CN103308487A - 光增益介质包边界面剩余反射的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光增益介质包边界面剩余反射的测量方法及装置，通过对激光玻璃包边前后的比对直接消除激光玻璃内部的吸收和散射损耗以及激光玻璃和空气界面反射等因素的影响，从而可以快速方便地测量出激光玻璃包边界面的剩余反射率，并且通过激光玻璃装夹装置的精密定位来改变入射光的入射角和入射点，从而可以方便地测量激光玻璃包边界面在不同入射角和不同测量点情况下的剩余反射。

Description

光增益介质包边界面剩余反射的测量方法及装置

 

技术领域

    本发明涉及激光增益介质测量领域，具体是一种光增益介质包边界面剩余反射的测量方法及装置。

背景技术

光增益介质广泛应用于各类型固体激光器中，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。激光增益介质一般是一种以玻璃为基质的固体激光材料，由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理性质和化学性质主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。

根据激光玻璃的组成，其具有如下特点：第一，激活离子的发光机构中必须有亚稳态，形成三能级或四能级机构；并要求亚稳态有较长寿命，使粒子数易于积累达到反转。第二，激光基质玻璃必须有良好的透明度，尤其是对激光波长的吸收应尽可能低。第三，激光玻璃必须有良好的光学均匀性。激光玻璃的光学不均匀性使光线通过玻璃后波面变形和产生程差，促使其振荡阈值升良效率降低，发散角增加。第四，激光玻璃必须有良好的热光稳定性。由于激活离子的非辐射跃迁损失和基质玻璃的紫外、红外吸收光泵的一部分光能转化为热能，同时由于吸热和冷却条件的不同，在径向就会出现温度梯度，导致激光玻璃的光学均匀性降低而影响激光性能。第五，激光玻璃必需有良好的物理化学性能。包括失透倾向小，化学稳定性高，有一定的机械强度和良好的光照稳定性和热导性等。

在激光放大过程中，由于激光玻璃的增益很高，介质内的自发辐射将会得到放大而产生放大自发辐射（简称ASE）。由于ASE的存在，将在信号光到达之前消耗掉增益介质上能级的反转粒子，使信号光得不到有效放大，这不仅严重地降低了激光增益介质的储能密度和储能效率，而且会引起介质内抽运能量的再分布，对增益均匀性具有严重影响。

目前，抑制ASE的主要方法是在垂直于光路方向的片状激光玻璃的侧边通过胶合的方式接上吸收激光波长的玻璃，来破坏ASE放大过程，称为激光玻璃包边。激光玻璃、胶合层和包边玻璃之间折射率匹配度是影响激光玻璃包边降低ASE的关键，是衡量激光玻璃包边质量的最重要参数。激光玻璃与胶合层界面反射以及包边玻璃与胶合层界面反射总和称为激光玻璃包边剩余反射。因此，准确测量包边剩余反射能够直接、客观地反映激光玻璃包边的质量好坏。

目前已有的激光玻璃包边剩余反射的测量方法主要是通过测量包边玻璃小尺寸样品[CN 102818788 A]，如直角三角块或者长方体块，来反映出激光玻璃包边的质量好坏，该方法无法消除样本内部的吸收和散射损耗以及激光玻璃和空气界面的反射，使得测量值往往小于实际的剩余反射值。另一种测量大口径包边玻璃剩余反射的方法[CN 102768202 A]同样存在这种问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光增益介质包边界面剩余反射的测量方法及装置，解决测量的剩余反射中无法消除激光玻璃内部的吸收和散射损耗以及激光玻璃和空气界面的反射的问题，并且同时适合大口径样品和小尺寸样品的测量。

本发明的技术方案为：

光增益介质包边界面剩余反射的测量方法，包括以下步骤：

（1）、首先用光强为E1的激光光束照射未经包边的激光玻璃样品，激光光束进入到激光玻璃样品内，并在激光玻璃样品内部被待包边的界面反射，反射后的激光光束从激光玻璃样品中出射出来，然后测量从激光玻璃样品出射出的激光光束的光强为E2;

