一種激光功率測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及稀土摻雜納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種新型的激光功率測量方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在激光器的各種應(yīng)用中，入射激光的功率往往是需要精確測量的。目前激光功率 計(jì)的工作原理主要有兩種：一種是光電式的，就是半導(dǎo)體材料吸收光子，形成電流信號；另 一種是熱電式的，就是光照射到吸收物上，發(fā)熱再形成電信號。其中光電式探測器比一般熱 電式探測器具有更高的響應(yīng)速度和靈敏度，但是由于光電式探測器的損傷閾值比較低，所 以這種探測方式的量程相對較小。為了適應(yīng)高能量密度激光的測量，往往采用熱電式探測 器。典型的熱電式探測器采用的是多個(gè)熱電偶串接而成的熱電堆作為傳感元件，通過各熱 電偶輸出熱電勢的疊加來實(shí)現(xiàn)小溫差測量。但是將熱電偶電壓信號轉(zhuǎn)換成比較精確的溫度 讀數(shù)難度很大，原因主要包括：熱電偶的熱電壓信號太弱，通常只有幾十微伏每攝氏度，必 需進(jìn)行大量的信號處理，處理不當(dāng)會使得測量精度降低；溫度電壓關(guān)系呈非線性；需要參 考接合點(diǎn)補(bǔ)償；容易受到外界電磁環(huán)境的干擾等。
[0003] 近年來，隨著對稀土摻雜納米材料熒光特性研究的不斷進(jìn)步，已經(jīng)取得了很多具 有實(shí)際應(yīng)用潛力的成果，基于熒光強(qiáng)度比技術(shù)進(jìn)行溫度傳感就是其中之一。當(dāng)稀土離子中 非常接近的兩個(gè)熱耦合能級各自向下能級躍迀時(shí)，由于這兩個(gè)熱耦合能級上的粒子數(shù)密度 滿足玻爾茲曼分布，故其向下輻射的熒光強(qiáng)度比也滿足玻爾茲曼分布，所以可以利用該規(guī) 律進(jìn)行溫度傳感。熒光強(qiáng)度比滿足下式
[0005] 其中常量C由熒光材料的性質(zhì)決定，Δ E為兩個(gè)熱耦合能級之間的能級間距，k為 波爾茲曼常量，T為樣品的溫度。
[0006] 熒光強(qiáng)度比測溫是一種不受外界電磁環(huán)境影響的非接觸式測溫技術(shù)，其測溫靈敏 度可達(dá)10 3至10 2K113選擇適當(dāng)?shù)南⊥翐诫s納米材料能夠有效吸收入射激光能量進(jìn)而轉(zhuǎn)變 為樣品的自發(fā)輻射熒光及晶格振動能量，過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光器的激發(fā)光功率與激光照射位置 的溫度成線性規(guī)律，故可以通過稀土離子的熒光強(qiáng)度比技術(shù)測量激光照射點(diǎn)的溫度，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)激光功率的測量。具體規(guī)律如下
[0008] 其中α為比例系數(shù)，T。為環(huán)境溫度，P為入射激光功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種不易受外界環(huán)境干擾的具備高靈敏度的激光功率測 試方法。
[0010] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0011] (1)給已知功率的激光器加多組激發(fā)電流，分別產(chǎn)生不同功率的激光；
[0012] (2)激光照射到NaErF4納米晶體傳感原件上產(chǎn)生熒光；
[0013] (3)透鏡將熒光信號聚焦進(jìn)入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn) 入信號采集系統(tǒng)，從而在計(jì)算機(jī)中獲得傳感元件的光譜數(shù)據(jù)
[0015] α為比例系數(shù)，T。為環(huán)境溫度，P為入射激光功率。
[0016] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0017] 熒光強(qiáng)度比測溫是一種不受外界電磁環(huán)境影響的非接觸式測溫技術(shù)，其測溫靈敏 度可達(dá)10 3至10 2K113選擇適當(dāng)?shù)南⊥翐诫s納米材料能夠有效吸收入射激光能量進(jìn)而轉(zhuǎn)變 為樣品的自發(fā)輻射熒光及晶格振動能量，過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光器的激發(fā)光功率與激光照射位置 的溫度成線性規(guī)律，故可以通過稀土離子的熒光強(qiáng)度比技術(shù)測量激光照射點(diǎn)的溫度，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)激光功率的測量。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明測量激光功率的系統(tǒng)圖。
[0019] 圖2為NaErFjfi米晶體在不同激光功率下的歸一化強(qiáng)度光譜圖。
[0020] 圖3為NaErFjft米晶體作為傳感元件的功率傳感數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合【附圖說明】，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行說明。
