一種基于面積法測量脈沖激光器激光損耗的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于固體激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種使用光電探測器、脈沖電流鉗、示波器等 器件，通過面積法準(zhǔn)確測量和計(jì)算脈沖激光器激光損耗的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光損耗是衡量激光模塊的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)。激光器產(chǎn)生激光的前提是能級間 產(chǎn)生粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布，由于光波在實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生損 耗，只有當(dāng)增益的能量可以補(bǔ)償損耗的能量，才可能產(chǎn)生激光，所以損耗與增益的關(guān)系對激 光的產(chǎn)生起到至關(guān)重要的作用。因此，準(zhǔn)確的測量激光損耗是實(shí)現(xiàn)激光的產(chǎn)生以及實(shí)現(xiàn)各 種激光技術(shù)途徑的前提條件。
[0003] 目前所采用的測量脈沖激光器激光損耗的方法為固體激光工程中介紹的 Findlay-Clay分析法。該方法主要利用反射率不同的輸出鏡，測量不同注入能量下的激光 能量，通過數(shù)據(jù)擬合計(jì)算泵浦閾值，再通過輸出鏡反射率與泵浦閾值的關(guān)系，求解出激光損 耗。Findlay-Clay分析法還需要改變諧振腔的腔型結(jié)構(gòu)，這對于實(shí)驗(yàn)條件一致性的要求非 常高，不可避免的會(huì)帶來一定的實(shí)驗(yàn)誤差。因此，為了使測量和計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，需要 改進(jìn)上述測量方法，設(shè)計(jì)一種能夠準(zhǔn)確測量和計(jì)算脈沖激光器激光損耗的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種能夠準(zhǔn)確測量和計(jì)算脈沖激光器激光損耗的方法，解 決現(xiàn)有方法所存在的測量和計(jì)算結(jié)果的誤差。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：測量脈沖激光器激光損耗的新方法，光路整體結(jié)構(gòu) 包括：激光工作物質(zhì)1 ;抽運(yùn)模塊2 ;全反鏡3和輸出鏡8,兩者構(gòu)成激光諧振腔；激光器電 源5。輸出激光之后對于激光的測量部分主要用到的器件包括：脈沖電流鉗4 ;光電探測器 7 ;示波器6。其主要特征表現(xiàn)為：應(yīng)用脈沖電流鉗測量泵浦源泵浦能量情況，并與示波器任 一通道相連，可以在示波器上直觀檢測到泵浦能量波形。利用光電探測器具有響應(yīng)快、響應(yīng) 靈敏的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確測量激光建立時(shí)間。正是由于激光器存在臨界振蕩條件，只有當(dāng)粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)的激活介質(zhì)中增益至少能夠補(bǔ)償損耗，這樣才能形成激光振蕩，調(diào)節(jié)示波器，在示 波器上必然會(huì)形成相互之間存在延遲的兩個(gè)脈沖波形，一個(gè)為泵浦源泵浦能量波形，一個(gè) 為輸出激光脈沖能量波形，這里我們創(chuàng)造性的提出了延遲部分的面積即可以代表激光損耗 值。
[0006] 本發(fā)明的測試原理如下： 激光模塊增益與泵浦能量密切相關(guān)，小信號增益可以表述為
