固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置的製作方法

2023-06-20 17:47:51

專利名稱：固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射介質，特別是一種固體雷射器中動態熱畸變的幹涉測量裝置。
背景技術：
雷射工作物質熱畸變是阻礙雷射功率進一步提高和獲得高光束質量的一個重要因素。因此有效的實時檢測雷射介質的動態熱畸變，充分、深入地了解雷射工作物質的溫度分布，並對其進行有效補償，對保證大功率固體雷射器的連續、高效工作十分重要。
在固體雷射器的熱畸變研究中，大多數都是採用數值模擬的方式分析雷射介質的溫度分布、熱應力，熱焦距等[張玲等LD側面泵浦Nd:YAG雷射器的熱效應研究，雷射與紅外，2003年，Vol.33，No.1]，但並不能夠真實準確的得到雷射介質的溫度分布。也有的利用幹涉方法探測雷射介質的熱畸變[羅必凱等YAG雷射棒光泵浦動態熱效應的幹涉測試，中國雷射，1993年，Vol.A20，No.3]，但是只用於單脈衝泵浦的情況下，而且得到的是三維波面圖，並未得到溫度分布圖。也有利用泵浦過程中，參考光在雷射晶體泵浦的另一端入射，經前後端面的反射後相互幹涉，根據產生的幹涉條紋發生的移動來測量晶體的熱透鏡焦距[楊永明等 幹涉法測量LD端面泵浦Nd:YAG晶體熱透鏡焦距，光子學報，2005年2月，Vol.34，No.2]，但採用這種方法的精確度不高。總之，現有技術的都未能在實驗中動態地測出雷射介質的溫度分布，而且不具有實時性，處理比較理想化，精度不高。

發明內容
本發明的目的在於提供一種固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置，要求結構簡單，裝調容易，能獲得雷射介質的動態熱畸變。
本發明的技術解決方案一種固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置，其特徵在於由He-Ne雷射器、擴束望遠鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、觀察屏、CCD探測器和計算機組成，上述組件的位置關係如下He-Ne雷射器發出的He-Ne光經過擴束望遠鏡後被第一分光鏡分為兩束，一束透射光經過固體雷射器的雷射介質由第一全反鏡反射，再經第二分光鏡反射，另一反射光束經第二全反鏡反射透過第二分光鏡，這兩束光在第二分光鏡的半反射面上發生幹涉，幹涉圖樣成像在觀察屏上，幹涉條紋圖樣由CCD探測器採集送入計算機進行數據處理。
由於被測雷射介質被泵浦時產生的熱效應使雷射介質的折射率會發生變化，而折射率的變化將使通過雷射介質的光程差發生變化，導致產生的幹涉條紋發生形變和移動，利用CCD探測器連續拍攝幹涉條紋動態變化過程，得到一系列按時間排序的幹涉條紋圖像。通過分析這些幹涉條紋圖，根據這些條紋圖上每一點在不同時刻對應的移動的級數來計算折射率的變化情況，而根據折射率的變化計算得到雷射介質的熱畸變情況。為了更精確的得到條紋上每一點對應的移動的條紋級數，因而採用了圖像處理的辦法，經過圖像預處理等一些步驟，最後採用細化算法來提取抽取條紋的骨架，這為後續的數據處理帶來了極大的方便。
下面以側泵板條雷射器為實例，具體計算過程如下建立坐標系(見圖2)，設板條雷射介質的長度為L，探測光(He-Ne光)的波長為λ，未泵浦的半條介質的折射率為n0，泵浦後軸向(z軸)折射率梯度為零，截面(x-y平面)上折射率分布為n＝n(x，y)(1)對應點(x，y)的光程差的變化量為Δl(x，y)，移過的條紋數目為Δm(x，y)，折射率的變化量為Δn(x，y)，那麼有Δl(x，y)＝Δm(x，y)·λ (2)而有Δl(x，y)＝[n(x，y)-n0]·L＝Δn(x，y)·L(3)對比(2)(3)兩式，那麼有n(x,y)=m(x,y)L---(4)]]>這樣根據條紋移動量就可以算的折射率的變化量。溫度折射率係數dn/dt引起的溫度變化是熱致折射率變化Δn(x，y)的主要原因，因此近似認為n(x,y)=n(x,y)T=T(x,y)(dndt)---(5)]]>綜合上述兩式(4)、(5)，則有
T(x,y)=n(x,y)/(dndt)---(6)]]>這樣就可以得到板條雷射介質在被泵浦過程中的溫度分布，而從幹涉條紋也可以直接得到三維波面圖。
本發明的優點或技術成果是1、在本發明中，由於採用幹涉條紋的方法，將成熟的計算機圖像處理技術應用於處理條紋，能夠得到較高的精度。
2、在本發明中，由於採用的是非接觸的測量方式，不會影響雷射器的正常工作。
3、在本發明中，由於CCD探測器採集的幹涉條紋能夠輸入計算機中進行處理和計算，可以計算出折射率的變化得到雷射介質的熱畸變情況等。
4、在本發明中，由於所用器件結構簡單，整個裝置穩定使用，便於加工製造。


