專利名稱：同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，將同軸激光束與干涉檢測技術結合，實時且同時檢測激光晶體的溫度場(熱焦距)、摻雜分布、端面平行度等多項參數(shù)，屬于激光檢測技術領域。
背景技術：
20世紀90年代，固體激光器的發(fā)展進入全新的階段，即全固態(tài)激光技術時期，誕生了全固態(tài)激光器。激光晶體是全固態(tài)激光器的核心，其對激光器諧振腔的穩(wěn)定性、出射光束質量、激光效率等有直接的影響，這些影響主要來自激光晶體的內(nèi)部熱效應。所謂內(nèi)部熱效應就是在激光晶體內(nèi)部出現(xiàn)溫度分布，形成溫度場，導致晶體棒各處晶體材料折射率不同，晶體棒產(chǎn)生熱焦距，即所謂熱效應，此時晶體棒成為一個熱透鏡。通過該熱透鏡的熱焦距能夠反視激光晶體的內(nèi)部熱效應。熱焦距測量成為一個技術問題。與此有關的一種方案由一篇題為“干涉條紋法測量LD端面泵浦Nd: YAG熱透鏡焦距”的文章所公開。其方案如下，He-Ne激光器I的出射光作為參考光以小角度傾斜入射Nd: YAG晶體2的前端面，Nd = YAG 晶體2的摻雜濃度為I. 1% ；30ff帶微透鏡的激光二極管3發(fā)出泵浦光，其遠場發(fā)散角在水平方向為6度，在垂直方向為O. 3度，泵浦光經(jīng)柱面透鏡4后在水平方向得以匯聚，獲得較高功率密度，之后泵浦Nd = YAG晶體2的后端面，使得參考光在Nd = YAG晶體2的前、后端面反射的兩束光發(fā)生干涉，從接收屏5觀察參考光在前、后端面反射形成的干涉條紋。由于溫度變化是產(chǎn)生熱效應的直接原因，熱效應會引起激光晶體折射率的變化，而晶體折射率的變化會使光束在傳播過程中發(fā)生光程改變，進而引起到干涉條紋圖像的變化。所以，能夠從干涉條紋獲得熱透鏡的熱焦距。整個系統(tǒng)采用冷水循環(huán)冷卻，根據(jù)測量需要設定水溫，誤差為 + 0. 5。
所述測量方法存在以下不足其一，以小角度傾斜入射的參考光未能遍布激光晶體的整個孔徑，因此，該方法只能檢測激光晶體局部的熱效應；其二，該方法不具有晶體棒軸對稱性，因此，不能確定激光晶體具體空間位置的溫度分布。另外，激光晶體摻雜分布、端面平行度也是重要參數(shù)，而該方法卻不能檢測這些參數(shù)。發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的不足，能夠檢測激光晶體整體熱效應，并確定其具體的空間位置溫度分布，同時還能夠檢測激光晶體摻雜分布和端面平行度，我們發(fā)明了一種同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置。
本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置如圖2所示，包括檢測光光源6 和干涉條紋圖像接收裝置，其特征在于，前圓周透鏡7與后圓錐透鏡8 二者同軸且圓錐頂角相對，前圓錐透鏡7的底面朝向檢測光光源6，前圓錐透鏡7及后圓錐透鏡8均沿圓錐軸線開通孔，檢測光入射軸線與該通孔軸線同軸；光闌9位于在后圓錐透鏡8底面上，光闌9的通光孔軸線與所述通孔軸線同軸；在后圓錐透鏡8底面一側的光路上與檢測光入射軸線成345°角安置前平面鏡10，后平面鏡11與前平面鏡10平行，過二者幾何中心的軸線與檢測光入射軸線垂直；前平面鏡內(nèi)鏡面a及后平面鏡內(nèi)鏡面c膜系對檢測光具有高反射率、對于泵浦光和振蕩激光具有高透射率，前平面鏡外鏡面b及后平面鏡外鏡面d膜系對于泵浦光和振蕩激光具有高透射率；檢測光出射軸線與檢測光入射軸線平行且過后平面鏡11幾何中心；正透鏡12位于檢測光出射光路上，正透鏡12光軸與檢測光出射軸線同軸；干涉條紋圖像接收裝置為CXD攝像機13，CXD攝像機13感光面位于正透鏡12成像焦平面上。
本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置其技術效果如下。
