一種圓棒晶體球形端面球心位置檢測方法

劉海強，汪正進，常 坤

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

?

一種圓棒晶體球形端面球心位置檢測方法

劉海強，汪正進，常 坤

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

固體激光器中，激光晶體的加工工藝會對輸出光整體質(zhì)量產(chǎn)生影響，針對圓棒晶體球形端面球心位置偏離中心軸的缺陷，提出一種晶體端面球心位置測量方法.通過理論分析測試光路傳輸矩陣，求解球形端面反射光的位置與角度關(guān)系，得到圓棒晶體球形端面球心位置與入射光高度及球形端面反射光斑位置間的關(guān)系。實驗獲得測試光在晶體端面不同入射高度時光闌上球形端面反射光斑距離通光孔的距離，計算球形端面球心位置與中心軸的偏離量。對兩種規(guī)格4根晶體進行測量，2根φ3晶體與中心軸的垂直距離分別為2.55 mm、1.1 mm，2根φ4晶體與中心軸的垂直距離為3.25 mm、0.9 mm，分析了晶體球形端面球心位置工藝誤差產(chǎn)生的原因。

激光器；固體激光器；激光晶體；端面形變

引言

在激光技術(shù)飛速發(fā)展的幾十年中，固體激光器在軍事、科研、航空、航天等領(lǐng)域已發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。同時，激光器輸出功率、光束質(zhì)量、重復(fù)頻率、轉(zhuǎn)換效率等性能指標也得到了很大提高[4]。對二極管泵浦固體激光器而言，其性能取決于泵浦源功率、晶體生長水平、脈沖重復(fù)頻率、倍頻效率、熱管理水平等因素，而激光晶體的加工工藝也會對激光光束質(zhì)量、模式匹配、轉(zhuǎn)換效率等產(chǎn)生影響[5-6]。

在激光器的調(diào)試過程中，其他條件都相同時，圓棒激光晶體球形端面球心位置會對輸出光性能產(chǎn)生重要影響。端面球心位置與中心軸的偏差限制了激光器性能的發(fā)揮，同時也給激光器的調(diào)試帶來困難，球形端面球心位置越偏離中心軸，輸出光質(zhì)量越差。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前國內(nèi)外尚無晶體棒球形端面球心位置與激光器性能關(guān)系的研究報道，也缺少晶體端面球心位置測量的相關(guān)報道。因此，本文提出圓棒狀激光晶體球形端面球心位置的檢測方法，將對固體激光器模式理論以及激光晶體生長工藝的研究具有參考價值[5-10]。

1 圓棒晶體球形端面球心位置檢測方法

圖1為利用He-Ne光進行圓棒晶體球形端面球心位置測量的光路圖，波長632.8 nm的測試光經(jīng)光闌通光孔后，進入由熱沉所加持的Nd∶YAG晶體，晶體前端面為平面端面，后端面為球形端面。調(diào)節(jié)光闌與晶體平面端面距離，調(diào)節(jié)方位角與俯仰角使入射光與晶體光軸平行。晶體平面端面反射的測試光與入射光重合，球形端面反射的測試光于光闌通光孔旁形成一光斑。調(diào)節(jié)調(diào)整架高度，使測試光由晶體上邊沿入射，旋轉(zhuǎn)晶體棒使球形端面反射光斑位于光闌通光孔正下方，如圖2所示。

圖1 測量系統(tǒng)光路圖Fig.1 Light path of measurement system

圖2 球形端面反射光斑與光闌Fig.2 Light spot of spherical end face and aperture

調(diào)節(jié)調(diào)整架使晶體棒平行升高，進入晶體的測試光由晶體上邊沿向下邊沿移動，光闌上球形端面反射光斑向光闌通光孔方向移動。當測試光移動時，觀察光闌上球形端面反射光斑，若球形端面反射光斑經(jīng)過光闌通光孔一次，說明球形端面球心位置與晶體中心軸的垂直距離小于晶體半徑r，如圖3所示；若球形端面反射光斑僅朝著光闌通光孔移動，但未經(jīng)過通光孔，則說明球形端面球心位置與晶體中心軸的垂直距離大于晶體半徑，如圖4所示。

圖3 球形端面球心位置位于晶體延伸線內(nèi)Fig.3 Center position of spherical end face is located within extension line of crystal

圖4 球形端面球心位置位于晶體延伸線外Fig.4 Center position of spherical end face is located outside extension line of crystal