圖1為本發明固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置的結構框圖。
圖2為側面泵浦的板條雷射介質示意圖。
具體的實施方式參閱圖1，圖1為本發明測量雷射介質動態熱畸變的幹涉測量裝置的結構框圖。由圖可見本發明固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置，由He-Ne雷射器1，擴束望遠鏡2，第一分光鏡3、第二分光鏡7，第一全反鏡6、第二全反鏡8，觀察屏11，CCD探測器10和計算機12組成，上述組件的位置關係如下He-Ne雷射器1發出的He-Ne光經過擴束望遠鏡2後被第一分光鏡3分為兩束，一束透射光經過固體雷射器的雷射介質5由第一全反鏡6反射，再經第二分光鏡7反射，另一反射光束經第二全反鏡8反射透過第二分光鏡7，這兩束光在第二分光鏡7的半反射面上發生幹涉，幹涉圖樣成像在觀察屏11上，幹涉條紋圖樣由CCD探測器10採集並送入計算機12進行數據處理。
從He-Ne雷射器1發出的雷射經過擴束望遠鏡2進入幹涉儀光路，此時光路中的雷射介質5未被泵浦，通過CCD探測器10採集到一幅此時的幹涉條紋圖，保存作為背景條紋圖。
當泵浦源4和9對雷射介質5開始泵浦時，通過CCD探測器10實時連續的對觀察屏11上的幹涉條紋進行採集存儲送入計算機12，直至泵浦結束為止。
為了方便精確計算截面上幹涉條紋移動的數目，將所有採集到的幹涉條紋進行處理並提取出條紋中心，然後將泵浦時採集到的一系列幹涉條紋與背景條紋進行對比，分析計算出三維波面、溫度分布、等效熱焦距等。
本發明一個實施例中採用了一塊大小為2cm*3cm*1cm的板狀雷射玻璃模擬雷射二極體(LD)抽運雷射板條的過程，將兩個LD雷射器4、9換成兩個致冷片粘貼在雷射玻璃的兩側面，實驗環境溫度為20℃。採用溫控電路控制兩個致冷片的溫度，使其溫差保持在60℃左右，模擬板條被抽運時的熱傳導過程。
先搭建好光路，拍得一幅背景條紋圖。然後將雷射玻璃放入光路中，在致冷片開始工作的同時CCD探測器10以每秒25幀的速度連續採集觀察屏11上的幹涉條紋移動的過程，共採集了12秒，這時熱傳導過程已經基本穩定。
為了更精確的計算條紋移動的級數，必須先提取出條紋的中心，根據前面的理論計算，可以得到該雷射玻璃在熱傳導過程中的動態熱畸變情況。從實驗結果表明結果與理論計算相符，本發明具有結構簡單，易於製造，成本低廉，能夠在非接觸的條件下對板條雷射介質的溫度分布進行動態測量，並且在連續泵浦、單脈衝泵浦或重複脈衝泵浦的時候都能進行測量，應用廣泛。
權利要求
1.一種固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置，其特徵在於由He-Ne雷射器(1)，擴束望遠鏡(2)，第一分光鏡(3)、第二分光鏡(7)，第一全反鏡(6)、第二全反鏡(8)，觀察屏(11)，CCD探測器(10)和計算機(12)組成，上述組件的位置關係如下He-Ne雷射器(1)發出的He-Ne光經過擴束望遠鏡(2)後被第一分光鏡(3)分為兩束，一束透射光經過固體雷射器的雷射介質(5)由第一全反鏡(6)反射，再經第二分光鏡(7)反射，另一反射光束經第二全反鏡(8)反射透過第二分光鏡(7)，這兩束光在第二分光鏡(7)的半反射面上發生幹涉，幹涉圖樣成像在觀察屏(11)上，幹涉條紋圖樣由CCD探測器(10)採集送入計算機(12)進行數據處理。
全文摘要
一種固體雷射器動態熱畸變的幹涉測量裝置，其特徵在於由He－Ne雷射器、擴束望遠鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一全反鏡、第二全反鏡、觀察屏、CCD探測器和計算機組成，上述組件的位置關係如下He－Ne雷射器發出的He－Ne光經過擴束望遠鏡後被第一分光鏡分為兩束，一束透射光經過固體雷射器的雷射介質由第一全反鏡反射，再經第二分光鏡反射，另一反射光束經第二全反鏡反射透過第二分光鏡，這兩束光在第二分光鏡的半反射面上發生幹涉，幹涉圖樣成像在觀察屏上，幹涉條紋圖樣由CCD探測器採集送入計算機進行數據處理。本發明具有結構簡單，易於製造，成本低廉，能夠在非接觸的條件下對板條雷射介質的溫度分布進行動態測量。
文檔編號H01S3/00GK1888839SQ20061002925
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月21日 優先權日2006年7月21日
發明者劉佳, 付文強, 胡企銓 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所