來自檢測光光源6的準直檢測光入射前圓錐透鏡7底面，此時檢測光分兩路傳播。 如圖2所示，檢測光的中心部分直接通過前圓錐透鏡7及后圓錐透鏡8的通孔以及光闌9的通光孔出射，成為一束實心光束。通過調節(jié)光闌9調整該實心光束的外徑。檢測光的周邊部分先由前圓錐透鏡7的錐面折射，匯聚后發(fā)散形成錐筒狀空心光束，再經(jīng)過后圓錐透鏡8 的錐面折射，所述的錐筒狀空心光束變?yōu)橐皇叫械闹矤羁招墓馐院髨A錐透鏡8底面出射。通過調節(jié)圓錐透鏡7及后圓錐透鏡8之間的距離調整所述柱筒狀空心光束的內(nèi)徑。 實心光束、柱筒狀空心光束同軸，作為同軸檢測光先由前平面鏡內(nèi)鏡面a反射，再由后平面鏡內(nèi)鏡面c反射，最后由正透鏡12成像到CXD攝像機13感光面上。
激光晶體14位于由全反射鏡15、輸出耦合鏡16構成的諧振腔中的諧振光路上，如圖3所示，泵浦光光源17位于全反射鏡15外側，泵浦光與振蕩激光同軸。本發(fā)明之裝置中的前平面鏡10、后平面鏡11位于諧振腔中，激光晶體14位于前平面鏡10、后平面鏡11之間，激光晶體14軸線與過前平面鏡10、后平面鏡11 二者幾何中心的軸線同軸。
當采用本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置檢測激光晶體的摻雜分布、端面平行度以及熱焦距時，其檢測過程分三個環(huán)節(jié)。
第一個環(huán)節(jié)泵浦光光源17不工作。激光晶體14為已知激光晶體，即摻雜分布、 端面平行度已知，且不存在熱效應。由前平面鏡內(nèi)鏡面a反射的實心光束正入射所述已知激光晶體的端面上。通過調節(jié)光闌9通光孔的孔徑，使得正入射已知激光晶體的實心光束外徑等于已知激光晶體的晶體棒直徑。從已知激光晶體另一端出射的實心光束最后在CCD 攝像機13感光面上成像。與此同時，柱筒狀空心光束由前平面鏡內(nèi)鏡面a反射。通過調節(jié)圓錐透鏡7及后圓錐透鏡8之間的距離調整所述柱筒狀空心光束的內(nèi)徑，使其大于已知激光晶體的晶體棒直徑，因此，柱筒狀空心光束繞開已知激光晶體，最后也在CCD攝像機13感光面上成像，并與實心光束的像干涉，產(chǎn)生一幅干涉條紋圖像，并由CCD攝像機13攝取。
第二個環(huán)節(jié)用待測激光晶體替換已知激光晶體，所述待測激光晶體其摻雜分布、 端面平行度以及熱焦距待測。泵浦光光源17依然不工作，該待測激光晶體不存在熱效應。 在檢測過程中，與第一個環(huán)節(jié)一樣，也獲得一幅干涉條紋圖像。將前兩個環(huán)節(jié)中獲得的兩幅干涉條紋圖像被傳送至計算機18，由計算機18處理和對比分析，得到待測激光晶體的摻雜分布、端面平行度。
第三個環(huán)節(jié)泵浦光光源17工作，準直泵浦光透射全反射鏡15、前平面鏡10，入射所述待測激光晶體，在泵浦光的激勵下，該待測激光晶體產(chǎn)生振蕩激光，隨著泵浦能量的增加，待測激光晶體的熱效應逐漸明顯。此時與前兩個環(huán)節(jié)一樣，也會獲得一幅干涉條紋圖像，并傳輸至計算機18處理。由于實心光束在待測激光晶體中傳播其光程發(fā)生了改變，使得干涉條紋圖像與第二個環(huán)節(jié)泵浦光光源17未工作時的干涉條紋圖像相比發(fā)生了改變。由計算機17處理后即可得到待測激光晶體折射率的變化，通過折射率與溫度的關系推算出待測激光晶體的溫度場(熱焦距)，從而掌握熱效應。
由于實心光束垂直于激光晶體14端面入射，也就是正入射，實心光束的光軸與激光晶體棒幾何軸線同軸，并且，由光闌9調整實心光束的外徑，使其等于激光晶體端面直徑，實心光束穿越激光晶體14的全部，因此，僅就熱效應檢測而言，是一種整體檢測，由于干涉條紋圖像與激光晶體14在空間上具有嚴格對應關系，因此，所獲得的檢測結果能夠反應激光晶體14各個部分的溫度分布。


圖I是現(xiàn)有干涉條紋法測量LD端面泵浦Nd: YAG熱透鏡焦距裝置示意圖。圖2是本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置結構示意圖，該圖同時作為摘要附圖。圖 3是采用本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置檢測狀態(tài)示意圖。圖4為本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置中的兩個圓錐透鏡及光闌結構參數(shù)及相互位置關系不意圖。
