一种圆棒晶体球形端面球心位置检测方法
2015-06-10刘海强汪正进
刘海强，汪正进，常 坤
(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)
一种圆棒晶体球形端面球心位置检测方法
刘海强，汪正进，常 坤
(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)
固体激光器中，激光晶体的加工工艺会对输出光整体质量产生影响，针对圆棒晶体球形端面球心位置偏离中心轴的缺陷，提出一种晶体端面球心位置测量方法.通过理论分析测试光路传输矩阵，求解球形端面反射光的位置与角度关系，得到圆棒晶体球形端面球心位置与入射光高度及球形端面反射光斑位置间的关系。实验获得测试光在晶体端面不同入射高度时光阑上球形端面反射光斑距离通光孔的距离，计算球形端面球心位置与中心轴的偏离量。对两种规格4根晶体进行测量，2根φ3晶体与中心轴的垂直距离分别为2.55 mm、1.1 mm，2根φ4晶体与中心轴的垂直距离为3.25 mm、0.9 mm，分析了晶体球形端面球心位置工艺误差产生的原因。
激光器；固体激光器；激光晶体；端面形变
引言
在激光技术飞速发展的几十年中，固体激光器在军事、科研、航空、航天等领域已发挥着越来越重要的作用[1-3]。同时，激光器输出功率、光束质量、重复频率、转换效率等性能指标也得到了很大提高[4]。对二极管泵浦固体激光器而言，其性能取决于泵浦源功率、晶体生长水平、脉冲重复频率、倍频效率、热管理水平等因素，而激光晶体的加工工艺也会对激光光束质量、模式匹配、转换效率等产生影响[5-6]。
在激光器的调试过程中，其他条件都相同时，圆棒激光晶体球形端面球心位置会对输出光性能产生重要影响。端面球心位置与中心轴的偏差限制了激光器性能的发挥，同时也给激光器的调试带来困难，球形端面球心位置越偏离中心轴，输出光质量越差。调研发现：目前国内外尚无晶体棒球形端面球心位置与激光器性能关系的研究报道，也缺少晶体端面球心位置测量的相关报道。因此，本文提出圆棒状激光晶体球形端面球心位置的检测方法，将对固体激光器模式理论以及激光晶体生长工艺的研究具有参考价值[5-10]。
1 圆棒晶体球形端面球心位置检测方法
图1为利用He-Ne光进行圆棒晶体球形端面球心位置测量的光路图，波长632.8 nm的测试光经光阑通光孔后，进入由热沉所加持的Nd∶YAG晶体，晶体前端面为平面端面，后端面为球形端面。调节光阑与晶体平面端面距离，调节方位角与俯仰角使入射光与晶体光轴平行。晶体平面端面反射的测试光与入射光重合，球形端面反射的测试光于光阑通光孔旁形成一光斑。调节调整架高度，使测试光由晶体上边沿入射，旋转晶体棒使球形端面反射光斑位于光阑通光孔正下方，如图2所示。
图1 测量系统光路图Fig.1 Light path of measurement system
图2 球形端面反射光斑与光阑Fig.2 Light spot of spherical end face and aperture
调节调整架使晶体棒平行升高，进入晶体的测试光由晶体上边沿向下边沿移动，光阑上球形端面反射光斑向光阑通光孔方向移动。当测试光移动时，观察光阑上球形端面反射光斑，若球形端面反射光斑经过光阑通光孔一次，说明球形端面球心位置与晶体中心轴的垂直距离小于晶体半径r，如图3所示；若球形端面反射光斑仅朝着光阑通光孔移动，但未经过通光孔，则说明球形端面球心位置与晶体中心轴的垂直距离大于晶体半径，如图4所示。
图3 球形端面球心位置位于晶体延伸线内Fig.3 Center position of spherical end face is located within extension line of crystal
图4 球形端面球心位置位于晶体延伸线外Fig.4 Center position of spherical end face is located outside extension line of crystal
1.1 端面球心位置与晶体中心轴垂直距离小于晶体半径
图5为端面球心位置与晶体中心轴距离小于晶体半径的两种情况，此时光阑上平面反射光斑与球面反射光斑均通过光阑通光孔，R为球形端面曲率半径，y为测试光离开晶体上边沿的距离。图5(a)中，y
图5 球心位置与晶体棒中心轴的位置关系Fig.5 Relationship between center position and center axis of crystal
1.2 端面球心位置与晶体中心轴垂直距离大于晶体半径
图6为球形端面球心位置与晶体中心轴垂直距离大于晶体半径时的光路图。测试光由晶体平面端进入晶体，经过球形端面反射后以入射角θ在平面端面发生折射，θ′为折射角，出射晶体后于光阑A点形成一光斑。光阑与晶体距离d、晶体长度l、球形端面球心位置O距离晶体下边沿垂直距离为y′。
图6 球心位置位于晶体外部时的光路图Fig.6 Light path when center position is located outside extension line of crystal
