一種側(cè)面抽運(yùn)Nd:YAG晶體激光器調(diào)試與分析新裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種側(cè)面抽運(yùn)Nd:YAG晶體激光器調(diào)試與分析新裝置，包括：氦氖準(zhǔn)直激光器、第一諧振腔鏡、Q調(diào)制開(kāi)關(guān)、增益Nd:YAG晶體、側(cè)面抽運(yùn)脈沖Xe燈，諧波鏡、諧波轉(zhuǎn)換晶體、耦合輸出腔鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡等。本實(shí)用新型可以精確地分析采用典型Febry-Perot諧振腔的脈沖氙燈側(cè)面抽運(yùn)摻釹釔鋁石榴石晶體激光器輸出特性，構(gòu)建的新型實(shí)驗(yàn)裝置并可為進(jìn)一步研究激光諧振腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與模式控制優(yōu)化、提高光束質(zhì)量等相關(guān)問(wèn)題研究提供參考。采用該布局可準(zhǔn)確和細(xì)致分析采用典型Febry-Perot諧振腔的脈沖氙燈側(cè)面抽運(yùn)Nd:YAG晶體激光器的輸出特性。
【專利說(shuō)明】
-種側(cè)面抽運(yùn)Nd:YAG晶體激光器調(diào)試與分析新裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于光電技術(shù)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種側(cè)面抽運(yùn)Nd:YAG(滲Ξ價(jià) 欽離子錠侶石惱石)晶體激光器調(diào)試與光束分析新裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] Nd:YAG(滲Ξ價(jià)欽離子錠侶石惱石)晶體激光器因?qū)偎哪芗?jí)系統(tǒng)激光器，具備可獲 得連續(xù)及脈沖輸出，光束質(zhì)量好、輸出能量大、峰值功率高、固體介質(zhì)壽命較長(zhǎng)且堅(jiān)固等優(yōu) 點(diǎn)，在激光工程技術(shù)，如激光測(cè)距、激光遙感、科學(xué)儀器、光學(xué)信號(hào)處理、生物和醫(yī)療診斷等 領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。但在激光器出光過(guò)程中由于腔內(nèi)組件幾何擾動(dòng)及失調(diào)、包括增益介 質(zhì)、倍頻轉(zhuǎn)換晶體等熱效應(yīng)擾動(dòng)會(huì)帶來(lái)輸出功率或能量、轉(zhuǎn)換效率、光束品質(zhì)嚴(yán)重下降。此 夕h如何對(duì)其禪合輸出模式的高級(jí)參量譬如光束質(zhì)量及相關(guān)指標(biāo)因子精確、快速地進(jìn)行測(cè) 試分析也是當(dāng)前工程技術(shù)中需要解決的迫切問(wèn)題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的在激光器出光過(guò)程中由于腔內(nèi)組件幾何擾 動(dòng)及失調(diào)、包括增益介質(zhì)、倍頻轉(zhuǎn)換晶體等熱效應(yīng)擾動(dòng)會(huì)帶來(lái)輸出功率或能量、轉(zhuǎn)換效率、 光束品質(zhì)嚴(yán)重下降問(wèn)題而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝使用方便、提高工作效率的側(cè)面抽運(yùn)Nd: YAG晶體激光器調(diào)試與光束分析新裝置。
[0004] 本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：
[0005] 該側(cè)面抽運(yùn)Nd:YAG晶體激光器調(diào)試與分析新裝置包括:氮氛激光器、第一諧振腔 鏡、Q(品質(zhì)因子）調(diào)制開(kāi)關(guān)、增益晶體、諧波鏡、諧波轉(zhuǎn)換晶體、禪合輸出腔鏡(第二諧振腔 鏡）、第一反射鏡、第二反射鏡、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡、陣列分光透鏡、光電探測(cè)器CCD及圖像采集 卡、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)；