具體實施方式
本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置其具體實施方式
如下。如圖3所示，該裝置包括檢測光光源6和干涉條紋圖像接收裝置。檢測光光源6包括He-Ne激光器 19和準直透鏡20，檢測光波長為632.8 nm。前圓周透鏡7與后圓錐透鏡8是兩個相同的圓錐透鏡，二者同軸且圓錐頂角相對，兩個圓錐透鏡底面相距距離D ;透鏡材料為K9玻璃， n=l. 5168 ;圓錐透鏡高度Dtl=S _，錐面母線與圓錐底面的夾角Y =10°，見圖4所示；前圓錐透鏡7及后圓錐透鏡8均沿圓錐軸線開通孔，通孔直徑屯=3 _。前圓錐透鏡7的底面朝向檢測光光源6。檢測光入射軸線與所述通孔軸線同軸。光闌9位于在后圓錐透鏡8底面上，光闌9的通光孔軸線與所述通孔軸線同軸，光闌9孔徑范圍為O mm〈d〈10mm。在后圓錐透鏡8底面一側的光路上與檢測光入射軸線成45°角安置前平面鏡10，后圓錐透鏡8底面與前平面鏡10幾何中心的距離為50 mm。后平面鏡11與前平面鏡10平行，過二者幾何中心的軸線與檢測光入射軸線垂直。前平面鏡內(nèi)鏡面a及后平面鏡內(nèi)鏡面c膜系對檢測光具有高反射率、對于泵浦光和振蕩激光具有高透射率，前平面鏡外鏡面b及后平面鏡外鏡面 d膜系對于泵浦光和振蕩激光具有高透射率。例如，前平面鏡內(nèi)鏡面a、前平面鏡外鏡面b、 后平面鏡內(nèi)鏡面C、后平面鏡外鏡面d膜系同時對泵浦光808 nm波長和振蕩激光1064 nm 波長的透射率大于等于99 % ;并且，前平面鏡內(nèi)鏡面a、后平面鏡內(nèi)鏡面c膜系還對檢測光 632.8 nm波長的反射率大于99 %。檢測光出射軸線與檢測光入射軸線平行且過后平面鏡 11幾何中心。正透鏡12位于檢測光出射光路上，正透鏡12光軸與檢測光出射軸線同軸；后平面鏡11幾何中心與正透鏡12幾何中心間的距離為80 mm。正透鏡12的兩個通光面為凸球面，并且，膜系對檢測光632. 8 nm波長的透射率大于等于99 %，焦距f=50 mm。干涉條紋圖像接收裝置為CXD攝像機13，CXD攝像機13感光面位于正透鏡12成像焦平面上；(XD攝像機13型號為MTV — 1881EX，感光面尺寸為6. 4 mmX4. 8 mm，像素數(shù)為81UH) X 508 (V)。
在使用本發(fā)明之同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置檢測激光晶體的摻雜分布、端面平行度以及熱焦距時，使用的泵浦光光源17包括激光二極管21和耦合鏡22，激光二極管21其功率為30 W，輻射波長為808 nm。激光晶體14不論是已知激光晶體還是待測激光晶體均為Nd:YAG，產(chǎn)生的振蕩激光波長為1064 nm ;激光晶體14兩端端面鍍有對1064m 波長的增透膜；激光晶體12的長度為10 mm ;前平面鏡10幾何中心與激光晶體14的相鄰端面距離為25 mm,后平面鏡11與激光晶體14的相鄰端面距離為60 mm。全反射鏡15為平面鏡或者平凹鏡，如果采用平凹鏡，其諧振腔外側鏡面為凹面；表面膜系對泵浦光808 nm 波長的透射率大于等于99% ;同時對振蕩激光1064 nm波長的反射率大于等于99. 5%。輸出耦合鏡16為平凹鏡，其諧振腔內(nèi)側鏡面為凹面，且凹面曲率半徑為100 mm，該表面膜系對泵浦光808 nm波長的反射率大于等于99. 5 %，同時對振蕩激光1064 nm波長的透射率為 20%。
權利要求
