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】
[0001]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】
[0002]激光器由光学谐振腔、泵浦系统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。
[0003]目前研宄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。
[0004]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 heat transfer measurementsin d1de-end-pumped YbYAG.App1.Phys.B 79，221 - 224 (2004) ”，通常来说会米用多层锻膜的砸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8-12 μ m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】
[0005]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:
[0006]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:
[0007]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系统；
[0008]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；
[0009]用于将双色镜反射的红外光会聚于相机的第二光学耦合系统；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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8-12 μ m红外波段反射率高，提高温度测量精度。
[0013]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°。
[0014]优选的，所述的第一光学耦合系统包括焦距比例为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%。第一光学親合系统可以将泵浦光以合适的比例泵浦进入激光增益介质。
[0015]优选的，所述的第二光学耦合系统具有焦距比例为1:1的两个透镜，透镜材料为砸化锌，且镜面镀有对8?12 μπι红外光的高透膜。第二光学耦合系统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。
[0016]进一步的，所述两个透镜的焦距均为f，组成4f成像系统。
[0017]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:
[0018]I)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；
[0019]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；
[0020]3)计算机根据相机成像图像，结合步骤I)中的标定结果，测到激光增益介质表面的温度分布。
[0021]优选的，所述的双色镜为楔形板状。
[0022]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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O
[0027]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8-12 μπι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】
[0028]图1为本发明砸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、第一光学耦合系统第一透镜4、第一光学親合系统第二透镜5、泵浦源6、第二光学親合系统第一透镜7、第二光学耦合系统第二透镜8、红外照相机9、计算机10 ;
[0029]图2为本发明砸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、第一光学耦合系统第一透镜4、第一光学耦合系统第二透镜5、泵浦源6、第二光学耦合系统第一透镜7、第二光学耦合系统第二透镜8、红外照相机9、计算机10 ;
[0030]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】
[0031]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0032]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、第一光学耦合系统第一透镜4、第一光学耦合系统第二透镜5、泵浦源6、第二光学耦合系统第一透镜7、第二光学耦合系统第二透镜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、第一光学親合系统第一透镜4、第一光学I禹合系统第二透镜5和泵浦源6顺次布置；双色镜3、第二光学親合系统第一透镜7、第二光学親合系统第二透镜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。
[0033]金属热沉要通入恒温水进行冷却，恒温水的温度为15?30°C。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。
[0034]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8-12 μ m红外波段反射率高，