上式Ct為激光受激發(fā)射截面，遍為光子能量，猶為晶體抽運(yùn)體積，忍為抽運(yùn)功率，I:抽 運(yùn)時(shí)間，P為轉(zhuǎn)化效率。
[0007] 泵浦波形可以視為任意波形，激光泵浦能量可以通過積分進(jìn)行表示：
下面我們用符號4表示示波器縱坐標(biāo)的幅值，橫坐標(biāo)表示的是泵浦時(shí)間I:，泵浦功率與 示波器幅值之間存在如下關(guān)系式
其中泛表示泵浦功率和示波器幅值之間的比例系數(shù)，那么我們可以用脈沖波形在示波 器的面積表示激光泵浦能量
采用輸出鏡反射率矣時(shí)，激光建立時(shí)間為4，采用輸出鏡反射率矣時(shí)，激光建立時(shí)間 為g，激光晶體長度為i，激光開始振蕩時(shí)，應(yīng)滿足下面關(guān)系，即
其中€表示的是輸出鏡反射率為@時(shí)，延遲時(shí)間h范圍內(nèi)泵浦能量波形和輸出激光 脈沖能量波形的面積；表示的是輸出鏡反射率為巧_時(shí)，延遲時(shí)間％:.范圍內(nèi)泵浦能量波 形和輸出激光脈沖能量波形的面積；實(shí)驗(yàn)中，需要測量兩種輸出鏡反射率情況下激光的延 遲時(shí)間，而這個(gè)延遲時(shí)間可以通過示波器準(zhǔn)確讀出，通過積分計(jì)算示波器中波形的面積，帶 入公式（10)進(jìn)行計(jì)算，可以計(jì)算出激光損耗。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：（1)本發(fā)明不需測量不同輸出鏡反射率條件下的激光閾值并進(jìn) 行數(shù)據(jù)擬合進(jìn)而求出激光損耗，避開了大量的實(shí)驗(yàn)測試過程。（2)本發(fā)明不需要更換多組反 射率不同的輸出鏡以及改變諧振腔腔型結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，避免了實(shí)驗(yàn)條件的改變所造成的實(shí) 驗(yàn)測試結(jié)果的誤差。（3)本發(fā)明將激光損耗與示波器中泵浦波形的面積相對應(yīng)，泵浦能量脈 沖波形和激光脈沖波形的延遲時(shí)間可以從示波器中準(zhǔn)確讀出，而對于激光損耗大小的準(zhǔn)確 數(shù)值只需要計(jì)算兩組輸出鏡反射率情況下延遲時(shí)間范圍內(nèi)脈沖波形的面積，然后帶入推倒 的公式（10)進(jìn)行求解。因此，本發(fā)明是實(shí)現(xiàn)激光損耗準(zhǔn)確計(jì)算的一個(gè)有效方法。
【附圖說明】
[0009] 圖1 :為激光建立時(shí)間測試方案示意圖。
[0010] 圖2 :為光電探測器和脈沖電流鉗的采集結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0012] 圖1所示的是激光建立時(shí)間測試方案示意圖。實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用到的器件為LD側(cè)面 泵浦脈沖Nd:YAG激光器，輸出波長為1064nm，包括：激光工作物質(zhì)1，抽運(yùn)模塊2,全反鏡3 和輸出鏡8,兩者構(gòu)成激光諧振腔，激光器電源5 ;輸出激光之后對于激光的測量部分主要 用到的器件包括：脈沖電流鉗4,光電探測器7,示波器6。通過選用兩組反射率不同的輸出 鏡進(jìn)行激光調(diào)試實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光效果達(dá)到最佳時(shí)，將光電探測器7與示波器6任一通道相連， 為了避免激光損傷光電探測器7,應(yīng)將光電探測器7放置在激光輸出端的一個(gè)側(cè)面進(jìn)行激 光脈沖的采集。脈沖電流鉗4與示波器6任一通道相連，鉗頭部分鉗入激光器電源與激光 器之間的正極連接線或負(fù)極連接線任一條連接線均可，測量激光電源輸出能量波形。通過 調(diào)節(jié)示波器進(jìn)行波形比較，判斷激光建立時(shí)間蒙。
