測量端面抽運的固體激光器的熱透鏡焦距的裝置及方法

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
技術領域：
本發明涉及激光技術領域，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：
在激光技術領域，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、高亮度的全固態激光器而言，只有準確的掌握了熱透鏡的焦距，才可以更加合理地設計激光諧振腔。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果最為準確，但是測量設備非常昂貴，操作復雜。其中第三種方法是目前使用最多的一種測量方法，測量結果比較準確，操作也比較簡單。
但是諧振腔穩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。諧振腔穩定性測量法測量得到的結果都是激光器工作在介穩腔的條件下，而激光二極管端面抽運的固體激光器工作在介穩區和穩定區時激光器的熱透鏡條件相差較大，所以此時的測量結果并不能反映激光器工作在穩定區時的真實的熱透鏡焦距值。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，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鏡系統，第一透鏡的焦距f產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鏡系統的擴束比，即對探測光束進行擴束，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；
3) 在距離激光晶體2 10m的位置處放置紙屏，調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，測量紙屏上從外向內的
第一個亮環的半徑r。，第一個暗環的半徑^和第二個暗環的半徑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，測量結果精度較高。裝置簡單，不需要特殊的設備和儀器。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構示意圖；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的側面抽運的固體激光器，不再是一個連續的拋物線形式的函數，而是一個拋物線函數與自然對數函數組成的分段函數。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與自然對數函數組成的分段函數。激光晶體橫截面折射率分布的函數中總存在著這樣一系列的點，其特點如下在拋物線函數區域內的A點，與自然對數函數段區域的B點與之對應，如果A、 B兩點光程差為波長的整數倍，且法線方向一致，這樣的A、 B兩點在遠場干涉就可以形成亮環；如果
A、 B兩點光程差為半波長的奇數倍，且法線方向一致，這樣的A、 B兩點在遠場干涉就可以形成暗環。當一束經過準直的探測光束經過具有這樣折射率分布的激光晶體時，在遠場就可以觀測到明暗相間的干涉環。通過測量明暗條紋的參數就可以計算得到熱透鏡的焦距。
下面根據附圖詳細說明本發明，本發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組成望遠鏡系統，第一透鏡2
4的焦距f產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&+ 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組成的望遠鏡系統的擴束比，即f2/f,，
對探測光束進行擴束，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；
3) 在距離激光晶體2 10m的位置處放置紙屏9，調整紙屏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，測量紙屏9上從外向內的第一個亮環的半徑ro，第一個暗環的半徑ri和第二個暗環的半徑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。
下面根據具體實施例進一步說明本發明。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，連續波方式工作，激光器出口處的激光光束半徑約為0.3mm，遠場發散角為U3mrad。望遠鏡系統中第一透鏡2的焦距為f產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&+f2二85mm。探測光束經過望遠鏡系統后的光束半徑約為1.5mm,遠場發散角為0.25mrad。
波長為1064nm的全固態激光器的工作介質為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，實驗中水溫設置為25°C。全固態激光器采用波長為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反射后進入激光晶體6，調節激光諧振腔后反鏡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，探測光束經過第二雙色反射鏡8后透射，照射在紙屏9上。調整紙屏的方向與系統光軸垂直，實驗中得到的紙屏上的干涉環如圖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的第一個亮環的半徑r0，第一個暗環的半徑^和第二個暗環的半徑&分別為r0=22mm， r產20mm， r產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，從測量結果看熱透鏡焦距與激光晶體內沉積的熱量符合良好的反比關系，驗證了本發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明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
權利要求
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)組成望遠鏡系統，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)組成的望遠鏡系統的擴束比，即f2/f\， 對探測光束進行擴束，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；3) 在距離激光晶體(6)2 10m的位置處放置紙屏(9)，調整紙屏(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，測量紙屏(9)上 從外向內的第一個亮環的半徑ro，第一個暗環的半徑n和第二個暗環的半徑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鏡系統，第一透鏡的焦距f₁＝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d₁＝f₁+f₂＝20～1000mm。本發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，測量結果精度較高。裝置簡單，不需要特殊的設備和儀器。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 優先權日2009年9月7日
發明者崇 劉, 淼 胡, 軍 陳 申請人:浙江大學