡單，不需要特殊的設(shè)備和儀器。方法操作簡單，只需要測量紙屏上干涉條紋的半徑，代入公式即計算得到熱透鏡焦距的結(jié)果。
圖l是測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實施例1中探測光束在紙屏上形成的干涉圖；圖3是實施例1在激光器不同工作條件下測量得到的熱透鏡焦距值。
具體實施例方式
本發(fā)明的原理是激光二極管端面抽運的固體激光器，其激光晶體橫截面上的溫度分布不同于傳統(tǒng)的側(cè)面抽運的固體激光器，不再是一個連續(xù)的拋物線形式的函數(shù)，而是一個拋物線函數(shù)與自然對數(shù)函數(shù)組成的分段函數(shù)。溫度的變化會引起激光晶體的折射率變化，這樣，激光晶體橫截面上的折射率分布也是一個由拋物線函數(shù)與自然對數(shù)函數(shù)組成的分段函數(shù)。激光晶體橫截面折射率分布的函數(shù)中總存在著這樣一系列的點，其特點如下在拋物線函數(shù)區(qū)域內(nèi)的A點，與自然對數(shù)函數(shù)段區(qū)域的B點與之對應(yīng)，如果A、 B兩點光程差為波長的整數(shù)倍，且法線方向一致，這樣的A、 B兩點在遠(yuǎn)場干涉就可以形成亮環(huán)；如果
A、 B兩點光程差為半波長的奇數(shù)倍，且法線方向一致，這樣的A、 B兩點在遠(yuǎn)場干涉就可以形成暗環(huán)。當(dāng)一束經(jīng)過準(zhǔn)直的探測光束經(jīng)過具有這樣折射率分布的激光晶體時，在遠(yuǎn)場就可以觀測到明暗相間的干涉環(huán)。通過測量明暗條紋的參數(shù)就可以計算得到熱透鏡的焦距。
下面根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置包括在同一光軸上依次放置的探測光源1、第一透鏡2、第二透鏡3、第一雙色反射鏡4、激光諧振腔后反鏡5、激光晶體6、激光諧振腔輸出鏡7、第二雙色反射鏡8和紙屏9組成；其中，所述第一透鏡2和第二透鏡3組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第一透鏡2
4的焦距f產(chǎn)10 500mm，第二透鏡3的焦距f2=10~500mm;第一透鏡2和第二透鏡
3之間的距離d產(chǎn)&+ f2=20 1000mm。
第一雙色反射鏡4對激光二極管輸出的抽運光束具有高反射率(反射率大
于99%)，對于探測光束具有低反射率。第二雙色反射鏡5對激光諧振腔輸出的
光束具有高反射率(反射率大于99%)，對于探測光束具有低反射率。測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的方法包括以下步驟1 )選擇由第一透鏡2和第二透鏡3組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的擴束比，即f2/f,，
對探測光束進(jìn)行擴束，使擴束后的探測光束直徑大于激光晶體6的直徑；
2) 調(diào)整由激光諧振腔后反鏡5、激光晶體6和激光諧振腔輸出鏡7組成的待測激光器，使待測激光器工作在待測量的狀態(tài)；
3) 在距離激光晶體2 10m的位置處放置紙屏9，調(diào)整紙屏9的方向使其垂直于測量裝置的光軸，探測光束在紙屏9上形成了干涉環(huán)，測量紙屏9上從外向內(nèi)的第一個亮環(huán)的半徑ro，第一個暗環(huán)的半徑ri和第二個暗環(huán)的半徑r2，測量紙屏9和激光晶體6之間的距離d2;
4) 激光晶體6的熱透鏡焦距f通過以下公式計算得到
/ =——^~~^，其中X為探測激光的波長。
下面根據(jù)具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實施例1:
實驗中使用的探測光源1為波長532nrn的綠色激光，激光器為基模輸出，連續(xù)波方式工作，激光器出口處的激光光束半徑約為0.3mm，遠(yuǎn)場發(fā)散角為U3mrad。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中第一透鏡2的焦距為f產(chǎn)15mm，到探測光源的距離為15mm，第二透鏡3的焦距f2=70mm，第一透鏡2和第二透鏡3之間的距離d產(chǎn)&+f2二85mm。探測光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后的光束半徑約為1.5mm,遠(yuǎn)場發(fā)散角為0.25mrad。
