一種具有自檢測功能的雷射器及其自檢測方法與流程
2023-10-17 00:20:39
本發明涉及雷射器的探測技術領域，特別涉及一種具有自檢測功能的雷射器及其自檢測方法。
背景技術：
光纖雷射器中的增益介質-玻璃光纖在產生雷射過程中會不可避免地發熱，而增益介質的溫度升高會導致作為玻璃中間體的鹼金屬離子發生活化遷移，導致雷射器內部微結構變化，進而影響雷射性能，如雷射損傷閾值和穩定性等。並且雷射器中溫度的實時探測對於了解器件的工作情況至關重要。因此，雷射器中溫度和離子活化遷移的探測具有重要的實際應用意義。
傳統雷射器的溫度探測主要利用外部的測試儀器，通過接觸式溫度探測，在元器件表面附著熱電偶，利用熱勢差推斷出器件所處環境的溫度。但是反覆加熱過程中會對熱電偶產生一定的損耗，進而影響溫度探測的準確性，且有些密閉器件不易裝熱電偶，一旦熱電偶損壞後也難以維修。而具有自檢測功能的雷射器能夠實時原位進行溫度探測，具有一定的優越性。
目前利用外部儀器設備對雷射器中增益介質(一般是含有鹼金屬離子的玻璃光纖)的離子活化遷移進行探測是十分困難的，因為這需要儀器能夠原位探測材料在升溫的情況下內部離子活化遷移的行為。通常可採用添加有高溫附件的交流阻抗測試，但依據雙電層之間的電容率，只能夠探測氧離子長程遷移；具有高溫附件的X射線衍射設備，由於離子較低的衍射因子，也不能夠給出離子活化遷移的具體信息，目前相對可用的是中子衍射，但是此類設備屬於國家級別的科研設備，基本上不能用於日常的檢測。雖然內耗譜能夠給出一些離子活化遷移的信息，但是它測試時需要事先將樣品做成特定形狀大小。而且這些手段都不能在器件中原位探測，只能以玻璃材料的形式來作檢測。
技術實現要素：
為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在於提供一種具有自檢測功能的雷射器，能夠直接實時原位檢測溫度以及是否具有離子活化遷移(內部微結構變化)，從而實時監測雷射器的工作狀態，避免因為溫度過高或者材料結構破壞導致雷射器損壞，並且不需要再藉助其他外部儀器，方便快捷。
本發明的另一目的在於提供上述具有自檢測功能的雷射器的自檢測方法。
本發明的目的通過以下技術方案實現：
一種具有自檢測功能的雷射器，包括泵浦源、光學諧振腔及位於光學諧振腔內的工作介質，所述工作介質為共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料；其中以稀土離子Yb3+作為敏化離子，以稀土離子Er3+作為激活離子。
所述共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料的組分包括：
K2O，10～20mol％；
BaO，10～20mol％；
Al2O3，1.0～10.0mol％；
La2O3，1.0～10.0mol％；
Yb2O3，1.0～5.0mol％；
Er2O3，0.5～5.5mol％；
P2O5，餘量。
所述的具有自檢測功能的雷射器的自檢測方法，包括以下步驟：
(1)以與具有自檢測功能的雷射器的工作介質組分相同的共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料為參比樣品，用980nm半導體雷射泵浦，測試參比樣品在不同溫度下的上轉換發射光譜，所述上轉換發射光譜具有三個發射峰，分別為525nm處的綠光發射峰，550nm處的綠光發射峰以及660nm處的紅光發射峰；計算525nm處的綠光發射峰的積分強度I525與550nm處的綠光發射峰的積分強度I550的比值的對數Ln(I525/I550)；以Ln(I525/I550)為縱坐標，絕對溫度的倒數為橫坐標，分別得到Ln(I525/I550)參考標準線；
(2)用980nm半導體雷射泵浦具有自檢測功能的雷射器，在光學諧振腔側邊即光纖截面方向檢測其在工作狀態時的上轉換發射光譜，計算其Ln(I525/I550)的值；
(3)檢測雷射器的溫度：在步驟(1)的Ln(I525/I550)參考標準線找到步驟(2)計算得到的Ln(I525/I550)的值對應的溫度點，該溫度即為此時雷射器的溫度。
所述的具有自檢測功能的雷射器的自檢測方法，還包括檢測雷射器中的工作介質是否發生離子活化遷移，具體過程包括：
