一种侧面抽运Nd:YAG晶体激光器调试与分析新装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种侧面抽运Nd:YAG晶体激光器调试与分析新装置，包括：氦氖准直激光器、第一谐振腔镜、Q调制开关、增益Nd:YAG晶体、侧面抽运脉冲Xe灯，谐波镜、谐波转换晶体、耦合输出腔镜、第一反射镜、第二反射镜、扩束准直透镜等。本实用新型可以精确地分析采用典型Febry-Perot谐振腔的脉冲氙灯侧面抽运掺钕钇铝石榴石晶体激光器输出特性，构建的新型实验装置并可为进一步研究激光谐振腔结构优化设计与模式控制优化、提高光束质量等相关问题研究提供参考。采用该布局可准确和细致分析采用典型Febry-Perot谐振腔的脉冲氙灯侧面抽运Nd:YAG晶体激光器的输出特性。
【专利说明】
-种侧面抽运Nd:YAG晶体激光器调试与分析新装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于光电技术设备技术领域，尤其设及一种侧面抽运Nd:YAG(渗Ξ价 钦离子锭侣石恼石)晶体激光器调试与光束分析新装置。
【背景技术】
[0002] Nd:YAG(渗Ξ价钦离子锭侣石恼石)晶体激光器因属四能级系统激光器，具备可获 得连续及脉冲输出，光束质量好、输出能量大、峰值功率高、固体介质寿命较长且坚固等优 点，在激光工程技术，如激光测距、激光遥感、科学仪器、光学信号处理、生物和医疗诊断等 领域中获得广泛应用。但在激光器出光过程中由于腔内组件几何扰动及失调、包括增益介 质、倍频转换晶体等热效应扰动会带来输出功率或能量、转换效率、光束品质严重下降。此 夕h如何对其禪合输出模式的高级参量譬如光束质量及相关指标因子精确、快速地进行测 试分析也是当前工程技术中需要解决的迫切问题。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型为解决公知技术中存在的在激光器出光过程中由于腔内组件几何扰 动及失调、包括增益介质、倍频转换晶体等热效应扰动会带来输出功率或能量、转换效率、 光束品质严重下降问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的侧面抽运Nd: YAG晶体激光器调试与光束分析新装置。
[0004] 本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
[0005] 该侧面抽运Nd:YAG晶体激光器调试与分析新装置包括:氮氛激光器、第一谐振腔 镜、Q(品质因子）调制开关、增益晶体、谐波镜、谐波转换晶体、禪合输出腔镜(第二谐振腔 镜）、第一反射镜、第二反射镜、扩束准直透镜、阵列分光透镜、光电探测器CCD及图像采集 卡、数据处理计算机；
[0006] 氮氛激光器的激光发射端安装有变密度衰减片，可依据激光器调试需要进行光束 衰减调节;氮氛激光器后端为第一谐振腔镜，第一谐振腔镜的后端安装有Q调制开关，Q调制 开关的后端安装有增益晶体，增益晶体的后端安装有谐波镜，谐波镜的后端安装有谐波转 换晶体，氮氛激光器、第一谐振腔镜、Q调制开关、增益晶体、谐波镜、谐波转换晶体、禪合输 出腔镜(第二谐振腔镜)在同一光学共轴水平面内；谐波转换晶体的后端为禪合输出腔镜， 禪合输出腔镜后端为有第一反射镜，第一反射镜的光线反射端对应安装有第二反射镜，第 二反射镜的光线反射端安装有扩束准直透镜，扩束准直透镜的后端安装有阵列分光透镜， 阵列分光透镜的后焦平面安装有光电探测器CCD，光电探测器CCD再经由图像采集卡与数据 处理计算机相连接。
