CN104729717A - 一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置，包括泵浦源和激光增益介质，以及用于成像激光增益介质发出红外光的相机；所述的装置还包括：用于将泵浦源发出的泵浦光会聚在激光增益介质上的第一光学耦合***；用于透射所述的泵浦光并反射激光增益介质发出红外光的双色镜；用于将双色镜反射的红外光会聚于相机的第二光学耦合***；以及根据相机图像计算激光增益介质表面温度分布的计算机。本发明还公开了一种测量和计算固体激光器晶体温度的方法。本发明通过直接测量晶体的温度可以监测晶体与热沉的贴合程度，分析晶体的热效应对激光输出的影响，在实验研究和工业方面都广泛的用途。

Description

一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置和方法

技术领域

本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置和方法。

背景技术

激光器由光学谐振腔、泵浦***和激光增益介质这三部分组成。激光介质吸收泵浦能量后，由于量子亏损等原因，部分能量转换为激光输出，另一部分能量转换为热量沉积在激光介质中。为防止热量沉积，需要对激光介质进行冷却，从而导致激光介质内的温度梯度分布，介质的温度梯度分布会导致热透镜效应、泵浦能量损失，严重时会导致激光增益介质的损坏。在固体激光器中，增益介质的热效应是影响激光器腔内光束分布及输出光束功率及光束质量最关键的因素。

目前研究激光晶体中的热效应最普遍的方法是使用热光学方法，如热透镜焦距测量和去极化测量等，但这些方法得到的结果与晶体内的热梯度分布以及晶体的热光系数有关。此外还可以使用有限元计算方法模拟计算得到晶体温度的温度分布，这种方法得到的结果是和激光增益介质表面温度有关的一个相对温度分布，而且激光增益介质的表面温度取决于介质的边界条件，一般来说边界条件是比较复杂的。

除了理论计算外还有一种直接用红外热像仪直接测量激光增益介质温度的方法，具体见“Direct and absolute temperature mapping and heattransfer measurements in diode-end-pumped YbYAG.Appl.Phys.B 79,221–224(2004)”，通常来说会采用多层镀膜的硒化锌平板反射信号光，通过红外热像仪测量激光增益介质温度的方法。这种方法采用的双色镜需要镀对8-12μm红外波段高反且对808nm波长高透的介质膜，由于介质膜对应的波长差距太大，镀膜难度很大而且价格非常昂贵。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置和方法，不需要确定和了解激光增益介质的热光系数、热透镜焦距以及复杂的激光增益介质边界条件等内在参数和特性的条件下就可以直接测量出激光增益介质的表面温度分布。本发明所采用的具体技术方案如下：

一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置，包括泵浦源和激光增益介质，以及用于成像激光增益介质发出红外光的相机；所述的装置还包括：

用于将泵浦源发出的泵浦光会聚在激光增益介质上的第一光学耦合***；

用于透射所述的泵浦光并反射激光增益介质发出红外光的双色镜；

用于将双色镜反射的红外光会聚于相机的第二光学耦合***；

以及根据相机图像计算激光增益介质表面温度分布的计算机。

优选的，所述的双色镜在光路中倾斜40°-60°布置，双色镜的透射光与反射光光路垂直，简化光路结构。

优选的，所述双色镜的镜片材料为铌酸锂晶体，由于铌酸锂材料折射率，对8-12μm红外波段反射率高，提高温度测量精度。

本发明中，所述的双色镜为平板状或楔形板状，优选采用楔形板状的双色镜，红外光波在楔板的前后表面反射后输出的两束红外光波不再平行，靠近楔板上表面法线的一侧的光波为上表面处反射的光波，此束光波成像后可直接测得激光增益介质表面的温度分布。进一步设置楔形板状的双色镜上下表面夹角为10°-40°。

优选的，所述的第一光学耦合***包括焦距比例为1:1～1:3的第一透镜和第二透镜，且第一透镜和第二透镜对泵浦光的反射率小于5％。第一光学耦合***可以将泵浦光以合适的比例泵浦进入激光增益介质。

优选的，所述的第二光学耦合***具有焦距比例为1:1的两个透镜，透镜材料为硒化锌，且镜面镀有对8～12μm红外光的高透膜。第二光学耦合***可以将激光增益介质表面信号光以1:1的比例成像在红外热像仪中，精确地测量激光增益介质表面的温度分布。

进一步的，所述两个透镜的焦距均为f，组成4f成像***。

本发明还提供了一种测量和计算固体激光器晶体温度的方法，包括：

1)利用相机标定激光增益介质在不同温度下发出的红外光的成像灰度值；

2)将泵浦源输出的泵浦光会聚在激光增益介质上，激光增益介质发出的红外光经双色镜反射，并成像在相机处；

3)计算机根据相机成像图像，结合步骤1)中的标定结果，测到激光增益介质表面的温度分布。

优选的，所述的双色镜为楔形板状。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明在不需要确定和了解激光增益介质的热光系数、热透镜焦距以及复杂的激光增益介质边界条件等内在参数和特性的条件下就可以直接测量出激光增益介质的表面温度分布。