(a1)對於步驟(1)得到的不同溫度下的上轉換發射光譜，計算660nm處的紅光發射峰的積分強度I660與550nm處的綠光發射峰的積分強度I550的比值的對數Ln(I660/I550)，以Ln(I660/I550)為縱坐標，以絕對溫度的倒數為橫坐標，得到Ln(I660/I550)參考標準線；Ln(I660/I550)參考標準線為一折線，轉折點對應的溫度為出現離子活化遷移的起始溫度Tm；
(a2)根據步驟(3)得到的雷射器的溫度，判斷此時工作介質中是否發生了離子活化遷移：若雷射器的溫度高於或等於Tm，則判定此時雷射器中存在離子活化遷移；若雷射器的溫度低於Tm，則判定此時雷射器中不存在離子活化遷移。
所述的具有自檢測功能的雷射器的自檢測方法，還包括檢測雷射器中的工作介質是否發生離子活化遷移，具體過程包括：
(b1)對於步驟(1)得到的不同溫度下的上轉換發射光譜，計算525nm處的綠光發射峰的積分強度I525與660nm處的紅光發射峰的積分強度I660的比值的對數Ln(I525/I660),以絕對溫度的倒數為橫坐標，得到Ln(I525/I660)參考標準線；Ln(I525/I660)參考標準線為一折線，轉折點對應的溫度為出現離子活化遷移的起始溫度Tm；
(b2)根據步驟(3)得到的雷射器的溫度，判斷此時工作介質中是否發生了離子活化遷移：若雷射器的溫度高於或等於Tm，則判定此時雷射器中存在離子活化遷移；若雷射器的溫度低於Tm，則判定此時雷射器中不存在離子活化遷移。
步驟(1)所述在不同溫度下的上轉換發射光譜，具體為：25℃～400℃溫度區間內的不同溫度下的上轉換發射光譜。
步驟(2)所述工作狀態時的上轉換發射光譜，具體為：在泵浦功率為0～7W內任一功率時的上轉換發射光譜。
本發明的自檢測的機理為：
在980nm的激發下，Yb3+-Er3+共摻的磷酸鹽玻璃光纖材料具有三個發射峰，分別是Er3+的2H11/2→4I15/2能級在525nm處的綠光發射峰，4S3/2→4I15/2能級在550nm處的綠光發射峰以及4F9/2→4I15/2能級在660nm處的紅光發射峰。由於Er3+的2H11/2、4S3/2能級差極小，僅800cm-1，二者能級布居數對外界溫度變化極為敏感。由Judd-Ofelt理論可知，2H11/2→4I15/2與4S3/2→4I15/2發射峰的積分強度比率的對數與絕對溫度的倒數的關係為線性關係，這是Er3+利用螢光強度比(FIR)技術進行光學溫度探測的基礎，另外以這種線性關係作為一種內在標準，與2H11/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的發射峰的積分強度比率的對數與絕對溫度的倒數的關係以及4F9/2→4I15/2和4S3/2→4I15/2的發射峰的積分強度比率的對數與絕對溫度的倒數的關係進行比較，由於後兩者均非線性關係而是具有一個與離子活化遷移相關的轉折點，通過此轉折點的出現從而實現實時原位檢測離子活化遷移。
與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果：
本發明通過980nm雷射(對於1.5微米光纖雷射器件來說它就是泵浦光)激發Yb3+-Er3+共摻的具有自檢測功能的工作介質磷酸鹽玻璃光纖材料，以其三個發射峰相互之間的強度比率的對數與絕對溫度的倒數的關係，直接實時原位檢測溫度以及是否具有離子活化遷移(內部微結構變化)，從而實時監測雷射器的工作狀態，避免因為溫度過高或者材料結構破壞導致雷射器損壞，並且不需要再藉助其他外部儀器，方便快捷。
附圖說明
圖1為本發明的實施例1的參比樣品在不同溫度(25℃～300℃)下的上轉換發射光譜。
圖2為本發明的實施例1的Ln(I525/I550)參考標準線、Ln(I660/I550)參考標準線和Ln(I525/I660)參考標準線。
圖3為本發明的實施例1的雷射器在不同泵浦功率(0～3W)下的525nm和550nm兩個綠光發射峰的積分強度比率的對數與功率的關係曲線。
具體實施方式
下面結合實施例，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
