测量Nd_YAG激光器热透镜焦距的新方法

第3 期 李 强等 测量 Nd YAG 激光器热透镜焦距的新方法
265
实验结果 图2 给出了5 个腔长泵浦功率与输出功 率关系的测量结果 从图2 可以发现 随着泵浦功率 的增加 输出功率线性增加 随后出现拐点 接着出现
平缓区 之后又会线性增长 最后由于到达谐振腔的
不稳区又下降 当达到第1 个拐点时 就进入了临界 稳定点 这时有与泵浦功率有关的有效热焦距 f f 当第2 个拐点出现时 离开临界稳定点 这时有与泵 浦功率有关的有效热焦距f 6 平均有效热焦距在平 缓区的中心 利用方程 4 可计算出径向和切向有 效热透镜焦距f f f 6 及平均有效热透镜焦距f 图 3 给出了测量结果
Poi nts A !B !C corresPond t o Pl ane Parallel ! conf ocal !and concentric resonat ors !resPecti vel y
在这一临界稳定点 半腔长将等于热透镜焦距
f 对一定的腔长 随着输入功率的增加 输出功率 的增量在这一临界稳定点明显下降 用这种方法 对
图3 YAG 棒的热透镜焦距随输入功率变化曲线 Fi g .3 Measured t her mal lens f ocal lengt h of YAG
cryst al rod as a f uncti on of l a mP i nPut Power
图4 YAG 棒的有效焦距长度随输入功率的变化曲线 Fi g .4 Effecti ve f ocal lengt h of YAG cryst al as
不同的腔长 可测量不同泵浦功率下的热透镜焦距
实际上 临界稳定点不只是1 个点 当仔细调整 输入功率时 它可能是1 个区域 热透镜焦距可以表 示为 16
< > f i
=
^ P i n7
O
1 27 O
d7 dt
+7 2OBC f 6
+f
OB
<7 O -1 7 Ol
>
-1
<5 >
这里有2 个焦距f f 和f 6 对于 YAG 晶体 一般f f /
本文提出了一种测量大功率灯泵浦连续激光器 热透镜的新方法 在大功率激光输出时 利用谐振腔 的临界稳定条件计算有效热透镜的焦距 平行平面 谐振腔的临界稳定点是对增益介质的热透镜敏感的
函数 激光输出功率是泵浦灯输入功率的函数 通过 监测激光输出功率 记录由于有效热焦距使谐振腔通 过特殊临界稳定的点 可以确定有效热焦距 这种方 法不仅可以测量与激光器结构有关的平均有效热焦 距具体值 而且可以测得对应的径向热焦距f f 和切 向热焦距f 6 这 种 方 法 不 需 要 特 别 的 仪 器 且 操 作 简单
< > 1
=
a a
1 2
1
-L 2 f
-R11
L1
+L2
L -
1
L
2
f
<1 >
< > 2
=
a a
2 1
1
-L 1 f
-R12
L1
+L2
-L 1L 2 f
<2 >
式中a 1 和a 2 是镜子的孔径~ R1 和 R2 是镜子的曲率 半径~L1 和L2 是主面离镜的距离
激光棒长度为l 其可看作 1 个薄透镜和 2 块 长
度为h 的各 向 同 性 介 质 h =l / 27 O h 是 透 镜 主 面 到 棒端面的距离 15
Байду номын сангаас
为简化分析和实验 谐振腔选择为对称平行平面
腔 平面镜有相同 的 孔 径 并 分 别 与 Nd = YAG 棒 等 间
距放置 因此 a 1 =a 2 R 1 =R 2 L 1 =L 2 =L 则 方 程
Fi g .2 The measure mnet results f or t he ouPt ut l aser Power vs .t he Pu mP Power wit h a Pl ane Parallel
resonat or at resonat or lengt hs of 584 t o l 344 mm
用 Ophi r 型5 OOO W- S ~ 功 率 计 探 测 输 出 激 光 的 功率 通过检测增加灯的输入功率而输出激光功率没 有线性增加来确定腔的临界稳定点 每次测量泵浦 功率由低到高 再由高到低 实验结果取平均值 实 验中 对每一腔长 腔镜进行严格准直 以保证对于每 次测量的斜率效率一致 对一定范围内的对称腔长 描画激光输出功率与灯泵浦功率的函数曲线来获得
摘要 提出一种测量大功率连续 Nd YAG 激 光 器 有 效 热 透 镜 焦 距 的 新 方 法 利 用 腔 的 临 界 稳 定 条 件 通过测量临界稳定点的输出功率 计算出激光棒的径向和切向的热透镜焦距 以及有效平均热焦距 这 种 方 法 不 需 要 特 别 的 仪 器 且 操 作 简 单 与 探 测 光 束 法 测 量 的 偏 差 为 1O % 要 小 于 非 稳 腔 法 的
