[发明专利]一种测量和计算固体激光器晶体温度的装置和方法

说明书

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。

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 heat transfer 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系统；

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系统；

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％。第一光学耦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。

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，透镜材料为硒化锌，且镜面镀有对8～12μm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。

进一步的，所述两个透镜的焦距均为f，组成4f成像系统。

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：