2、本发明测量后得到的是激光增益介质温度分布的准确值，而不是有限元计算方法得到的相对温度分布。

3、本发明省去了复杂的计算过程，采用仪器直接测量的办法，避免了参数的误差带来的结果上的不准确性。

4、热光学方法和有限元计算方法一次计算只能针对一种特定的激光增益介质，而本发明具有通用的特性，可以使用相同的方法方便地测得不同种激光增益介质的表面温度分布。

5、相较传统的测量晶体温度的实验装置，本发明中的双色镜无需镀昂贵的对8-12μm红外波段高反且对808nm波长高透的介质膜，有效地降低了实验测量的成本和难度。

附图说明

图1为本发明硒化锌双色镜为平行平板时测量和计算固体激光器晶体温度的装置的结构及光路示意图；图中，金属热沉1、激光增益介质2、双色镜3、第一光学耦合***第一透镜4、第一光学耦合***第二透镜5、泵浦源6、第二光学耦合***第一透镜7、第二光学耦合***第二透镜8、红外照相机9、计算机10；

图2为本发明硒化锌双色镜为楔板时测量和计算固体激光器晶体温度的装置的结构及光路示意图；图中，金属热沉1、激光增益介质2、双色镜3、第一光学耦合***第一透镜4、第一光学耦合***第二透镜5、泵浦源6、第二光学耦合***第一透镜7、第二光学耦合***第二透镜8、红外照相机9、计算机10；

图3为测量得到的晶体温度分布的灰度图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，测量和计算固体激光器晶体温度的装置包括：金属热沉1、激光增益介质2、双色镜3、第一光学耦合***第一透镜4、第一光学耦合***第二透镜5、泵浦源6、第二光学耦合***第一透镜7、第二光学耦合***第二透镜8、红外照相机9和计算机10。金属热沉1、激光增益介质2、双色镜3-1、第一光学耦合***第一透镜4、第一光学耦合***第二透镜5和泵浦源6顺次布置；双色镜3、第二光学耦合***第一透镜7、第二光学耦合***第二透镜8和红外照相机9在竖直方向上顺次布置；红外照相机9和计算机10通过数据连接线相连。

金属热沉要通入恒温水进行冷却，恒温水的温度为15～30℃。激光增益介质为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO₄晶体或Nd:YAG晶体或Yb:YAG晶体，晶体表面对泵浦光的反射率小于5％，激光增益介质包裹铟膜后放置在金属热沉中。

双色镜3在光路中呈40°-60°放置，镜片材料为铌酸锂晶体，由于铌酸锂材料折射率，对8-12μm红外波段反射率高，提高温度测量精度，该镜片从侧面观测形状为平行平板或楔板，楔板上下表面夹角为10°-40°。

第一光学耦合***第一透镜与第一光学耦合***第二透镜两透镜的焦距比例为1:1～1:3，并且对泵浦激光的反射率小于5％。

泵浦源为光纤激光二极管输出，输出波长为808nm或880nm或888nm或914nm，光纤输出口光斑直径为200～400μm。

第二光学耦合***第一透镜与第二光学耦合***第二透镜两透镜的焦距比例为1:1，材料为硒化锌，镀有对8～12μm红外光的高透膜，对8～12μm红外光的反射率小于5％。

红外照相机镜头材料为硒化锌，工作光谱范围为8～12μm，空间分辨率为30～90μm。

测量和计算固体激光器晶体温度的方法的步骤如下：

1)泵浦源6在未开启的状态下，将水温20℃～80℃中每隔1℃分别设定，稳定状态下金属热沉1和激光增益介质2温度为设定的水温值，分别用红外照相机对激光增益介质进行温度的灰度值标定。

2)泵浦源6输出泵浦光经过第一光学耦合***第二透镜5和第一光学耦合***第一透镜4后，光束会聚在激光增益介质2上，焦点处光斑直径大小取决于第一光学耦合***第一透镜5和第一光学耦合***第二透镜4的焦距比，晶体吸收泵浦光后一部分能量转化为热量沉积在激光增益介质2中，由于激光增益介质2的四周由金属热沉包裹，吸收和发散热量达到平衡后，激光增益介质2中心到边缘处会形成稳定的温度差；

