一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法和装置，所述方法包括：确定波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型；确定或测量得到反演参数集；基于反演参数集中的反演参数以及波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，得到激光晶体热透镜焦距和球差。本发明专利技术的有益效果是：考虑了波前信息受热透镜焦距和球差共同影响的实际情况，得到更完整的波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，避免了对光束质量影响因素分析的不完整性，从而更有利于分析增益介质在工作状态下产生的热透镜效应和球差效应分布情况，为改善激光输出特性和完善谐振腔设计提供了有利依据。

Method and device for obtaining focal length and spherical aberration of thermal lens of laser crystal

The invention discloses a method and device for obtaining the focal distance and spherical aberration of a thermal lens of a laser crystal. The method includes: determining the inversion model between the wavefront information and the focal distance and the spherical aberration of the thermal lens of the laser crystal; determining or measuring the inversion parameter set; based on the inversion parameters and the wavefront information and the laser The thermal lens focal length and spherical aberration of the laser crystal are obtained by the inversion model between the thermal lens focal length and the spherical aberration. The beneficial effect of the invention is that the inversion model between the wavefront information and the thermal lens focal distance and spherical aberration of the laser crystal is taken into consideration, and the incompleteness of the analysis of the influence factors of the beam quality is avoided, thus it is more conducive to the analysis of the gain medium. The thermal lens effect and spherical aberration effect distribution under working conditions provide a favorable basis for improving the output characteristics of laser and improving the design of resonator.

【技术实现步骤摘要】
一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法和装置
本专利技术涉及激光器领域，特别是一种利用激光束的波前信息反演获取激光晶体热透镜焦距和球差的方法和装置。
技术介绍
激光晶体的热效应是影响激光器激光性能的重要因素，直接影响着激光谐振腔的稳定性、光束质量和输出功率等问题。激光器在工作状态下，一部分泵浦光转换成输出激光，另一部分在晶体内形成了热沉积，此时会产生温度梯度，温度梯度又导致了折射率梯度，因此会产生热透镜效应。激光经过热透镜后会发生波前畸变，所以热透镜不是理想的透镜，是含有球差的透镜。另外，当激光的泵浦功率由低到高时，激光晶体的热透镜焦距会逐渐变短，一方面会使谐振腔偏离稳定振荡条件而令激光器不稳定；另一方面会使得输出的激光光束质量恶化。因此，准确测量激光器热透镜的焦距和球差对于高稳定性、高光束质量激光器的设计是至关重要的。目前，公开报道的获取激光器热透镜的焦距和球差的方法主要是基于对焦距或球差某单一因素的考虑，没有考虑到激光器在工作时热透镜效应和球差效应同时存在、互相影响的事实，缺少影响因素的考虑使得对热效应影响的分析具有不完整性，不够全面准确。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在上述基础相关参量不完整的问题，本专利技术综合了二者共同对激光输出特性的不良影响，建立了波前信息与热透镜焦距和球差三者间的理论模型，提出了一种根据波前信息同时反演热透镜焦距和球差的方法和装置，本专利技术改善了对于影响光束质量考虑因素不足的问题，更准确的分析了热透镜效应和球差效应同时存在、同时作用的实际情况。根据本专利技术的一方面，提出一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法，所述方法包括以下步骤：步骤S1，确定波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，其中，所述波前信息包括Zernike球差系数CZer和光束质量因子M2；步骤S2，确定或测量得到反演参数集，所述反演参数集包括：热应力系数ε(γ)、波数k、晶体的半径r0、波长λ、基模发散角θ0、基膜束腰半径w0，以及波前信息；步骤S3，基于所述反演参数集中的反演参数以及所述波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，得到激光晶体热透镜焦距和球差。可选地，所述步骤S1进一步包括以下步骤：步骤S11，建立光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike球差之间的关系模型；步骤S12，确定基模束腰半径w0与激光晶体热透镜焦距f之间的关系模型w0(f)；步骤S13，考虑影响球差项的热应力系数ε(γ)，调整光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike球差之间的关系模型；步骤S14，确定波前信息Zernike球差系数CZer与激光晶体球差之间的反演模型；步骤S15，确定波前信息光束质量因子M2和Zernike球差系数CZer与激光晶体热透镜焦距之间的反演模型。可选地，所述步骤S11包括以下步骤：步骤S111，建立赛德尔像差与赛德尔球差系数之间的关系模型；步骤S112，建立赛德尔球差系数与Zernike球差系数之间的关系模型；步骤S113，建立光束质量因子M2与激光晶体热透镜焦距和Zernike球差之间的关系模型。可选地，所述光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike球差之间的关系模型表示为：其中，k为波数，λ表示波长，CZer表示Zernike球差系数，r0表示晶体的半径。可选地，基模束腰半径w0与激光晶体热透镜焦距f之间的关系模型w0(f)表示为：其中，λ表示波长，a、b用于表征光线入射参考面和出射参考面之间光学元件的近轴聚焦性质，g1和g2表示谐振腔几何参数因子。可选地，调整后的光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike球差之间的关系模型表示为：其中，k为波数，λ表示波长，ε(γ)表示热应力系数，CZer表示Zernike球差系数，r0表示晶体的半径。可选地，所述波前信息Zernike球差系数CZer与激光晶体球差之间的反演模型表示为：其中，Ccrystal表示激光晶体球差，δLi表示光学系统中各个透镜的球差值。可选地，所述波前信息光束质量因子M2和Zernike球差系数CZer与激光晶体热透镜焦距之间的反演模型表示为：其中，r0表示晶体的半径，k为波数，λ表示波长，ε(γ)表示热应力系数。根据本专利技术的另一方面，还提出一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的装置，所述装置包括：泵浦源、输入镜、第一全反镜、Nd:YVO4晶体、输出镜、第二全反镜、第三全反镜、衰减片、耦合透镜组、波前传感器，其中：所述输入镜、第一全反镜、Nd:YVO4晶体、输出镜、第二全反镜、第三全反镜、衰减片、耦合透镜组和波前传感器沿光路依次放置；所述泵浦源放置在所述第一全反镜的一侧，为其提供泵浦光源。可选地，所述波前传感器为哈特曼-夏克波前传感器。本专利技术的有益效果是：考虑了波前信息受热透镜焦距和球差共同影响的实际情况，得到更完整的光束质量与热透镜焦距和球差的内在关系，避免了对光束质量影响因素分析的不完整性，从而更有利于分析增益介质在工作状态下产生的热透镜效应和球差效应分布情况，为改善激光输出特性和完善谐振腔设计提供了有利依据。附图说明图1为根据本专利技术一实施例的一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法流程图；图2为根据本专利技术一实施例的一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的装置的结构示意图。图2中各附图标记所表示的含义为：1、泵浦源；2、输入镜；3、808nm全反镜一；4、Nd:YVO4晶体；5、输出镜；6、808nm全反镜二；7、1064nm全反镜；8、衰减片；9、耦合透镜组10、哈特曼-夏克波前传感器。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。根据本专利技术的一方面，提出一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：步骤S1，确定波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，其中，所述波前信息包括Zernike球差系数CZer和光束质量因子M2；所述步骤S1进一步包括以下步骤：步骤S11，建立光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike球差之间的关系模型；在本专利技术一实施例中，所述步骤S11，即建立光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和球差的关系模型的步骤包括以下步骤：步骤S111，建立赛德尔像差与赛德尔球差系数之间的关系模型；根据赛德尔初级像差理论，若只考虑初级球差的情况，像差函数沿径向的四次多项式，可表示为：W(r)＝C0+C2r2+C4r4(1)其中，W(r)表示赛德尔像差，C0为常数项；C2表示聚焦项；C4为赛德尔球差系数，可表征赛德尔球差的大小，r表示径向坐标(radialcoordinate)。步骤S112，建立赛德尔球差系数与Zernike球差系数之间的关系模型；由于Zernike多项式具有正交性和圆对称性，这和光斑的性质一致，所以本实施例使用Zernike多项式表示光学畸变。根据光斑的圆对称性，将直角坐标系转化为极坐标系，将光程差分布用Zernike多项式展开得到：其中，W(ρ,θ)表示光程差分布，ρ和θ为极坐标，n为径向阶数，m为角向阶数，m和n都是正整数，为极坐标形式下的n阶Zernike多项式，cnm为各阶赛德尔像差系数。在Zernike多项式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1，确定波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，其中，所述波前信息包括Zernike球差系数CZer和光束质量因子M2；步骤S2，确定或测量得到反演参数集，所述反演参数集包括：热应力系数ε(γ)、波数k、晶体的半径r0、波长λ、基模发散角θ0、基膜束腰半径w0，以及波前信息；步骤S3，基于所述反演参数集中的反演参数以及所述波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，得到激光晶体热透镜焦距和球差。