[0007] 本实用新型还可W采用如下技术措施：
[000引所述的谐波镜采用锻1064nm高透和53化m高反膜层的石英镜片。为双膜系列，且均 为多层介质膜设计。
[0009]本实用新型具有的优点和积极效果是:该侧面抽运渗钦锭侣石恼石晶体激光器调 试与分析新装置可W精确地分析采用典型化bry-化rot谐振腔的脉冲氣灯侧面抽运渗钦锭 侣石恼石晶体激光器输出特性，包括谐振腔的调校共轴和存在几何扰动时对输出光束能 量、本征模式相关因子、W及波前相位的影响。构建的新型实验装置并可为进一步研究激光 谐振腔结构优化设计与模式控制优化、提高光束质量等相关问题研究提供参考。
【附图说明】
[0010] 图1是本实用新型实施例提供的侧面抽运渗钦锭侣石恼石晶体激光器调试与分析 新装置的结构示意图；
[0011] 图2是本实用新型实施例提供的调整共轴状态的激光器抽运电压与输出脉冲能量 的关系示意图；
[0012] 图3是本实用新型实施例提供的输出禪合腔镜倾斜扰动27"的激光器抽运电压与 输出脉冲能量的关系示意图；
[OOK]图4是本实用新型实施例提供的波前像差二维分布(Ρν = 0.841λ，ΚΜ5 = 0.149λ，λ 为输出光波长，即532nm)，的光束波前相位特性示意图；
[0014] 图5是本实用新型实施例提供的波前像差Ξ维分布(50帖图像经模式法波前复原 后的结果取平均值)的光束波前相位特性示意图；
[0015] 图6是本实用新型实施例提供的解析出的光束Fraunhofer输出远场特征和离焦系 数为50帖平均值点扩散函数PSF的示意图；
[0016] 图7是本实用新型实施例提供的解析出的光束Fraunhofer输出远场特征和离焦系 数为ZernAe离焦系数动态曲线的示意图；
[0017] 图中：1、氮氛激光器;2、第一谐振腔镜;3、Q(品质因子)调制开关;4、增益晶体及其 配套的侧面抽运氣灯模组;5、谐波镜;6、谐波转换晶体;7、禪合输出腔镜(第二谐振腔镜）； 8、第一反射镜;9、第二反射镜；10、扩束准直透镜；11、阵列分光透镜；12、光电探测传感器及 图像采集卡;13、数据处理计算机。
【具体实施方式】
[0018] 为能进一步了解本实用新型的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举W下实施例，并配合 附图详细说明如下：
[0019] 请参阅图1至7所示:该侧面抽运渗钦锭侣石恼石晶体激光器调试与分析新装置包 括:氮氛激光器1、第一谐振腔镜2、Q(品质因子)调制开关3、增益晶体4及其配套的侧面抽运 氣灯模组、谐波镜5、谐波转换晶体6、禪合输出腔镜(第二谐振腔镜)7、第一反射镜8、第二反 射镜9、扩束准直透镜10、阵列分光透镜11、光电探测传感器及图像采集卡12、数据处理计算 机13;
[0020] 氮氛激光器1的激光发射端安装有变密度衰减片，并可依据激光器调试需要进行 光束衰减调节;氮氛激光器1后端为第一谐振腔镜2;第一谐振腔镜2的后端安装有Q(品质因 子)调制开关3,调制开关的后端安装有增益晶体4,增益晶体4的后端安装有谐波镜5,谐波 镜5的后端安装有谐波转换晶体6,氮氛激光器1、第一谐振腔镜2、Q(品质因子)调制开关3、 增益晶体4、谐波镜5、谐波转换晶体6、禪合输出腔镜（即第二谐振腔镜)7在同一光学共轴水 平面内；禪合输出腔镜7的后端安装有第一反射镜8,第一反射镜8的光线反射端对应安装有 第二反射镜9,第二反射镜9的光线反射端安装有扩束准直透镜10,扩束准直透镜10的后端 安装有阵列分光透镜11，阵列分光透镜11的后焦平面安装有光电探测传感器及图像采集卡 12,光电探测传感器及图像采集卡12与数据处理计算机13相连接。