本實施例的具有自檢測功能的雷射器，包括泵浦源、光學諧振腔及位於光學諧振腔內的工作介質，所述工作介質為共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料；其中以稀土離子Yb3+作為敏化離子，以稀土離子Er3+作為激活離子。本實施例的所述共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料的組分包括：P2O5，62mol％，K2O，10mol％，BaO，13mol％，Al2O3，3.5mol％，La2O3，6mol％，Yb2O3，3mol％，Er2O3，2.5mol％。
本實施例的具有自檢測功能的雷射器的自檢測方法，包括以下步驟：
(1)以與具有自檢測功能的雷射器的工作介質組分相同的共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料為參比樣品，用980nm半導體雷射泵浦，測試參比樣品在不同溫度(25℃～300℃)下的上轉換發射光譜，如圖1所示，所述上轉換發射光譜具有三個發射峰，分別為525nm處的綠光發射峰，550nm處的綠光發射峰以及660nm處的紅光發射峰；計算525nm處的綠光發射峰的積分強度I525與550nm處的綠光發射峰的積分強度I550的比值的對數Ln(I525/I550)；以Ln(I525/I550)為縱坐標，絕對溫度的倒數為橫坐標，得到Ln(I525/I550)參考標準線，如圖2所示；
(2)用980nm半導體雷射泵浦具有自檢測功能的雷射器，在光學諧振腔側邊即光纖截面方向檢測其在工作狀態時的上轉換發射光譜，計算其Ln(I525/I550)的值，得到磷酸鹽玻璃光纖雷射器在不同泵浦功率(0～3W)下的525nm和550nm兩個綠光發射峰的積分強度比率的對數與功率的關係如圖3所示；
(3)檢測雷射器的溫度：在步驟(1)的Ln(I525/I550)參考標準線找到步驟(2)計算得到的Ln(I525/I550)的值對應的溫度點，該溫度即為此時雷射器的溫度。
本實施例還可以檢測雷射器中的工作介質是否發生離子活化遷移即內部微結構是否發生變化，這反映雷射器工作的臨界點即損傷閾值，具體過程包括：
(a1)對於步驟(1)得到的不同溫度下的上轉換發射光譜，計算660nm處的紅光發射峰的積分強度I660與550nm處的綠光發射峰的積分強度I550的比值的對數Ln(I660/I550)，以Ln(I660/I550)為縱坐標，以絕對溫度的倒數為橫坐標，得到Ln(I660/I550)參考標準線；如圖2所示，Ln(I660/I550)參考標準線為一折線，轉折點對應的溫度為出現離子活化遷移的起始溫度Tm；
(a2)根據步驟(3)得到的雷射器的溫度，判斷此時工作介質中是否發生了離子活化遷移：若雷射器的溫度高於或等於Tm，則判定此時雷射器中存在離子活化遷移；若雷射器的溫度低於Tm，則判定此時雷射器中不存在離子活化遷移。
還可以利用525nm處的綠光發射峰的積分強度I525與660nm處的紅光發射峰的積分強度I660的比值的對數Ln(I525/I660)判斷檢測雷射器中的工作介質是否發生離子活化遷移，具體過程為：
(b1)對於步驟(1)得到的不同溫度下的上轉換發射光譜，計算525nm處的綠光發射峰的積分強度I525與660nm處的紅光發射峰的積分強度I660的比值的對數Ln(I525/I660),以絕對溫度的倒數為橫坐標，得到Ln(I525/I660)參考標準線；如圖2所示，Ln(I525/I660)參考標準線為一折線，轉折點對應的溫度為出現離子活化遷移的起始溫度Tm；
(b2)根據步驟(3)得到的雷射器的溫度，判斷此時工作介質中是否發生了離子活化遷移：若雷射器的溫度高於或等於Tm，則判定此時雷射器中存在離子活化遷移；若雷射器的溫度低於Tm，則判定此時雷射器中不存在離子活化遷移。
實施例2
本實施例的具有自檢測功能的雷射器除共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料的組分與實施例1不同外，其餘特徵與實施例1同。本實施例所述的共摻Yb3+-Er3+的磷酸鹽玻璃光纖材料的組分包括：(P2O5，66mol％，K2O，14mol％，BaO，10mol％，Al2O3，4mol％，La2O3，2mol％，Yb2O3，2.5mol％，Er2O3，1.5mol％。
本實施例的具有自檢測功能的雷射器的自檢測方法與實施例1相同，在此不再贅述。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。