【技术特征摘要】
1.一种获取激光晶体热透镜的焦距及球差的方法，其特征在于，所述方法包括：步骤S1，确定波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，其中，所述波前信息包括Zernike球差系数CZer和光束质量因子M2；步骤S2，确定或测量得到反演参数集，所述反演参数集包括：热应力系数ε(γ)、波数k、晶体的半径r0、波长λ、基模发散角θ0、基膜束腰半径w0，以及波前信息；步骤S3，基于所述反演参数集中的反演参数以及所述波前信息与激光晶体热透镜焦距和球差之间的反演模型，得到激光晶体热透镜焦距和球差。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括以下步骤：步骤S11，建立光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike球差之间的关系模型；步骤S12，确定基模束腰半径w0与激光晶体热透镜焦距f之间的关系模型w0(f)；步骤S13，考虑影响球差项的热应力系数ε(γ)，调整光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike球差之间的关系模型；步骤S14，确定波前信息Zernike球差系数CZer与激光晶体球差之间的反演模型；步骤S15，确定波前信息光束质量因子M2和Zernike球差系数CZer与激光晶体热透镜焦距之间的反演模型。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S11包括以下步骤：步骤S111，建立赛德尔像差与赛德尔球差系数之间的关系模型；步骤S112，建立赛德尔球差系数与Zernike球差系数之间的关系模型；步骤S113，建立光束质量因子M2与激光晶体热透镜焦距和Zernike球差之间的关系模型。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述光束质量因子M2与激光晶体热透镜的焦距和Zernike...

【专利技术属性】
技术研发人员：董渊，金光勇，王启晗，于永吉，陈薪羽，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22