[0006] 氮氛激光器的激光發(fā)射端安裝有變密度衰減片，可依據(jù)激光器調(diào)試需要進(jìn)行光束 衰減調(diào)節(jié);氮氛激光器后端為第一諧振腔鏡，第一諧振腔鏡的后端安裝有Q調(diào)制開(kāi)關(guān)，Q調(diào)制 開(kāi)關(guān)的后端安裝有增益晶體，增益晶體的后端安裝有諧波鏡，諧波鏡的后端安裝有諧波轉(zhuǎn) 換晶體，氮氛激光器、第一諧振腔鏡、Q調(diào)制開(kāi)關(guān)、增益晶體、諧波鏡、諧波轉(zhuǎn)換晶體、禪合輸 出腔鏡(第二諧振腔鏡)在同一光學(xué)共軸水平面內(nèi)；諧波轉(zhuǎn)換晶體的后端為禪合輸出腔鏡， 禪合輸出腔鏡后端為有第一反射鏡，第一反射鏡的光線反射端對(duì)應(yīng)安裝有第二反射鏡，第 二反射鏡的光線反射端安裝有擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡，擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡的后端安裝有陣列分光透鏡， 陣列分光透鏡的后焦平面安裝有光電探測(cè)器CCD，光電探測(cè)器CCD再經(jīng)由圖像采集卡與數(shù)據(jù) 處理計(jì)算機(jī)相連接。
[0007] 本實(shí)用新型還可W采用如下技術(shù)措施：
[000引所述的諧波鏡采用鍛1064nm高透和53化m高反膜層的石英鏡片。為雙膜系列，且均 為多層介質(zhì)膜設(shè)計(jì)。
[0009]本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:該側(cè)面抽運(yùn)滲欽錠侶石惱石晶體激光器調(diào) 試與分析新裝置可W精確地分析采用典型化bry-化rot諧振腔的脈沖氣燈側(cè)面抽運(yùn)滲欽錠 侶石惱石晶體激光器輸出特性，包括諧振腔的調(diào)校共軸和存在幾何擾動(dòng)時(shí)對(duì)輸出光束能 量、本征模式相關(guān)因子、W及波前相位的影響。構(gòu)建的新型實(shí)驗(yàn)裝置并可為進(jìn)一步研究激光 諧振腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與模式控制優(yōu)化、提高光束質(zhì)量等相關(guān)問(wèn)題研究提供參考。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的側(cè)面抽運(yùn)滲欽錠侶石惱石晶體激光器調(diào)試與分析 新裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的調(diào)整共軸狀態(tài)的激光器抽運(yùn)電壓與輸出脈沖能量 的關(guān)系示意圖；
[0012] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的輸出禪合腔鏡傾斜擾動(dòng)27"的激光器抽運(yùn)電壓與 輸出脈沖能量的關(guān)系示意圖；
[OOK]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的波前像差二維分布(Ρν = 0.841λ，ΚΜ5 = 0.149λ，λ 為輸出光波長(zhǎng)，即532nm)，的光束波前相位特性示意圖；
[0014] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的波前像差Ξ維分布(50帖圖像經(jīng)模式法波前復(fù)原 后的結(jié)果取平均值)的光束波前相位特性示意圖；
[0015] 圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的解析出的光束Fraunhofer輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征和離焦系 數(shù)為50帖平均值點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF的示意圖；
[0016] 圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的解析出的光束Fraunhofer輸出遠(yuǎn)場(chǎng)特征和離焦系 數(shù)為ZernAe離焦系數(shù)動(dòng)態(tài)曲線的示意圖；
[0017] 圖中：1、氮氛激光器;2、第一諧振腔鏡;3、Q(品質(zhì)因子)調(diào)制開(kāi)關(guān);4、增益晶體及其 配套的側(cè)面抽運(yùn)氣燈模組;5、諧波鏡;6、諧波轉(zhuǎn)換晶體;7、禪合輸出腔鏡(第二諧振腔鏡）； 8、第一反射鏡;9、第二反射鏡；10、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡；11、陣列分光透鏡；12、光電探測(cè)傳感器及 圖像采集卡;13、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為能進(jìn)一步了解本實(shí)用新型的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，茲例舉W下實(shí)施例，并配合 附圖詳細(xì)說(shuō)明如下：