[0021] 该侧面抽运雷射晶体激光器调试与分析新装置由F-P谐振腔、Nd:YAG增益晶体4、 侦晒抽运Xe灯组件、Q调制器件、谐波转换晶体W及相配套的电源控制(抽运参数控制)系统 和冷却系统（增益晶体及谐波转换晶体热效应冷却）组成。其中倍频器件采用憐酸铁氧钟 化TP，KTiOP化)晶体，采用第Π 类非线性相位匹配(经计算，设计参数为巧=23.6，θ = 90°)双 面锻1064nm和53化m的增透膜，经计算将其尺寸设计为8mm X 8mm X 12mm。谐波镜5采用锻 1064nm高透和532nm高反膜层的石英镜片。考虑到YAG介质的热致应力双折射和倍频晶体热 透镜效应等因素，通过计算机数值模拟分析，激光谐振腔采用Febry-Perot (F-P)型结构，腔 长调整至550mm;实验中采用化4+晶体作为被动Q调制器件。化-化激光有两个作用:一是作为 自准直法校准化bry-Perot谐振腔的光源;其二是用作后端光电探测器如CCD采样后进一步 进行波前复原计算时的基准参考波前。
[0022] 实验中首先采用化-化对谐振腔进行光学共轴调节，采用自准直法进行共轴调节， 并进一步精确调节谐振腔镜，W及倍频晶体角度和位置。渗钦锭侣石恼石晶体激光器主振 荡模波长为l〇64nm，经由谐波转换晶体6作用后得到53化m绿色激光输出，运里采用的是效 率更高的腔内倍频方式。
[0023] 图2是本实用新型实施例提供的调整共轴状态的激光器抽运电压与输出脉冲能量 的关系示意图，横坐标代表脉冲氣灯抽运电压，纵坐标为倍频输出能量单位为秒，为532nm。 调节谐振腔完全共轴时，阔值抽运电压为310V，在450V抽运电压时输出为125mJ，输出能量 随电压增加而增大，脉冲输出线性关系较好。
[0024] 图3是本实用新型实施例提供的输出禪合腔镜7倾斜扰动27"的激光器抽运电压与 输出脉冲能量的关系示意图，横坐标代表氣灯抽运电压，纵坐标为倍频输出能量单位为秒， 为53化m。腔内相位扰动时的情形，即将输出禪合腔镜7倾斜角度约27"，倾角采用自准直仪 进行测量，可见阔值抽运电压有了显著增加达到580V左右，运是因为F-P型腔对小的腔内相 位扰动十分灵敏，甚至较小的扰动量亦会使得腔内损耗迅速增大，调整精度要求较高。但采 用该结构光束发散角小，模体积较大，易获得高功率输出等优点。
[0025] 细致对比发现图3数据线性关系也不如完全共轴时图3情形，两组均采用最小二乘 数学算法进行数据拟合。
[00%]在本实验中输出光束首先经扩束准直后再经二元光学器件即微透镜阵列L2得到 按预定规律分布的光斑点阵，本实验中为22X22光斑点阵，进一步编写数值计算程序用模 式相位复原算法进行波前重构计算。图4为波前像差二维形貌分布，并计算出重要的评价激 光光束的PV值和RMS值:Ρν = 0.841λ，ΚΜ8 = 0.149λ"(为连续50帖图像采样并进行波前复原 计算后的平均值）；在使用衍射阵列透镜进行分光，进一步用数学算法进行波前复原，来进 行光束波前探测时，首先应当用标准光源对传感器进行标定，实验W前端光束质量好的化- 化气体激光为参考基准。从重构出的波前相位特性可见，分布已并非非均匀球面波，相位产 生了较多崎变，影响了激光器光束质量。产生运种原因主要有腔内YAG介质的热致应力双折 射、增益和倍频晶体热透镜效应、W及其它相位扰动因素如腔镜共轴调整存在误差及腔镜 受热变形等。