（2）、将激光玻璃样品待包边的界面进行包边，然后用光强为E1’的激光光束照射包边后的激光玻璃样品，激光光束进入到激光玻璃样品内，并在激光玻璃样品内部被包边后的界面反射，反射后的激光光束从激光玻璃样品中出射出来，然后测量从激光玻璃样品出射出的激光光束的光强为E2’;

（3）、根据公式（1）求出激光玻璃包边界面的剩余反射率R’：

R’=(E2’/E2)×(E1/E1’)×R        （1）；

其中，R为激光玻璃样品未包边界面的反射率。

所述的R采用菲涅尔公式求得。

光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，包括有测量激光光源、分光镜、激光强度探测器和剩余反射探测器，所述的测量激光光源相对分光镜的反射面设置，激光强度探测器设置于分光镜透射输出端的后端，剩余反射探测器相对激光玻璃样品的激光出射面设置。

所述的测量激光光源和分光镜之间设置有功率调整装置和光束整形装置。

所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置还包括有定位激光光源，测量激光光源相对分光镜的反射面设置。

所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置还包括有信号处理部分，所述的信号处理部分包括有分别与激光强度探测器和剩余反射探测器连接的电信号处理模块和与电信号处理模块连接的计算机。

所述的测量激光光源和分光镜之间设置有角度调整装置。

所述的角度调整装置由高反镜组合而成。

本发明的激光玻璃样品主要包括大口径激光玻璃样品、三角形激光玻璃样品和长方形激光玻璃样品三种。见图1，大口径激光玻璃样品1的四个侧面用于包包边玻璃2，前后表面均抛光；见图2，三角形激光玻璃样品1的底面用于包包边玻璃2，两个腰面均抛光；见图3，长方形激光玻璃样品1的后表面用于包包边玻璃2，前表面抛光。

本发明的原理：

见图4、三角形激光玻璃样品未包边时的测量原理图：光强为E1的激光光束首先以一定的入射角度和入射点入射到激光玻璃其中一腰面上，此腰面对入射光的反射率为R1，因此入射到激光玻璃内部的光强度为E1×(1-R1)，然后激光光束进入到激光玻璃样品内，并在激光玻璃样品内部被未包边界面反射，激光玻璃样品未包边界面的反射率为R，反射后的激光光束从激光玻璃样品的另一腰面中出射，此腰面对入射光的反射率为R2，其中，激光玻璃的吸收损耗为S1、散射损耗为S2，最后从激光玻璃样品出射的激光光束的光强为E2，E2可以用式（2）得到：

E2 = E1×[(1-R1)×(1-R2)×(1-S1)×(1-S2)]×R    （2）；

见图5，三角形激光玻璃样品包边后的测量原理图：光强为E1’的激光光束首先以一定的入射角度和入射点入射到激光玻璃反射率为R1的腰面上，因此入射到激光玻璃内部的光强度为E1’×(1-R1)，然后激光光束进入到激光玻璃样品内，并在激光玻璃样品内部被包边界面反射，激光玻璃样品包边界面的反射率为R’，反射后的激光光束从激光玻璃样品反射率为R2的腰面中出射，其中，激光玻璃的吸收损耗为S1、散射损耗为S2，最后从激光玻璃样品出射的激光光束的光强为E2’，E2’可以用式（3）得到：

E2’ = E1’×[(1-R1)×(1-R2)×(1-S1)×(1-S2)]×R’    (3)；

由于包边前后入射光的入射角和入射点均不变，[(1-R1)×(1-R2)×(1-S1)×(1-S2)]的值是不变的，通过式(3)和式(2)相除可以得到激光玻璃包边界面的剩余反射率R’,即采用式（1）计算的得到R’。