1.1 端面球心位置與晶體中心軸垂直距離小于晶體半徑

圖5為端面球心位置與晶體中心軸距離小于晶體半徑的兩種情況，此時光闌上平面反射光斑與球面反射光斑均通過光闌通光孔，R為球形端面曲率半徑，y為測試光離開晶體上邊沿的距離。圖5(a)中，yr，則端面球心位置與晶體中心軸的垂直距離為y-r。因此，當球形端面球心位置與晶體中心軸距離小于晶體半徑時，球心位置距離中心軸為|r-y|。

圖5 球心位置與晶體棒中心軸的位置關(guān)系Fig.5 Relationship between center position and center axis of crystal

1.2 端面球心位置與晶體中心軸垂直距離大于晶體半徑

圖6為球形端面球心位置與晶體中心軸垂直距離大于晶體半徑時的光路圖。測試光由晶體平面端進入晶體，經(jīng)過球形端面反射后以入射角θ在平面端面發(fā)生折射，θ′為折射角，出射晶體后于光闌A點形成一光斑。光闌與晶體距離d、晶體長度l、球形端面球心位置O距離晶體下邊沿垂直距離為y′。

圖6 球心位置位于晶體外部時的光路圖Fig.6 Light path when center position is located outside extension line of crystal

圖7 球心偏離中心軸對反射角的影響Fig.7 Influence on reflection angle when center position deviates from center axis

(1)

光線2為球心位置偏離中心軸延長線，位于O′時的球形端面反射光，反射角θ=sin-1(|-2(2r-y+y′)|/R)，由折射定律sinθ·n2=sinθ′·n1可得到：

sinθ′= (n2/n1)·sinθ=(n2/n1)·

|-2(2r-y+y′)|/R

(2)

(3)

2 實驗測量

實驗針對現(xiàn)有φ3、φ4兩種規(guī)格各2根Nd∶YAG晶體進行測量，φ3晶體長10 mm、球形端面曲率半徑為500 mm；φ4晶體長20 mm、球形端面曲率半徑為500 mm。實驗中，取光闌與晶體前端面距離為800 mm、空氣折射率n1為1、晶體折射率n2為1.82。

圖8 測量光路圖Fig.8 Light path diagram of experimental measurement

對φ3晶體進行測量，調(diào)節(jié)調(diào)整架使測試光從晶體上邊沿通過，則測試光距離晶體上邊沿距離y為0，記錄光斑與光闌距離Y；調(diào)節(jié)晶體高度，當y為1.5mm、3mm時，記錄Y，用公式(3)計算得球心與晶體下邊沿y′及中心軸y′+r的距離，并將3次取值y′+r取平均，得球心與晶體中心軸的垂直偏差為2.55mm。換另一根φ3晶體，當y為2.6mm時，球形端面反射光斑通過光闌通光孔，則球心距離晶體中心軸的距離為1.1mm。同樣，當y為0、1mm、2mm、3mm、4mm時，對2根φ4晶體進行測量，可得端面球心位置與中心軸的垂直距離為3.25mm、0.9mm。

表1 φ3和φ4晶體實驗數(shù)據(jù)

值得注意的是，若要進一步提高檢測精度，可使測試光在晶體端面多個高度位置入射，也可對反射光斑采集放大后進行測量。另一方面，實際中造成晶體球形端面球心位置與晶體中心軸偏離的誤差可能與球面研磨過程中晶體中心軸與研磨機球面中心的偏離以及研磨系統(tǒng)的機械振動有關(guān)。對于測量結(jié)果誤差的詳細分析則需要對端面加工與測試方面的大量數(shù)據(jù)進行分析研究，以確定各類誤差的影響。

3 結(jié)論

二極管泵浦固體激光器中，圓棒晶體球形端面球心位置是影響激光器輸出功率、光束質(zhì)量等的重要因素。本文提出了一種圓棒晶體球形端面球心位置的測量方法，進行了理論計算。通過實驗對兩種規(guī)格4根圓棒Nd∶YAG晶體端面球心位置與中心軸的偏離量進行了測量計算。研究表明：實際的晶體棒存在端面加工時的誤差，考慮到端面球心位置關(guān)于中心軸的偏離以及平面端面與晶體中心軸的非理想垂直等會影響到激光器的整體工作性能，有必要在晶體加工誤差對激光器性能的影響以及晶體加工工藝的改進方面給予相應(yīng)的研究。

[1] Shen Zicai, Cui Yun, Niu Jinchao. Applications and countermeasures of laser technology in space engineering[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(10): 2703-2711. 沈自才, 崔云, 牛錦超. 激光技術(shù)在航天工程中的應(yīng)用及對策[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(10): 2703-2711.