[0019] 請(qǐng)參閱圖1至7所示:該側(cè)面抽運(yùn)滲欽錠侶石惱石晶體激光器調(diào)試與分析新裝置包 括:氮氛激光器1、第一諧振腔鏡2、Q(品質(zhì)因子)調(diào)制開(kāi)關(guān)3、增益晶體4及其配套的側(cè)面抽運(yùn) 氣燈模組、諧波鏡5、諧波轉(zhuǎn)換晶體6、禪合輸出腔鏡(第二諧振腔鏡)7、第一反射鏡8、第二反 射鏡9、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡10、陣列分光透鏡11、光電探測(cè)傳感器及圖像采集卡12、數(shù)據(jù)處理計(jì)算 機(jī)13;
[0020] 氮氛激光器1的激光發(fā)射端安裝有變密度衰減片，并可依據(jù)激光器調(diào)試需要進(jìn)行 光束衰減調(diào)節(jié);氮氛激光器1后端為第一諧振腔鏡2;第一諧振腔鏡2的后端安裝有Q(品質(zhì)因 子)調(diào)制開(kāi)關(guān)3,調(diào)制開(kāi)關(guān)的后端安裝有增益晶體4,增益晶體4的后端安裝有諧波鏡5,諧波 鏡5的后端安裝有諧波轉(zhuǎn)換晶體6,氮氛激光器1、第一諧振腔鏡2、Q(品質(zhì)因子)調(diào)制開(kāi)關(guān)3、 增益晶體4、諧波鏡5、諧波轉(zhuǎn)換晶體6、禪合輸出腔鏡（即第二諧振腔鏡)7在同一光學(xué)共軸水 平面內(nèi)；禪合輸出腔鏡7的后端安裝有第一反射鏡8,第一反射鏡8的光線反射端對(duì)應(yīng)安裝有 第二反射鏡9,第二反射鏡9的光線反射端安裝有擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡10,擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡10的后端 安裝有陣列分光透鏡11，陣列分光透鏡11的后焦平面安裝有光電探測(cè)傳感器及圖像采集卡 12,光電探測(cè)傳感器及圖像采集卡12與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)13相連接。
[0021] 該側(cè)面抽運(yùn)雷射晶體激光器調(diào)試與分析新裝置由F-P諧振腔、Nd:YAG增益晶體4、 偵曬抽運(yùn)Xe燈組件、Q調(diào)制器件、諧波轉(zhuǎn)換晶體W及相配套的電源控制(抽運(yùn)參數(shù)控制)系統(tǒng) 和冷卻系統(tǒng)（增益晶體及諧波轉(zhuǎn)換晶體熱效應(yīng)冷卻）組成。其中倍頻器件采用憐酸鐵氧鐘 化TP，KTiOP化)晶體，采用第Π 類非線性相位匹配(經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)參數(shù)為巧=23.6，θ = 90°)雙 面鍛1064nm和53化m的增透膜，經(jīng)計(jì)算將其尺寸設(shè)計(jì)為8mm X 8mm X 12mm。諧波鏡5采用鍛 1064nm高透和532nm高反膜層的石英鏡片。考慮到Y(jié)AG介質(zhì)的熱致應(yīng)力雙折射和倍頻晶體熱 透鏡效應(yīng)等因素，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析，激光諧振腔采用Febry-Perot (F-P)型結(jié)構(gòu)，腔 長(zhǎng)調(diào)整至550mm;實(shí)驗(yàn)中采用化4+晶體作為被動(dòng)Q調(diào)制器件?；?化激光有兩個(gè)作用:一是作為 自準(zhǔn)直法校準(zhǔn)化bry-Perot諧振腔的光源;其二是用作后端光電探測(cè)器如CCD采樣后進(jìn)一步 進(jìn)行波前復(fù)原計(jì)算時(shí)的基準(zhǔn)參考波前。
[0022] 實(shí)驗(yàn)中首先采用化-化對(duì)諧振腔進(jìn)行光學(xué)共軸調(diào)節(jié)，采用自準(zhǔn)直法進(jìn)行共軸調(diào)節(jié)， 并進(jìn)一步精確調(diào)節(jié)諧振腔鏡，W及倍頻晶體角度和位置。滲欽錠侶石惱石晶體激光器主振 蕩模波長(zhǎng)為l〇64nm，經(jīng)由諧波轉(zhuǎn)換晶體6作用后得到53化m綠色激光輸出，運(yùn)里采用的是效 率更高的腔內(nèi)倍頻方式。