<1 > 和<2 > 简化为
1=
2
=1
L -
+ <l / 2 >
1 f
- <1/ 7 O >
<3 >
因此腔的稳定性只与腔内透镜焦距和腔长有关
图1 是光学谐振腔的稳定性图 直线上的点代 表了有不同焦距内置透镜对称腔对应的位置 热焦
距是输入功率的函数 随着功率的增加 等效腔从平
平腔过渡到共焦腔 最后到共心腔 离开这一区域
为了验证方法的准确性 在相同条件下 采用探 测光束法 3 对热透镜焦距进行了比较测量 见图4 我们采用临界稳定点方法得到的平均有效热焦距值 比探测光束法测到的值略大 而这两种方法偏差为 1O % 要小于非稳腔法 1 的 2O %
图2 平平腔腔长584 到l 344 mm 时输出功率 随泵浦功率的变化测量结果
LI Oi ang % % WANG Zhi- mi n WANG Zhi-yOng FANG i ng- Xi ng Z UO Ti e-chuan
I nstit ut e Of Laser Engi neeri ng Bei i ng Uni versit y Of TechnOl Ogy Bei i ng 1OOO22 Chi na
2O % 关键词 Nd YAG 激光器 临界稳定点 切向 径向 热焦距 中图分类号!TN241 文献标识码!A 文章编号!1OO5-OO86 2OO4 O3-O263-O4
A Novel Met hod f or Measuri ng Ther mal lens Focal lengt h of a C W Hi gh Power Nd YAG laser
谐振腔是不稳定的 在图1 中 B 点对应于 1 > 2
=O 这点是谐振 腔 稳 定 区 的 临 界 稳 定 点 根 据 方 程
<3 > 可以得到有效热焦距为
f = L + <l / 2 > <1 - <1/7 O > >
<4 >
图l 光学谐振腔的稳定图 Fi g .l St abilit y di agra m of an oPtical resonat or . Shaded areas i ndicate regi ons of unst able oPerati on .
Abstract A n ovel met h od Was aPPl i ed t o measur e t h e t h er mal l ens of a C W Nd YAG l aser . By measuri n 9 t h e out Put Po Wer at cri ti cal st abl e Poi nt t h e l aser r od t h er mal l ens f ocal l en 9t h i n r adi al di r ecti on an d t h e t h er mal l ens f ocal l en 9t h i n t an 9enti al di r ecti on can be cal cul at ed . Th e met h od can al so be used t o obt ai n e t h e aver a9e eff ecti ve t h er mal l ens f ocal l en 9t h . Th e met h od r eCui r es n o sPeci al eCui P ment an d i s si mPl e t o i mPl ement . Th e measuri n 9 devi ati on of t h e met h od co mPari n 9 Wi t h Pr obe bea m met h od i s Wi t hi n t h e accur acy t h at i s i n t h e or der of 1O % .l t i s l ess t h an t h e unst abl e-r eson at or met h od t h at i s i n t h e or der of 2O % . Key words Nd YAG l aser cri ti cal st abl e Poi nt r adi al di r ecti on t an 9enti al di r ecti on t h er mal l ens f ocal l en 9t h
2 灯泵浦的谐振腔模型分析
由于灯泵浦的功率沉积在整个棒上 从而形成热 透镜 稳定工作时的激光棒的热分布依赖于泵浦灯 聚光腔和棒的几何结构 棒对泵浦光的吸收系数以及 激光的输出功率 环绕棒的循环水冷却激光棒 在激