專利名稱：固體激光器切向和徑向熱焦距測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
固體激光器切向和徑向熱焦距測量方法屬于大功率固體激光器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光加工應(yīng)用范圍十分廣泛，目前已在機械、電子、汽車、航空航天、鋼鐵、造船、軍工等行業(yè)獲得較為廣泛的應(yīng)用，并且在國民生產(chǎn)總值中占有越來越大的比重。大功率固體激光器有高能量儲存、波長短、金屬吸收率高的優(yōu)點；且易于光纖傳輸，不但提高了系統(tǒng)的靈活性，同時與工業(yè)機器人匹配可組裝成在線柔性制造系統(tǒng)實現(xiàn)柔性加工。
對于設(shè)計優(yōu)化大功率固體激光器，激光晶體的熱焦距是一個重要的參數(shù)。高功率燈泵浦的激光器，由于泵浦燈發(fā)射的光譜較寬，泵浦光非吸收光譜區(qū)的能量轉(zhuǎn)換為熱；熒光過程的量子效率小于1，部分光子能量散失到基質(zhì)晶格中轉(zhuǎn)換為熱；泵浦帶和熒光能級間的能量差通過無輻射躍遷散失到基質(zhì)晶格中轉(zhuǎn)換為熱，在激光棒內(nèi)引起的強烈的熱透鏡效應(yīng)，會導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的降低，嚴重時會造成輸出功率的降低。因此，設(shè)計具有最優(yōu)的效率、穩(wěn)定性和光束質(zhì)量的激光器，測量激光棒的熱透鏡焦距是很重要的。
對激光器熱透鏡的測量，人們進行了大量的研究，提出了多種測量激光器熱透鏡的方法，如氦氖光直接測量法，即將He-Ne光經(jīng)過擴束，通過燈泵的Nd:YAG晶體，再用一個接受屏來接收光斑。前后移動接受屏尋找光斑最小最亮的點即為焦點，焦點與激光棒主平面的距離為測量焦距；氦氖光輔助透鏡法，即將準直擴束后的He-Ne通過燈泵的Nd:YAG晶體，再經(jīng)輔助透鏡成象，利用光電探測器確定象點位置。根據(jù)幾何公和成象公式得熱焦距；光闌法，即利用光闌測量不同位置處光斑半徑，利用公式θ＝2R/L，得出發(fā)散角，利用發(fā)散角擬合理論曲線，得出對應(yīng)的熱焦距；干涉法，即用1064nm的探測光照射泵浦的Nd:YAG晶體，用CCD測量其兩端面的反射光的一階干涉圖象，由波面的變化得出熱焦距；以及動態(tài)測量法、橫模拍頻法等。CCD照相法裝置太復(fù)雜，干涉法易受外圍環(huán)境的影響；氦氖光法是最常用的方法，但由于氪燈譜線的干擾、激光晶體折射率是波長的函數(shù)、以及氦氖光存在一定的發(fā)散角，測量并不準確；其他方法對測量儀器要求較高，并不實用。且這些方法都是測量熱透鏡焦距的平均值。而對熱透鏡補償，測得徑向熱焦距fr和切向熱焦距fθ更有實際意義。

發(fā)明內(nèi)容
為測量大功率燈泵浦連續(xù)激光器的熱透鏡焦距，設(shè)計了一種新的測量方法，即通過監(jiān)測激光輸出功率，記錄由于有效熱焦距使諧振腔通過特殊臨界穩(wěn)定的點，確定有效熱焦距。由于熱透鏡焦距是隨著泵浦功率的變化而變化的，因此需要測得不同泵浦功率下的熱透鏡焦距。