图7 球心偏离中心轴对反射角的影响Fig.7 Influence on reflection angle when center position deviates from center axis
(1)
光线2为球心位置偏离中心轴延长线，位于O′时的球形端面反射光，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 实验测量
实验针对现有φ3、φ4两种规格各2根Nd∶YAG晶体进行测量，φ3晶体长10 mm、球形端面曲率半径为500 mm；φ4晶体长20 mm、球形端面曲率半径为500 mm。实验中，取光阑与晶体前端面距离为800 mm、空气折射率n1为1、晶体折射率n2为1.82。
图8 测量光路图Fig.8 Light path diagram of experimental measurement
对φ3晶体进行测量，调节调整架使测试光从晶体上边沿通过，则测试光距离晶体上边沿距离y为0，记录光斑与光阑距离Y；调节晶体高度，当y为1.5mm、3mm时，记录Y，用公式(3)计算得球心与晶体下边沿y′及中心轴y′+r的距离，并将3次取值y′+r取平均，得球心与晶体中心轴的垂直偏差为2.55mm。换另一根φ3晶体，当y为2.6mm时，球形端面反射光斑通过光阑通光孔，则球心距离晶体中心轴的距离为1.1mm。同样，当y为0、1mm、2mm、3mm、4mm时，对2根φ4晶体进行测量，可得端面球心位置与中心轴的垂直距离为3.25mm、0.9mm。
表1 φ3和φ4晶体实验数据
值得注意的是，若要进一步提高检测精度，可使测试光在晶体端面多个高度位置入射，也可对反射光斑采集放大后进行测量。另一方面，实际中造成晶体球形端面球心位置与晶体中心轴偏离的误差可能与球面研磨过程中晶体中心轴与研磨机球面中心的偏离以及研磨系统的机械振动有关。对于测量结果误差的详细分析则需要对端面加工与测试方面的大量数据进行分析研究，以确定各类误差的影响。
3 结论
二极管泵浦固体激光器中，圆棒晶体球形端面球心位置是影响激光器输出功率、光束质量等的重要因素。本文提出了一种圆棒晶体球形端面球心位置的测量方法，进行了理论计算。通过实验对两种规格4根圆棒Nd∶YAG晶体端面球心位置与中心轴的偏离量进行了测量计算。研究表明：实际的晶体棒存在端面加工时的误差，考虑到端面球心位置关于中心轴的偏离以及平面端面与晶体中心轴的非理想垂直等会影响到激光器的整体工作性能，有必要在晶体加工误差对激光器性能的影响以及晶体加工工艺的改进方面给予相应的研究。
[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, 牛锦超. 激光技术在航天工程中的应用及对策[J]. 红外与激光工程, 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. 高明辉, 郑玉权, 王志宏. 天基激光武器系统的发展[J].中国光学, 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. 韩雪冰,吴学彦,戴磊. 基于专利分析的我国固体激光器领域现状与发展对策研究[J]. 现代情报, 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. 连天虹, 王石语, 刘国荣, 等. 用声光调制器实现的1W Nd:YAG单纵模环形激光器[J].应用光学,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, 廖德锋， 等. 高功率激光晶体加工技术的研究[J]. 强激光与粒子束, 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. 刘畅, 曹泽新, 刘玲, 等. 端面研磨Nd:YAG晶体棒热透镜焦距测量[J].沈阳师范大学学报：自然科学版, 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, 刘昌儒, 亓晓彤, 等. 结构光三维测量系统精度分析及验证[J].光电工程, 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. 诸德放, 张真, 张立海. 一种多元激光探测器测高测角体制[J].光电工程, 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. 刘洋, 徐文东, 赵成强, 等. 基于激光光散射层貌术的蓝宝石内部缺陷检测系统[J].中国激光, 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
西安科技大学启动金项目(2013QDJ044)
刘海强(1983-)，男，陕西宝鸡人，博士，讲师，主要从事二极管抽运固体激光器方面的研究工作。
E-mail：liuhaiqiang001@163.com
TN248.1
A
10.5768/JAO201536.0205001