[2] Gao Minghui, Zheng Yuquan, Wang Zhihong.Development of space-based laser weapon systems[J].Chinese Optics, 2013(6):810-817. 高明輝, 鄭玉權(quán), 王志宏. 天基激光武器系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國光學, 2013(6):810-817.

[3] Han Xuebing, Wu Xueyan, Dai Lei. Analysis of chinese solid state laser situation and development based on patent[J]. Journal of Modern Information, 2014,34(1) :132-136. 韓雪冰,吳學彥,戴磊. 基于專利分析的我國固體激光器領(lǐng)域現(xiàn)狀與發(fā)展對策研究[J]. 現(xiàn)代情報, 2014, 34(1): 132-136.

[4] Lian Tianhong, Wang Shiyu，Liu Guorong, et al. 1 W Nd-YAG single-longitudinal-mode ring laser usingacousto-optic modulator[J]. Journal of Applied Optics, 2014, 35(2): 332-335. 連天虹, 王石語, 劉國榮, 等. 用聲光調(diào)制器實現(xiàn)的1W Nd:YAG單縱模環(huán)形激光器[J].應(yīng)用光學,2014, 35(2): 332-335.

[5] Hou Jing, Wang Hongxiang, Liao Defeng, et al. Manufacturing process of high-power laser crystals[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014， 26(7) : 072010. 侯晶, 王洪祥, 廖德鋒， 等. 高功率激光晶體加工技術(shù)的研究[J]. 強激光與粒子束, 2014,26(7):072010.

[6] Liu Chang, Cao Zexin, Liu Ling, et al. Thermal lens focal length measurement of grinding extremity Nd: YAG laser rod[J]. Journal of Shenyang Normal University: Natural Science, 2012,30(1):45-47. 劉暢, 曹澤新, 劉玲, 等. 端面研磨Nd:YAG晶體棒熱透鏡焦距測量[J].沈陽師范大學學報：自然科學版, 2012, 30(1): 45-47.

[7] Fan Shenghong, Liu Changru, Qi Xiaotong, et al. Accuracy analysis and verification of structured light 3D measurement system[J]. Opto-Electronic Engineering, 2014,41(5):52-56. 范生宏, 劉昌儒, 亓曉彤, 等. 結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)精度分析及驗證[J].光電工程, 2014,41(5):52-56.

[8] Zhu Defang, Zhang Zhen, Zhang Lihai. A kind of multi-detecting module height-angle finding system[J]. Opto-Electronic Engineering, 2014,41(11):68-72. 諸德放, 張真, 張立海. 一種多元激光探測器測高測角體制[J].光電工程, 2014,41(11):68-72.

[9] Liu Yang, Xu Wendon, Zhao Chengqiang, et al. A detecting system of sapphire internal defects based on laser light scattering tomography[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(9):0902007. 劉洋, 徐文東, 趙成強, 等. 基于激光光散射層貌術(shù)的藍寶石內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)[J].中國激光, 2014, 41(9):0902007.

[10] Lian Tianhong, Wang Shiyu, Cai Defang, et al. High repetition rate, high peak power, pulsed single-longitudinal-mode Nd:YAG laser by self-injection-seeding[J]. Optics Communications, 2014, 323: 154-161.

Method for testing center position of spherical end face in round rod crystal

Liu Haiqiang，Wang Zhengjin，Chang Kun

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

In solid-state laser, the processing technology of laser crystal has an important impact on the total quality of the output laser. For the defects of the deviation of the center position of spherical end face from the central axis in round rod crystal, a method for testing the center position of spherical end face was put forward. Through theoretical calculation of the transmission matrix in the optical path and solving the changes in position and angle of the reflection light, the relationship between deviation of the center position from the central axis and the distance from the spot position to the hole of the aperture was obtained. In experiment the distance from the spot position to the hole of the aperture was measured when the testing laser was debugged to the different positions on the plane surface of the crystal. And the deviation of the center position of the spherical end-face on the central axis of the crystal was calculated at last. The center positions of spherical end face were tested for two different kinds of crystals. The vertical distances of the center position of spherical to the central axis for twoφ3 crystals are 2.55 mm and 1.1 mm, and 3.25 mm and 0.9 mm for twoφ4 crystals. Moreover, the possible cause of the error was analyzed.

lasers; solid-state laser; laser crystals; end-face deflection

1002-2082(2015)02-0282-05

2014-11-03；

2015-01-12

西安科技大學啟動金項目(2013QDJ044)

劉海強(1983-)，男，陜西寶雞人，博士，講師，主要從事二極管抽運固體激光器方面的研究工作。

E-mail：liuhaiqiang001@163.com

TN248.1

A

10.5768/JAO201536.0205001