[0013] 圖2所示的就是脈沖電流鉗4和光電探測器7的采集結(jié)果示意圖。調(diào)節(jié)示波器6， 我們可以觀察到兩個(gè)脈沖波形分別表示為9和10。這里，9表示的就是脈沖電流鉗4所檢 測到的泵浦源能量的脈沖波形，此波形可以代表方波也可以表示任意波形。10表示的是光 電探測器7所檢測到的脈沖激光能量波形。想要產(chǎn)生激光其中一個(gè)必要條件就是激光增益 大于損耗。當(dāng)泵浦源對工作物質(zhì)進(jìn)行泵浦的時(shí)候，需要一段時(shí)間建立激光振蕩，即延遲時(shí)間 t，接著求出兩組輸出鏡反射率不同情況下，示波器6內(nèi)延遲時(shí)間t范圍9和10之間圖形的 面積。對于面積的求解，首先需要保存示波器波形，可以得到示波器波形任意一點(diǎn)的橫縱坐 標(biāo)；其次根據(jù)這些點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，我們可以得到延遲時(shí)間?范圍內(nèi)泵浦源能量的脈沖波形幅 值F和時(shí)間I:的函數(shù)關(guān)系，通過積分這段函數(shù)我們就可以得到范圍9和10之間圖形的面積； 最后將得到的面積帶入推導(dǎo)公式（10)，即可更加精準(zhǔn)的求出激光損耗。
[0014] 特別指出，圖2所示的脈沖電流鉗4所檢測到的泵浦源能量的脈沖波形9,若是方 波的情況下，根據(jù)公式（7)和（8)可以得到損耗i的表達(dá)式：
從公式（12)可以看出，泵浦源能量的脈沖波形為方波的情況下，我們只需改變兩組輸 出鏡反射率進(jìn)行測量，用示波器6測量脈沖9和10之間的延遲時(shí)間·和％，即可求出激光 ：： 損耗i的準(zhǔn)確值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于面積法測量脈沖激光器激光損耗的方法，其特征表現(xiàn)為如下步驟： (1) 運(yùn)用脈沖電流鉗測量激光器泵浦電源，并與示波器任一通道相連，通過示波器得到 泵浦源脈沖能量波形。 (2) 運(yùn)用光電探測器探測輸出激光，并與示波器任一通道相連，通過示波器得到輸出激 光的脈沖能量波形。 (3) 通過上述兩個(gè)步驟從示波器中讀取激光建立時(shí)間即泵 浦源脈沖能量波形和輸出激光的脈沖能量波形之間的延遲時(shí)間 (4) 通過積分計(jì)算延遲時(shí)間范圍內(nèi)脈沖波形的面積，帶入所推倒的公式即可以求出脈 沖激光器激光損耗。2. 依據(jù)權(quán)利要求1中基于面積法測量脈沖激光器激光損耗的方法，其特征在于：此測 量方法應(yīng)用的激光器類型為脈沖激光器。3. 依據(jù)權(quán)利要求1中基于面積法測量脈沖激光器激光損耗的方法，其特征在于：泵浦 源提供的脈沖能量波形可以是任意形狀。4. 依據(jù)權(quán)利要求1中基于面積法測量脈沖激光器激光損耗的方法，其特征在于：泵浦 源提供的脈沖能量波形若是方波的情況，只需要從示波器中得到泵浦源脈沖能量波形和輸 出激光的脈沖能量波形之間的延遲時(shí)間，帶入所給的推導(dǎo)公式即可以求出激光損耗。
【專利摘要】一種基于面積法測量脈沖激光器激光損耗的方法。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用脈沖電流鉗測量泵浦源泵浦能量情況，并與示波器任一通道相連，可以在示波器上直觀檢測到泵浦源的泵浦波形。應(yīng)用光電探測器測量輸出激光，并與示波器任一通道相連，可以在示波器上直觀檢測到輸出激光的能量波形。兩者之間存在著延遲時(shí)間，這里我們提出延遲時(shí)間范圍內(nèi)脈沖波形之間的面積即可以表示激光損耗。
【IPC分類】G01M11/02
【公開號】CN105606339
【申請?zhí)枴緾N201410608067
【發(fā)明人】王超, 金光勇, 韓金樑, 董淵, 吳春婷
【申請人】長春理工大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2014年11月3日