1.一種同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，包括檢測光光源(6)和干涉條紋圖像接收裝置，其特征在于，前圓周透鏡(7)與后圓錐透鏡(8) 二者同軸且圓錐頂角相對，前圓錐透鏡(7)的底面朝向檢測光光源(6)，前圓錐透鏡(7)及后圓錐透鏡(8)均沿圓錐軸線開通孔，檢測光入射軸線與該通孔軸線同軸；光闌(9)位于在后圓錐透鏡(8)底面上，光闌(9) 的通光孔軸線與所述通孔軸線同軸；在后圓錐透鏡(8)底面一側的光路上與檢測光入射軸線成45°角安置前平面鏡(10)，后平面鏡(11)與前平面鏡(10)平行，過二者幾何中心的軸線與檢測光入射軸線垂直；前平面鏡內(nèi)鏡面a及后平面鏡內(nèi)鏡面c膜系對檢測光具有高反射率、對于泵浦光和振蕩激光具有高透射率，前平面鏡外鏡面b及后平面鏡外鏡面d膜系對于泵浦光和振蕩激光具有高透射率；檢測光出射軸線與檢測光入射軸線平行且過后平面鏡(11)幾何中心；正透鏡(12 )位于檢測光出射光路上，正透鏡(12 )光軸與檢測光出射軸線同軸；干涉條紋圖像接收裝置為CXD攝像機(13)，CXD攝像機(13)感光面位于正透鏡(12)成像焦平面上。
2.根據(jù)權利要求I所述的同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，其特征在于，檢測光光源(6)包括He-Ne激光器(19)和準直透鏡(20)，檢測光波長為632. 8 nm。
3.根據(jù)權利要求I所述的同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，其特征在于，前圓周透鏡(7)與后圓錐透鏡(8)是兩個相同的圓錐透鏡，該兩個圓錐透鏡底面相距距離D ;透鏡材料為K9玻璃，n=1.5168 ;圓錐透鏡高度％=5 mm，錐面母線與圓錐底面的夾角γ=10° ； 前圓錐透鏡(7)及后圓錐透鏡(8)的通孔直徑屯=3 mm。
4.根據(jù)權利要求I所述的同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，其特征在于，光闌(9)孔徑范圍為O mm〈d〈10mm。
5.根據(jù)權利要求I所述的同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，其特征在于，后圓錐透鏡(8)底面與前平面鏡(10)幾何中心的距離為50 mm ;后平面鏡(11)幾何中心與正透鏡(12)幾何中心間的距離為80 mm。
6.根據(jù)權利要求I所述的同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，其特征在于，前平面鏡內(nèi)鏡面a、前平面鏡外鏡面b、后平面鏡內(nèi)鏡面C、后平面鏡外鏡面d膜系同時對泵浦光 808 nm波長和振蕩激光1064 nm波長的透射率大于等于99 %;并且，前平面鏡內(nèi)鏡面a、后平面鏡內(nèi)鏡面c膜系還對檢測光632. 8 nm波長的反射率大于99 %。
7.根據(jù)權利要求I所述的同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，其特征在于，正透鏡(12)的兩個通光面為凸球面，并且，膜系對檢測光632. 8 nm波長的透射率大于等于99 %，焦距 f=50 mm。
8.根據(jù)權利要求I所述的同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置，其特征在于，C⑶攝像機(13)感光面尺寸為6. 4 mmX4. 8 _，像素數(shù)為811 (H) X 508 (V)。
全文摘要
同軸檢測光正入射獲得干涉圖像的裝置屬于激光檢測技術領域。本發(fā)明前圓周透鏡與后圓錐透鏡二者同軸且圓錐頂角相對，前圓錐透鏡的底面朝向檢測光光源，前圓錐透鏡及后圓錐透鏡均沿圓錐軸線開通孔，檢測光入射軸線與該通孔軸線同軸；光闌位于在后圓錐透鏡底面上，光闌的通光孔軸線與所述通孔軸線同軸；在后圓錐透鏡底面一側的光路上與檢測光入射軸線成45°角安置前平面鏡，后平面鏡與前平面鏡平行，過二者幾何中心的軸線與檢測光入射軸線垂直；檢測光出射軸線與檢測光入射軸線平行且過后平面鏡幾何中心；正透鏡位于檢測光出射光路上，正透鏡光軸與檢測光出射軸線同軸；干涉條紋圖像接收裝置為CCD攝像機，CCD攝像機感光面位于正透鏡成像焦平面上。
文檔編號G01K11/20GK102980873SQ201210532930
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權日2012年12月11日
發(fā)明者呂彥飛, 董淵, 李述濤, 劉冬, 劉會龍, 金光勇, 張喜和 申請人:長春理工大學