[0023] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的調(diào)整共軸狀態(tài)的激光器抽運(yùn)電壓與輸出脈沖能量 的關(guān)系示意圖，橫坐標(biāo)代表脈沖氣燈抽運(yùn)電壓，縱坐標(biāo)為倍頻輸出能量單位為秒，為532nm。 調(diào)節(jié)諧振腔完全共軸時(shí)，闊值抽運(yùn)電壓為310V，在450V抽運(yùn)電壓時(shí)輸出為125mJ，輸出能量 隨電壓增加而增大，脈沖輸出線性關(guān)系較好。
[0024] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的輸出禪合腔鏡7傾斜擾動(dòng)27"的激光器抽運(yùn)電壓與 輸出脈沖能量的關(guān)系示意圖，橫坐標(biāo)代表氣燈抽運(yùn)電壓，縱坐標(biāo)為倍頻輸出能量單位為秒， 為53化m。腔內(nèi)相位擾動(dòng)時(shí)的情形，即將輸出禪合腔鏡7傾斜角度約27"，傾角采用自準(zhǔn)直儀 進(jìn)行測(cè)量，可見(jiàn)闊值抽運(yùn)電壓有了顯著增加達(dá)到580V左右，運(yùn)是因?yàn)镕-P型腔對(duì)小的腔內(nèi)相 位擾動(dòng)十分靈敏，甚至較小的擾動(dòng)量亦會(huì)使得腔內(nèi)損耗迅速增大，調(diào)整精度要求較高。但采 用該結(jié)構(gòu)光束發(fā)散角小，模體積較大，易獲得高功率輸出等優(yōu)點(diǎn)。
[0025] 細(xì)致對(duì)比發(fā)現(xiàn)圖3數(shù)據(jù)線性關(guān)系也不如完全共軸時(shí)圖3情形，兩組均采用最小二乘 數(shù)學(xué)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。
[00%]在本實(shí)驗(yàn)中輸出光束首先經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后再經(jīng)二元光學(xué)器件即微透鏡陣列L2得到 按預(yù)定規(guī)律分布的光斑點(diǎn)陣，本實(shí)驗(yàn)中為22X22光斑點(diǎn)陣，進(jìn)一步編寫(xiě)數(shù)值計(jì)算程序用模 式相位復(fù)原算法進(jìn)行波前重構(gòu)計(jì)算。圖4為波前像差二維形貌分布，并計(jì)算出重要的評(píng)價(jià)激 光光束的PV值和RMS值:Ρν = 0.841λ，ΚΜ8 = 0.149λ"(為連續(xù)50帖圖像采樣并進(jìn)行波前復(fù)原 計(jì)算后的平均值）；在使用衍射陣列透鏡進(jìn)行分光，進(jìn)一步用數(shù)學(xué)算法進(jìn)行波前復(fù)原，來(lái)進(jìn) 行光束波前探測(cè)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)W前端光束質(zhì)量好的化- 化氣體激光為參考基準(zhǔn)。從重構(gòu)出的波前相位特性可見(jiàn)，分布已并非非均勻球面波，相位產(chǎn) 生了較多崎變，影響了激光器光束質(zhì)量。產(chǎn)生運(yùn)種原因主要有腔內(nèi)YAG介質(zhì)的熱致應(yīng)力雙折 射、增益和倍頻晶體熱透鏡效應(yīng)、W及其它相位擾動(dòng)因素如腔鏡共軸調(diào)整存在誤差及腔鏡 受熱變形等。
[0027]對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步編程分析還可得到其它相應(yīng)光束指標(biāo)評(píng)價(jià)參量，如圖6所示50 帖平均值PSF(點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù))分布?？梢?jiàn)由于光束相位崎變的影響，PSF函數(shù)偏離了理想平面 波Fraunhofer(夫巧禾費(fèi)遠(yuǎn)場(chǎng))衍射分布。實(shí)際上，本實(shí)驗(yàn)光腔的像散為其中典型像差之一， 一般而言腔鏡本身幾何加工誤差、腔內(nèi)腔鏡離軸失調(diào)、機(jī)械調(diào)整架裝夾應(yīng)力等均可能帶來(lái) 該像差。
[00%]實(shí)驗(yàn)也分析了波前中包含的動(dòng)態(tài)崎變，如圖7，從測(cè)得的典型Zernike像差系數(shù)Z3 (離焦像差)隨時(shí)間變化關(guān)系知：由于激光器內(nèi)相位擾動(dòng)因素影響，輸出模式Zernike崎變系 數(shù)曲線在平均值上下存在一定波動(dòng)變化，經(jīng)計(jì)算在20秒采樣時(shí)間內(nèi)，平均ZernAe離焦Z3系 數(shù)為一0.0855。相關(guān)數(shù)據(jù)采集處理模塊采用Visual C++編程并進(jìn)行了代碼優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí) 動(dòng)態(tài)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步解析出的ZernAe波前像差典型地還有:A4 = 0.035, As = -0.027,分 別為0/90°方向和45/135°方向的像散崎變。