其測量方法如下第一步，開啟激光器至冷卻水溫度穩(wěn)定在20℃；第二步，用功率計測量并記錄輸出激光的功率，得到激光輸出功率隨燈泵浦功率的變化曲線，經(jīng)過曲線確定腔的臨界穩(wěn)定區(qū)；第三步，改變諧振腔的腔長，對腔鏡進行準直，以保證測量的斜率效率一致，用功率計測量并記錄輸出激光的功率，得到激光輸出功率隨燈泵浦功率的變化曲線，經(jīng)過曲線確定不同腔長下的臨界穩(wěn)定區(qū)；多次改變腔長后得到一系列激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線；第四步，任意一個諧振腔的腔長對應(yīng)一條激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線，分析該曲線隨著泵浦功率的增加，輸出功率線性增加出現(xiàn)第一個拐點，進入臨界穩(wěn)定區(qū)，之后出現(xiàn)第二個拐點，離開臨界穩(wěn)定區(qū)，輸出功率又會線性增長，最后由于到達諧振腔的不穩(wěn)區(qū)輸出功率下降；當(dāng)出現(xiàn)第一個拐點時，就進入了臨界穩(wěn)定區(qū)，由諧振腔的臨界穩(wěn)定條件可知，此時熱透鏡焦距等于半腔長，利用公式(1)計算出對應(yīng)于該泵浦功率下的徑向熱焦距fr；當(dāng)出現(xiàn)第二個拐點時，離開臨界穩(wěn)定區(qū)，由諧振腔的臨界穩(wěn)定條件可知，利用公式(1)計算出對應(yīng)于該泵浦功率下的切向熱焦距fθ；在臨界穩(wěn)定區(qū)的中心，利用公式(1)計算出對應(yīng)于該泵浦功率下的平均有效熱焦距f；不同腔長對應(yīng)的臨界穩(wěn)定區(qū)是不同的，分析其它激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線得到不同泵浦功率下的熱透鏡焦距；熱焦距表示為以下公式f＝L+(l/2)(1-(1/n0)) (1)式中，f在上述不同泵浦功率下分別為徑向熱焦距fr、切向熱焦距fθ、平均有效熱焦距f，L為主面離鏡的距離，l為棒的長度，n0為激光棒的折射率；第五步，關(guān)閉激光器。
此方法其特征在于，不僅可以測量與激光器結(jié)構(gòu)有關(guān)的平均有效熱焦距具體值，而且可以測得對應(yīng)的徑向熱焦距fr和切向熱焦距fθ；此方法所需的儀器僅為功率計，操作簡單。


圖1.平平腔腔長584到1344mm時輸出功率隨泵浦功率的變化測量結(jié)果；圖2.YAG棒的熱透鏡焦距隨輸入功率變化曲線。
具體實施例方式
采用雙氪燈泵浦漫反腔，φ9mm×155mm的Nd:YAG棒(摻釹濃度為0.8％)。激光電源為燈提供最大功率16Kw。激光器用雙循環(huán)水冷進行冷卻，實驗溫度及穩(wěn)定度為20℃(±1℃)。采用的是輸出耦合效率為20.5％的平行平面腔，并且在緊接激光棒處兩端分別放置直徑為8.5mm的光闌。
測量方法如下第一步，開啟激光器至冷卻水溫度穩(wěn)定在20℃；第二步，用功率計測量并記錄輸出激光的功率，得到激光輸出功率隨燈泵浦功率的變化曲線，經(jīng)過曲線確定腔的臨界穩(wěn)定區(qū)；第三步，改變諧振腔的腔長，對腔鏡進行準直，以保證測量的斜率效率一致，用功率計測量并記錄輸出激光的功率，得到激光輸出功率隨燈泵浦功率的變化曲線，經(jīng)過曲線確定不同腔長下的臨界穩(wěn)定區(qū)，多次改變腔長后得到一系列激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線，如圖1所示；第四步，分析任意一條激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線可知，隨著泵浦功率的增加，輸出功率線性增加，隨后出現(xiàn)第一個拐點，進入臨界穩(wěn)定區(qū)，之后出現(xiàn)第二個拐點，離開臨界穩(wěn)定區(qū)，最后由于到達諧振腔的不穩(wěn)區(qū)輸出功率下降，以L＝944mm為例，當(dāng)出現(xiàn)第一個拐點a時，就進入了臨界穩(wěn)定區(qū)，由諧振腔的臨界穩(wěn)定條件可知，此時熱透鏡焦距等于半腔長，利用公式(1)計算出對應(yīng)于此