波長為1064nm的全固態(tài)激光器的工作介質(zhì)為Nd:YV04激光晶體，晶體切割方向為a-cut， Nd^離子的摻雜濃度為0.2 at.%,晶體橫截面為矩形，矩形的尺寸為3mmx3mm，晶體長度為10mm。激光晶體使用O.lmm后的銦膜包裹后放置于紫銅夾具中，紫銅夾具采用通水冷卻，實驗中水溫設(shè)置為25°C。全固態(tài)激光器采用波長為808rnn的激光二極管端面抽運方式工作，波長808nm的抽運光束被第一雙色反射鏡4反射后進(jìn)入激光晶體6，調(diào)節(jié)激光諧振腔后反鏡5和激光諧振腔輸出鏡7獲得波長為1064nm的激光輸出。實驗中的抽運光功率為50W，獲得激光輸出為20W，激光晶體內(nèi)部沉積的熱量約為30W。
波長為1064nm的激光被第二雙色反射鏡8反射，探測光束經(jīng)過第二雙色反射鏡8后透射，照射在紙屏9上。調(diào)整紙屏的方向與系統(tǒng)光軸垂直，實驗中得到的紙屏上的干涉環(huán)如圖2所示。紙屏距離激光晶體端面的距離為d2=5m，測量紙屏上從外向內(nèi)的第一個亮環(huán)的半徑r0，第一個暗環(huán)的半徑^和第二個暗環(huán)的半徑&分別為r0=22mm， r產(chǎn)20mm， r產(chǎn)17mm。代入以下公式計算
/= 7 2械2^ (其中人為探測激光的波長)，得到在上述工作條件下的激光
晶體的熱透鏡焦距f=93mm。
改變波長為808nm抽運光束的功率為40W，獲得激光輸出為16W，激光晶體內(nèi)部沉積的熱量約為24W，按照上述步驟測量得到的熱透鏡焦距為119mm。圖3示出了不同抽運功率條件下的激光晶體的熱透鏡焦距，都是在激光輸出的同時實時在線地測量，從測量結(jié)果看熱透鏡焦距與激光晶體內(nèi)沉積的熱量符合良好的反比關(guān)系，驗證了本發(fā)明測量裝置和方法的有效性。
上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置，其特征在于包括在同一光軸上依次放置的探測光源(1)、第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、第一雙色反射鏡(4)、激光諧振腔后反鏡(5)、激光晶體(6)、激光諧振腔輸出鏡(7)、第二雙色反射鏡(8)和紙屏(9)組成；其中，所述第一透鏡(2)和第二透鏡(3)組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第一透鏡(2)的焦距f1＝10～500mm，第二透鏡(3)的焦距f2＝10～500mm；第一透鏡(2)和第二透鏡(3)之間的距離d1＝f1+f2＝20～1000mm。
2. 使用如權(quán)利要求1所述裝置的測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距 的方法，包括以下步驟-1) 選擇由第一透鏡(2)和第二透鏡(3)組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的擴束比，即f2/f\， 對探測光束進(jìn)行擴束，使擴束后的探測光束直徑大于激光晶體(6)的直徑；2) 調(diào)整由激光諧振腔后反鏡(5)、激光晶體(6)和激光諧振腔輸出鏡(7)組成的 待測激光器，使待測激光器工作在待測量的狀態(tài)；3) 在距離激光晶體(6)2 10m的位置處放置紙屏(9)，調(diào)整紙屏(9)的方向使 其垂直于測量裝置的光軸，探測光束在紙屏(9)上形成了干涉環(huán)，測量紙屏(9)上 從外向內(nèi)的第一個亮環(huán)的半徑ro，第一個暗環(huán)的半徑n和第二個暗環(huán)的半徑r2， 測量紙屏(9)和激光晶體(6)之間的距離d2;4) 激光晶體(6)的熱透鏡焦距f通過以下公式計算得到/ =——^~~p"，其中人為探測激光的波長。 全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置及方法。裝置包括在同一光軸上依次放置的探測光源、第一透鏡、第二透鏡、第一雙色反射鏡、激光諧振腔后反鏡、激光晶體、激光諧振腔輸出鏡、第二雙色反射鏡和紙屏組成；其中，所述第一透鏡和第二透鏡組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第一透鏡的焦距f<sub>1</sub>＝10～500mm，第二透鏡的焦距f<sub>2</sub>＝10～500mm；第一透鏡和第二透鏡之間的距離d<sub>1</sub>＝f<sub>1</sub>+f<sub>2</sub>＝20～1000mm。本發(fā)明可以實時在線地測量激光二極管端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距，測量結(jié)果精度較高。裝置簡單，不需要特殊的設(shè)備和儀器。方法操作簡單，只需要測量紙屏上干涉條紋的半徑，代入公式即計算得到熱透鏡焦距的結(jié)果。
文檔編號G01M11/02GK101666706SQ200910152618
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者崇 劉, 淼 胡, 軍 陳 申請人:浙江大學(xué)