[0022] 該測試系統(tǒng)的傳感元件為稀土摻雜納米晶體材料，傳感元件具有制備簡單、外形 易于加工、成本低廉、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。該方法的優(yōu)勢在于：可以通過簡單的調(diào)整實(shí)現(xiàn)高精 度、高靈敏度、寬范圍及不同入射波長激光的功率測量。
[0023] 為了提高測量精度，可以對納米材料進(jìn)行必要的保溫處理，以使納米材料不會因 為環(huán)境溫度的不穩(wěn)定而影響測量準(zhǔn)確性。由于稀土離子摻雜濃度越高，濃度猝滅現(xiàn)象就越 明顯相當(dāng)于更高比例的入射光子用于產(chǎn)生熱量，所以利用高濃度的稀土摻雜納米材料可以 獲得較高的測量靈敏度。為了測量較高能量密度的激光，可以選擇高熔點(diǎn)的稀土摻雜氧化 物納米晶體作為傳感元件。最后，不同稀土離子摻雜納米晶體材料可作為低成本替換元件 實(shí)現(xiàn)不同波長的光功率測量。
[0024] 為了實(shí)現(xiàn)上述要求，采取的方案如下：
[0025] 制備稀土離子摻雜納米晶體粉末并進(jìn)一步壓制成片作為傳感元件。將激光照射在 傳感元件上產(chǎn)生光致熒光，利用透鏡將輻射出來的熒光耦合進(jìn)入單色儀中，通過光電倍增 管結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得電信號即不同波長熒光的相對強(qiáng)度，最后基于公式（2)利用稀土 離子臨近能級輻射的熒光強(qiáng)度比進(jìn)行功率傳感。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明的激光器功率測量的系統(tǒng)圖，包括：
[0027] 1. -臺已知功率的激光器；2.用于放置傳感元件的載物臺；3.用于匯聚光信號的 聚焦透鏡；4.單色儀；5.光電倍增管；6.信號采集系統(tǒng)；7. -臺預(yù)裝了操作軟件用于顯示 的計(jì)算機(jī)。
[0028] 首先給已知功率的激光器加多組激發(fā)電流，激光照射到NaErF4納米晶體傳感原件 上產(chǎn)生熒光，透鏡將熒光信號聚焦進(jìn)入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn) 入信號采集系統(tǒng)，從而在計(jì)算機(jī)中獲得傳感元件的光譜數(shù)據(jù)。
[0029] 如圖2所示，隨著激光功率的增加，傳感元件中Er離子發(fā)射的在520nm附近的相 對熒光強(qiáng)度比540nm附近的輻射明顯增加，故520nm與540nm兩處的熒光強(qiáng)度比隨激光功 率顯著增加，可以利用該元件實(shí)現(xiàn)較高靈敏度的功率傳感。
[0030] 如圖3所示，選擇傳感元件中Er離子520nm處的輻射強(qiáng)度與540nm處的強(qiáng)度作比 值獲得熒光強(qiáng)度比，以熒光強(qiáng)度比為縱軸，對應(yīng)的激發(fā)激光功率為橫軸，通過公式（2)進(jìn)行 功率測量系統(tǒng)的標(biāo)定。擬合數(shù)據(jù)已在圖中標(biāo)出。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種激光功率測量方法，其特征在于，包括如下步驟 (1) 給已知功率的激光器加多組激發(fā)電流，分別產(chǎn)生不同功率的激光； (2) 激光照射到NaErF4納米晶體傳感原件上產(chǎn)生熒光； (3) 透鏡將熒光信號聚焦進(jìn)入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn)入信 號采集系統(tǒng)，從而在計(jì)算機(jī)中獲得傳感元件的光譜數(shù)據(jù)α為比例系數(shù)，T。為環(huán)境溫度，P為入射激光功率。
【專利摘要】本發(fā)明涉及稀土摻雜納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種新型的激光功率測量方法。本發(fā)明包括：給已知功率的激光器加多組激發(fā)電流，分別產(chǎn)生不同功率的激光；激光照射到NaErF4納米晶體傳感原件上產(chǎn)生熒光；透鏡將熒光信號聚焦進(jìn)入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn)入信號采集系統(tǒng)，從而在計(jì)算機(jī)中獲得傳感元件的光譜數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光器的激發(fā)光功率與激光照射位置的溫度成線性規(guī)律，故可以通過稀土離子的熒光強(qiáng)度比技術(shù)測量激光照射點(diǎn)的溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)激光功率的測量。
【IPC分類】G01J1/42
【公開號】CN105181131
【申請?zhí)枴緾N201510447733
【發(fā)明人】劉祿, 劉豐, 王冉, 張新陸
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年7月28日