時泵浦功率下的徑向熱焦距fr，當(dāng)出現(xiàn)第二個拐點b時，離開臨界穩(wěn)定區(qū)，由諧振腔的臨界穩(wěn)定條件可知，利用公式(1)計算出對應(yīng)于此時泵浦功率下的切向熱焦距fθ，在平緩區(qū)的中心，利用公式(1)計算出對應(yīng)于此時泵浦功率下的平均有效熱焦距f，不同腔長對應(yīng)的臨界穩(wěn)定區(qū)是不同的，分析圖1的其它4條激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線得到不同泵浦功率下的熱透鏡焦距，結(jié)果如圖2所示；熱焦距可表示為f＝L+(l/2)(1-(1/n0))(1)式中，f在不同情況下分別為徑向熱焦距fr、切向熱焦距fθ、平均有效熱焦距f，L為主面離鏡的距離，L＝D-(l/2)(1-(1/n0))，D為半腔長，l為棒的長度，n0為激光棒的折射率；第五步，關(guān)閉激光器。
其它熱透鏡焦距方法都是測量熱透鏡焦距的平均值，而該方法不僅可以測量平均有效熱焦距，而且可以測得徑向熱焦距fr和切向熱焦距fθ。對熱透鏡補償，測得徑向熱焦距fr和切向熱焦距fθ更有實際意義，為優(yōu)化設(shè)計大功率激光器提供了準確的設(shè)計參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種固體激光器切向和徑向熱焦距測量方法，其特征在于包括以下步驟第一步，開啟激光器至冷卻水溫度穩(wěn)定在20℃；第二步，用功率計測量并記錄輸出激光的功率，得到激光輸出功率隨燈泵浦功率的變化曲線，經(jīng)過曲線確定腔的臨界穩(wěn)定區(qū)；第三步，改變諧振腔的腔長，對腔鏡進行準直，以保證測量的斜率效率一致，用功率計測量并記錄輸出激光的功率，得到激光輸出功率隨燈泵浦功率的變化曲線，通過曲線確定不同腔長下臨界穩(wěn)定區(qū)；多次改變腔長后得一系列激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線；第四步，任意一個諧振腔的腔長對應(yīng)一條激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線，分析該曲線隨著泵浦功率的增加，輸出功率線性增加出現(xiàn)第一個拐點，進入臨界穩(wěn)定區(qū)，之后出現(xiàn)第二個拐點，離開臨界穩(wěn)定區(qū)，輸出功率又會線性增長，最后由于到達諧振腔的不穩(wěn)區(qū)輸出功率下降；當(dāng)出現(xiàn)第一個拐點時，利用公式(1)計算出對應(yīng)于該泵浦功率下的徑向熱焦距fr；當(dāng)出現(xiàn)第二個拐點時，利用公式(1)計算出對應(yīng)于該泵浦功率下的切向熱焦距fθ；在臨界穩(wěn)定區(qū)的中心，利用公式(1)計算出對應(yīng)于該泵浦功率下的平均有效熱焦距f；分析其它激光輸出功率與燈泵浦功率的函數(shù)曲線得到不同泵浦功率下的熱透鏡焦距；熱焦距表示為以下公式f＝L+(l/2)(1-(1/n0))(1)式中，f在上述不同泵浦功率下分別為徑向熱焦距fr、切向熱焦距fθ、平均有效熱焦距f，L為主面離鏡的距離，l為棒的長度，n0為激光棒的折射率；第五步，關(guān)閉激光器。
全文摘要
本發(fā)明屬于大功率固體激光器領(lǐng)域。目前只能測量熱透鏡焦距的平均值，而對熱透鏡補償，測得徑向熱焦距f
文檔編號H01S3/00GK1884991SQ200610081230
公開日2006年12月27日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者李強, 王志敏, 房明星, 丁小艇, 姜夢華 申請人:北京工業(yè)大學(xué)