[發明專利]一種激光器熱焦距的測量方法

有效

• 申請號: 201110008811.2
• 申請日: 2011-01-11
• 公開（公告）號: CN102175429A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 鄭耀輝;王雅君;石柱;鄭晉玲;彭堃墀
• 申請（專利權）人: 山西大學;太原山大宇光科技有限公司
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司) 14105
• 代理人: 楊耀田

技術領域

本發明涉及激光技術領域，具體是一種利用像散腔測量激光器熱焦距的方法。

背景技術

以激光器為核心的激光技術，對先進制造業、科學技術、醫療技術和國防科技的進步與發展起到越來越重要的作用。隨著工業和科技的發展，各種研究領域對作為抽運源的單頻綠光激光器的功率和光束質量提出愈來愈高的要求，需求牽引了全固態高功率單頻激光器的研究。另一方面，高功率半導體激光器、各種光學材料、控制技術的發展也為全固態高功率單頻激光器研究工作的開展提供了可能。但是，與中小功率激光器相比，激光器的輸出功率并不會隨著泵浦功率的增大而簡單地增大。在高功率泵浦下，會引發許多新的問題需要我們去探索。

由于熒光過程的量子效率小于1，部分光子能量散失到基質晶格中轉換為熱；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晶格中轉換為熱，在激光晶體內引起強烈的熱透鏡效應。對于設計優化大功率固體激光器，激光晶體的熱焦距是一個重要參數[Opticscommunications，Vol-156，P-49(1998)]，它嚴重影響激光器的光束質量及輸出功率的進一步提高。因此，在設計具有最優效率、高穩定性和優良光束質量的高功率固體激光器時，通過一定的技術手段對激光晶體的熱焦距進行測量，尤其是精確地測量，是高功率激光器設計中非常重要的一步。

對于激光器熱焦距的測量，研究工作者進行了大量的研究工作，提出多種測量激光晶體熱焦距的方法。如：探針光束直接測量法[APPLIED?OPTICS，Vol-9，P-2548(1970)]，一束探針光經過準直后入射到激光晶體內，在泵浦光作用下，激光晶體即相當于一個薄透鏡，這樣對準直的探針光產生聚焦的效果，我們通過對探測光經熱透鏡聚焦后焦點的測量即可直接測量出熱透鏡焦距的大小。在具體的操作過程中，焦點位置可以通過直接觀察法或光電探測器、光束質量分析儀輔助觀察等方法進行判斷。該方法操作起來簡單易行，但存在諸多的缺點，一是光路的準直對測量影響較大，因為在二極管泵浦的固體激光器中，泵浦區域與非泵浦區域溫度分布有較大的差別，如果準直不佳會導致測量誤差加大；二是探針光與激光腔內振蕩光的波長有一定差別，從而使得經晶體出射后的光束相位變化不同，從而產生誤差；三是該測量方法通過肉眼分辨探測光的焦點位置，本身就存在誤差，況且當泵浦光較弱或較強時，熱焦距相應就會較長或較短，這樣通過肉眼測量本身就很難分辨出焦點的位置，而通過探測器或者光束質量分析儀進行測量同樣存在誤差。最后，該測量方法是在沒有激光產生的條件下測量晶體的熱焦距，從而使得測量的值比激光穩定工作時的熱透鏡效應要嚴重，也就不能精確地表示激光穩定工作點的熱焦距的實際大小。

另外一種常用的測量方法是界穩腔測量法[Chinese?Physics?Letter，Vol-16，P-181(1999)]。該方法采用兩面平面鏡構成的諧振腔來測量熱焦距的大小，具體實施辦法是調整兩面或者其中一面腔鏡，當諧振腔處于臨界狀態時，恰好無激光振蕩，此時該諧振腔對應的腔長即為此時激光晶體處的熱焦距的大小。該方法仍然存在較大的誤差。首先，同探針測量法一樣，其光路的準直比較困難；其次，該測量方法仍然是在沒有激光振蕩的情況下對熱焦距的測量，這樣本身就不能代表激光實際工作點的熱焦距大小，尤其當泵浦功率較高時，無法真實地代表工作物質實際工作點的熱焦距大小；第三，界穩腔的不對準程度嚴重影響測量熱焦距值的大小。

綜上所述，由于以上兩種測量方法均是在無激光振蕩的情況下對熱焦距的測量，測量結果均無法精確地代表激光穩定運轉時增益介質中實際熱焦距的大小，因而均存在較大的測量誤差。

發明內容

本發明的目的是提供一種快速、精確測量激光器熱焦距的方法。

本發明利用了在像散腔中插入確定焦距的輔助透鏡15時，像散腔某一分臂上子午面和弧矢面內的穩區范圍存在交點(滿足穩定性條件)。僅僅在交點處，子午面和弧矢面內的束腰相等。對于確定的像散腔，對應一個確定焦距的輔助透鏡，使它某一分臂上子午面和弧矢面內的腰斑大小相等。而將其它焦距的輔助透鏡插入像散腔時，子午面和弧矢面內的束腰大小都不相等。這樣，具有以上特性的像散腔，其腔長與輔助透鏡的焦距有一一對應關系。同時，在實際的激光器中，在確定腔長下改變泵浦功率，輸出激光的光斑樣式為圓形時(在光傳播方向上任意兩點均為圓形)，對應一個確定的泵浦功率點，這時增益介質的熱焦距與對應腔長下輔助透鏡的熱焦距相等。變換不同的腔長，可以得到泵浦功率與像散腔腔長的一一對應關系。最后，利用泵浦功率與像散腔參數的對應關系，及熱焦距與像散腔參數的關系，建立起熱焦距與泵浦功率之間的關系。