3)第二光学耦合***第一透镜7与第二光学耦合***第二透镜8均为焦距为f的透镜，组成4f成像***，第二光学耦合***第一透镜7与激光增益介质2的距离为f，第二光学耦合***第一透镜7与第二光学耦合***第二透镜2之间的距离为2f，第二光学耦合***第二透镜8与红外照相机9之间的距离为f；热量以波长为8～12μm红外光的形式从激光增益介质2表面向外辐射，经过双色镜3后向下反射，经过由第二光学耦合***第一透镜7与第二光学耦合***第二透镜8后将激光增益介质2表面处热量分布情况成像在红外照相机9处；根据双色镜3为平行平板形状和楔板形状，具体实施时分为两种方法，分别为：

a)双色镜3为平行平板形状时，平板前后表面对红外光波各有一次反射，红外光波经过平板反射后会形成两束平行红外光波，在计算机上会观测到两个热成像分布；根据光学传播理论得知双色镜3靠***板法线的一侧的光波为上表面处反射的光波，并且上表面反射的光波强度更高；在计算机上采用过滤算法将强度强的像单独筛选出后可以测量得出激光增益介质表面的温度分布；

b)双色镜为楔板形状时，红外光波在楔板的前后表面反射后输出的两束红外光波不再平行，靠近楔板上表面法线的一侧的光波为上表面处反射的光波，将此束光波入射在红外照相机处，则在计算机上可直接测得激光增益介质表面的温度分布。

实施例

金属热沉通入恒温水进行冷却，恒温水的温度为20℃；激光增益介质为掺杂型激光材料，掺杂型激光材料为Nd:YVO₄晶体，晶体钕掺杂浓度为0.3at.％，Nd:YVO₄晶体为长方体，尺寸规格为3*3*16mm³。晶体表面对泵浦光的反射率为0.5％，激光增益介质包裹铟膜后放置在金属热沉中；双色镜在光路中呈45°放置，对8～12μm红外光的反射率为99.9％，并且对泵浦激光的反射率为0.5％，镜片从侧面观测形状楔板形状；第一光学耦合***第一透镜与第一光学耦合***第二透镜两透镜的焦距比例为1:1，并且对808nm泵浦激光的反射率为0.5％；泵浦源为光纤激光二极管输出，输出波长为808nm，光纤输出口光斑直径为400μm，输出功率为7W；第二光学耦合***第一透镜与第二光学耦合***第二透镜两透镜的焦距比例为1:1，材料为硒化锌，镀有对8～12μm红外光的高透膜，对8～12μm红外光的反射率小于5％；红外照相机镜头材料为硒化锌，工作光谱范围为8～12μm，空间分辨率为30～90μm。

经测量和计算得到晶体的温度分布灰度图如图3所示，根据标定的灰度值可以得到晶体表面任意位置处的温度。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置，包括泵浦源和激光增益介质，以及用于成像激光增益介质发出红外光的相机；其特征在于，所述的装置还包括：

用于将泵浦源发出的泵浦光会聚在激光增益介质上的第一光学耦合***；

用于透射所述的泵浦光并反射激光增益介质发出红外光的双色镜；

用于将双色镜反射的红外光会聚于相机的第二光学耦合***；

以及根据相机图像计算激光增益介质表面温度分布的计算机。

2.如权利要求1所述的测量和计算固体激光器晶体温度的装置，其特征在于，所述的双色镜在光路中倾斜40°-60°布置。

3.如权利要求1所述的测量和计算固体激光器晶体温度的装置，其特征在于，所述双色镜的镜片材料为铌酸锂晶体。

4.如权利要求1所述的测量和计算固体激光器晶体温度的装置，其特征在于，所述的双色镜为平板状或楔形板状。

5.如权利要求4所述的测量和计算固体激光器晶体温度的装置，其特征在于，楔形板状的双色镜上下表面夹角为10°-40°。

6.如权利要求1所述的测量和计算固体激光器晶体温度的装置，其特征在于，所述的第一光学耦合***包括焦距比例为1:1～1:3的第一透镜和第二透镜，且第一透镜和第二透镜对泵浦光的反射率小于5％。

7.如权利要求1所述的测量和计算固体激光器晶体温度的装置，其特征在于，所述的第二光学耦合***具有焦距比例为1:1的两个透镜，透镜材料为硒化锌，且镜面镀有对8～12μm红外光的高透膜。

8.如权利要求7所述的测量和计算固体激光器晶体温度的装置，其特征在于，所述两个透镜的焦距均为f，组成4f成像***。

9.一种测量和计算固体激光器晶体温度的方法，其特征在于，包括：

1)利用相机标定激光增益介质在不同温度下发出的红外光的成像灰度值；

2)将泵浦源输出的泵浦光会聚在激光增益介质上，激光增益介质发出的红外光经双色镜反射，并成像在相机处；

3)计算机根据相机成像图像，结合步骤1)中的标定结果，测到激光增益介质表面的温度分布。

10.如权利要求9所述的测量和计算固体激光器晶体温度的方法，其特征在于，所述的双色镜为楔形板状。