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 考接合點補償；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步，已經(jīng)取得了很多具 有實際應(yīng)用潛力的成果，基于熒光強度比技術(shù)進行溫度傳感就是其中之一。當(dāng)稀土離子中 非常接近的兩個熱耦合能級各自向下能級躍迀時，由于這兩個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度比也滿足玻爾茲曼分布，所以可以利用該規(guī) 律進行溫度傳感。熒光強度比滿足下式
[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而轉(zhuǎn)變 為樣品的自發(fā)輻射熒光及晶格振動能量，過實驗發(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度比技術(shù)測量激光照射點的溫度，進而 實現(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入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進 入信號采集系統(tǒng)，從而在計算機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而轉(zhuǎn)變 為樣品的自發(fā)輻射熒光及晶格振動能量，過實驗發(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度比技術(shù)測量激光照射點的溫度，進而 實現(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。該方法的優(yōu)勢在于：可以通過簡單的調(diào)整實現(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 實現(xiàn)不同波長的光功率測量。
[0024] 為了實現(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度，最后基于公式（2)利用稀土 離子臨近能級輻射的熒光強度比進行功率傳感。
[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 的計算機。
[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入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進 入信號采集系統(tǒng)，從而在計算機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 對熒光強度比540nm附近的輻射明顯增加，故520nm與540nm兩處的熒光強度比隨激光功 率顯著增加，可以利用該元件實現(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處的輻射強度與540nm處的強度作比 值獲得熒光強度比，以熒光強度比為縱軸，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】
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入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進入信 號采集系統(tǒng)，從而在計算機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入單色儀，經(jīng)過光電倍增管放大并轉(zhuǎn)換為電信號后進入信號采集系統(tǒng)，從而在計算機中獲得傳感元件的光譜數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過實驗發(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度比技術(shù)測量激光照射點的溫度，進而實現(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