[0027]对实验结果进一步编程分析还可得到其它相应光束指标评价参量，如图6所示50 帖平均值PSF(点扩散函数)分布。可见由于光束相位崎变的影响，PSF函数偏离了理想平面 波Fraunhofer(夫巧禾费远场)衍射分布。实际上，本实验光腔的像散为其中典型像差之一， 一般而言腔镜本身几何加工误差、腔内腔镜离轴失调、机械调整架装夹应力等均可能带来 该像差。
[00%]实验也分析了波前中包含的动态崎变，如图7，从测得的典型Zernike像差系数Z3 (离焦像差)随时间变化关系知：由于激光器内相位扰动因素影响，输出模式Zernike崎变系 数曲线在平均值上下存在一定波动变化，经计算在20秒采样时间内，平均ZernAe离焦Z3系 数为一0.0855。相关数据采集处理模块采用Visual C++编程并进行了代码优化实现了实时 动态测量。实验中进一步解析出的ZernAe波前像差典型地还有:A4 = 0.035, As = -0.027,分 别为0/90°方向和45/135°方向的像散崎变。
[0029] 提出基于CCD测量按一定要求规律分布光斑强度点阵，进一步依据波前复原算法 来解析处光场相位分布的途径及实现方案。搭建实验装置精确分析了采用典型F-P谐振腔 的脉冲氣灯侧面抽运渗钦锭侣石恼石晶体激光器输出特性及相关光束模式特性参量，实验 表明该方法具有工作稳定迅速、效率高等优点，并可由重构波前进一步编程分析其它重要 光束质量特性指标。进一步若采用改进结构设计如增益板条结构、均匀面累浦、面冷却方式 改进等，进而减小一阶热效应如热透镜与热致应力双折射效应，并优化谐振腔结构。
[0030] W上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上 的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对W上实施例所做的任何简单修改，等同变化与 修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
【主权项】
1. 一种侧面抽运Nd: YAG晶体激光器调试与分析新装置，其特征在于，该侧面抽运Nd: YAG晶体激光器调试与分析新装置包括:氦氖激光器、第一谐振腔镜、Q调制开关、增益Nd: YAG晶体、侧面抽运脉冲Xe灯，谐波镜、谐波转换晶体、耦合输出腔镜、第一反射镜、第二反射 镜、扩束准直透镜、阵列分光透镜、图像传感器、数据处理计算机； 所述氦氖激光器的激光发射端安装有变密度衰减片，并可依据需要进行调节;氦氖激 光器后端为第一谐振腔镜，第一谐振腔镜的后端则安装有Q调制开关，Q调制开关的后端安 装有增益晶体，脉冲Xe灯及其聚光组件采用侧面抽运形式栗浦YAG增益晶体，增益晶体的后 端安装有谐波镜； 所述谐波镜的后端安装有谐波转换晶体;氦氖激光器、Q调制开关、增益晶体、谐波镜、 谐波转换晶体、耦合输出腔镜在同一共光轴水平面内；谐波转换晶体的后端安装有第一反 射镜，第一反射镜的光线反射端对应安装有第二反射镜，第二反射镜的光线反射端安装有 扩束准直透镜，扩束准直透镜的后端安装有阵列分光透镜，阵列分光透镜的后焦平面安装 有光电探测器如CCD，光电探测器经由图像采集卡进一步与数据处理计算机相连接。2. 如权利要求1所述的侧面抽运NchYAG晶体激光器调试与分析新装置，其特征在于，所 述谐波镜采用镀l〇64nm高透射和532nm高反射双膜系列的石英镜片精密设计，双膜系列均 为多层介质膜。
【文档编号】H01S3/0943GK205483490SQ201620030809
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月13日
【发明人】张翔
【申请人】成都信息工程大学