[0029] 提出基于CCD測(cè)量按一定要求規(guī)律分布光斑強(qiáng)度點(diǎn)陣，進(jìn)一步依據(jù)波前復(fù)原算法 來(lái)解析處光場(chǎng)相位分布的途徑及實(shí)現(xiàn)方案。搭建實(shí)驗(yàn)裝置精確分析了采用典型F-P諧振腔 的脈沖氣燈側(cè)面抽運(yùn)滲欽錠侶石惱石晶體激光器輸出特性及相關(guān)光束模式特性參量，實(shí)驗(yàn) 表明該方法具有工作穩(wěn)定迅速、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并可由重構(gòu)波前進(jìn)一步編程分析其它重要 光束質(zhì)量特性指標(biāo)。進(jìn)一步若采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如增益板條結(jié)構(gòu)、均勻面累浦、面冷卻方式 改進(jìn)等，進(jìn)而減小一階熱效應(yīng)如熱透鏡與熱致應(yīng)力雙折射效應(yīng)，并優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu)。
[0030] W上所述僅是對(duì)本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上 的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)W上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與 修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種側(cè)面抽運(yùn)Nd: YAG晶體激光器調(diào)試與分析新裝置，其特征在于，該側(cè)面抽運(yùn)Nd: YAG晶體激光器調(diào)試與分析新裝置包括:氦氖激光器、第一諧振腔鏡、Q調(diào)制開(kāi)關(guān)、增益Nd: YAG晶體、側(cè)面抽運(yùn)脈沖Xe燈，諧波鏡、諧波轉(zhuǎn)換晶體、耦合輸出腔鏡、第一反射鏡、第二反射 鏡、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡、陣列分光透鏡、圖像傳感器、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)； 所述氦氖激光器的激光發(fā)射端安裝有變密度衰減片，并可依據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié);氦氖激 光器后端為第一諧振腔鏡，第一諧振腔鏡的后端則安裝有Q調(diào)制開(kāi)關(guān)，Q調(diào)制開(kāi)關(guān)的后端安 裝有增益晶體，脈沖Xe燈及其聚光組件采用側(cè)面抽運(yùn)形式栗浦YAG增益晶體，增益晶體的后 端安裝有諧波鏡； 所述諧波鏡的后端安裝有諧波轉(zhuǎn)換晶體;氦氖激光器、Q調(diào)制開(kāi)關(guān)、增益晶體、諧波鏡、 諧波轉(zhuǎn)換晶體、耦合輸出腔鏡在同一共光軸水平面內(nèi)；諧波轉(zhuǎn)換晶體的后端安裝有第一反 射鏡，第一反射鏡的光線反射端對(duì)應(yīng)安裝有第二反射鏡，第二反射鏡的光線反射端安裝有 擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡，擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡的后端安裝有陣列分光透鏡，陣列分光透鏡的后焦平面安裝 有光電探測(cè)器如CCD，光電探測(cè)器經(jīng)由圖像采集卡進(jìn)一步與數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)相連接。2. 如權(quán)利要求1所述的側(cè)面抽運(yùn)NchYAG晶體激光器調(diào)試與分析新裝置，其特征在于，所 述諧波鏡采用鍍l〇64nm高透射和532nm高反射雙膜系列的石英鏡片精密設(shè)計(jì)，雙膜系列均 為多層介質(zhì)膜。
【文檔編號(hào)】H01S3/0943GK205483490SQ201620030809
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年1月13日
【發(fā)明人】張翔
【申請(qǐng)人】成都信息工程大學(xué)