长方形激光玻璃样品包边前后的测量原理（见图6、图7）和大口径激光玻璃样品包边前后的测量原理同上(见图8、图9)。一般情况下，为了防止放大自发辐射ASE在激光玻璃内产生振荡，包边面的倾角θ做成约2°±20’。

本发明避开了对激光玻璃内部的吸收和散射损耗以及激光玻璃和空气界面反射等因素的测量，通过对激光玻璃包边前后的比对直接消除这些因素的影响，从而可以快速方便地测量出激光玻璃包边界面的剩余反射率，并且通过激光玻璃装夹装置的精密定位来改变入射光的入射角和入射点，从而可以方便地测量激光玻璃包边界面在不同入射角和不同测量点情况下的剩余反射。

附图说明

图1是本发明大口径激光玻璃样品包边后的结构示意图。

图2是本发明三角形激光玻璃样品包边后的结构示意图。

图3是本发明长方形激光玻璃样品包边后的结构示意图。

图4是本发明三角形激光玻璃样品未包边时的测量原理图。

图5是本发明三角形激光玻璃样品包边后的测量原理图。

图6是本发明长方形激光玻璃样品未包边时的测量原理图。

图7是本发明长方形激光玻璃样品包边后的测量原理图。

图8是本发明大口径激光玻璃样品未包边时的测量原理图。

图9是本发明大口径激光玻璃样品包边后的测量原理图。

图10是本发明光增益介质包边界面剩余反射的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

在各种具有放大功能的激光玻璃材料中，钕玻璃由于能在室温产生激光，温度淬灭效应小，光泵吸收效串和发光的量子效率高，目前已经成为最主要的激光玻璃材料。尤其是超大尺寸钕玻璃成为高功率激光***最成熟可靠的放大介质，广泛引用于国际上各种高功率激光装置，例如美国利弗莫尓实验室的国家点火装置和我国的神光Ⅱ和Ⅲ装置等。

因此下面具体结合附图10，并以钕玻璃包边界面的剩余反射率测量为例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

见图10，光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，包括有测量激光光源1、定位激光光源11、功率调整装置2、光束整形装置3、角度调整装置、分光镜5、激光强度探测器6、剩余反射探测器7、电信号处理模块8和计算机9；角度调整装置包括有设置于定位激光光源11和功率调整装置2之间的第一高反镜12和第二高反镜10、设置于光束整形装置3和激光玻璃样品13之间的第三高反镜4和分光镜5。

光增益介质包边界面剩余反射的测量方法：

（1）、首先调节测量激光光源1、功率调整装置2、光束整形装置3、第三高反镜4和分光镜5，使得激光光束位于它们的中心且同轴；

（2）、调节定位激光光源11、第一高反镜12和第二高反镜10，使得定位激光光源11输出的激光光束和测量激光光源1输出的激光光束同轴；

（3）、关闭测量激光光源1，将未包边时的激光玻璃样品13放置在精密三维定位装置上并且固定好，调节精密三维定位装置，使得定位激光光源11的入射激光束以所需要的角度入射到激光玻璃样品13所需要的探测位置上；

（4）、由于定位激光光源11的波长对于包边玻璃具有弱吸收的特性，因此通过功率调整装置2可以使定位激光光源11的激光束以适当的功率入射到样品上，然后找到剩余反射光斑的位置，通过三维位移调节架调节剩余反射探测器7的位置，使得出射光能够完全被剩余反射探测器7接收；

（5）、关闭定位激光光源11，并打开测量激光光源1，由于测量激光光源1的波长对于包边玻璃具有强吸收的特性，因此通过功率调整装置2使得测量激光光源1的入射激光束以较弱的功率入射到被测样品中，防止包边玻璃强吸收而造成热破坏；由于在步骤（4）中已通过定位激光光源11找到了剩余反射光斑并固定了剩余反射探测器7的位置，因此可以从计算机9中读取激光强度探测器6的光强值E1和剩余反射探测器7的光强值E2，并得到并得到式（2）：

E2 = E1×M×[(1-R1)×(1-R2)×(1-S1)×(1-S2)]×R    （2）；

其中，R1是入射激光光束在钕玻璃入射表面的反射率，R2是激光束在钕玻璃出射表面的反射率；S1和S2分别是激光束在钕玻璃内的吸收和散射损耗； R是钕玻璃样品未包边界面的反射率，M是分光镜的分光比；

（6）、将包边后的激光玻璃样品13通过精密三维定位装置固定好，由于精密三维定位装置具有高精度定位的特点，所以入射激光束能够以同样的角度和同样的探测点位置入射到包边后的激光玻璃样品13，相应地，剩余反射探测器7可以直接探测到剩余反射信号；

（7）、从计算机9中读取激光强度探测器6的光强值E1’和剩余反射探测器7的光强值E2’，并得到式（3）：

E2’ = E1’×M×[(1-R1)×(1-R2)×(1-S1)×(1-S2)]×R’    （3）；

其中，R1是入射激光束在钕玻璃前表面的反射率，R2是激光束在钕玻璃后表面的反射率，S1和S2是激光光束在钕玻璃内的吸收和散射损耗；R’是钕玻璃样品包边界面的剩余反射率，M是分光镜的分光比；

（8）、由于包边前测量激光光源1的入射激光光束的入射角度和探测点都没有变化，因此钕玻璃入射表面的反射率R1、钕玻璃出射表面的反射率R2、激光束在钕玻璃内的吸收和散射损耗S1和S2均无变化，即M×[(1-R1)×(1-R2)×(1-S1)×(1-S2)]的值不变，通过以上两式相除可以得到钕玻璃样品包边界面的剩余反射率为：R’=(E2’/E2)×(E1/E1’)×R，其中R可以通过菲涅尔公式直接求得。

该测量方法通过重复步骤3至步骤8，可以测量钕玻璃包边界面在不同入射角和不同探测位置时的剩余反射。

Claims (8)

1.光增益介质包边界面剩余反射的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、首先用光强为E1的激光光束照射未经包边的激光玻璃样品，激光光束进入到激光玻璃样品内，并在激光玻璃样品内部被待包边的界面反射，反射后的激光光束从激光玻璃样品中出射，然后测量从激光玻璃样品出射的激光光束的光强为E2;

（2）、将激光玻璃样品待包边的界面进行包边，然后用光强为E1’的激光光束照射包边后的激光玻璃样品，激光光束进入到激光玻璃样品内，并在激光玻璃样品内部被包边后的界面反射，反射后的激光光束从激光玻璃样品中出射，然后测量从激光玻璃样品出射的激光光束的光强为E2’;

（3）、根据公式（1）求出激光玻璃包边界面的剩余反射率R’：

R’=(E2’/E2)×(E1/E1’)×R        （1）；

其中，R为激光玻璃样品未包边界面的反射率。

2.根据权利要求1所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量方法，其特征在于：所述的R采用菲涅尔公式求得。

3.光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，其特征在于：包括有测量激光光源、分光镜、激光强度探测器和剩余反射探测器，所述的测量激光光源相对分光镜的反射面设置，激光强度探测器相对分光镜的透射面设置，剩余反射探测器相对激光玻璃样品的激光出射面设置。

4.根据权利要求3所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，其特征在于：所述的测量激光光源和分光镜之间设置有功率调整装置和光束整形装置。

5.根据权利要求3所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，其特征在于：所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置还包括有定位激光光源，定位激光光源相对分光镜的反射面设置。

6.根据权利要求3所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，其特征在于：所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置还包括有信号处理部分，所述的信号处理部分包括有分别与激光强度探测器和剩余反射探测器连接的电信号处理模块和与电信号处理模块连接的计算机。

7.根据权利要求5所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，其特征在于：所述的测量激光光源和激光玻璃样品之间设置有角度调整装置。

8.根据权利要求7所述的光增益介质包边界面剩余反射的测量装置，其特征在于：所述的角度调整装置由高反镜和分光镜组合而成。

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