CN105181131B - 一种激光功率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及稀土掺杂纳米材料的应用领域，具体涉及一种新型的激光功率测量方法。本发明包括：给已知功率的激光器加多组激发电流，分别产生不同功率的激光；激光照射到NaErF4纳米晶体传感原件上产生荧光；透镜将荧光信号聚焦进入单色仪，经过光电倍增管放大并转换为电信号后进入信号采集系统，从而在计算机中获得传感元件的光谱数据。本发明通过实验发现激光器的激发光功率与激光照射位置的温度成线性规律，故可以通过稀土离子的荧光强度比技术测量激光照射点的温度，进而实现激光功率的测量。
Description
技术领域
本发明涉及稀土掺杂纳米材料的应用领域，具体涉及一种新型的激光功率测量方法。
背景技术
在激光器的各种应用中，入射激光的功率往往是需要精确测量的。目前激光功率计的工作原理主要有两种：一种是光电式的，就是半导体材料吸收光子，形成电流信号；另一种是热电式的，就是光照射到吸收物上，发热再形成电信号。其中光电式探测器比一般热电式探测器具有更高的响应速度和灵敏度，但是由于光电式探测器的损伤阈值比较低，所以这种探测方式的量程相对较小。为了适应高能量密度激光的测量，往往采用热电式探测器。典型的热电式探测器采用的是多个热电偶串接而成的热电堆作为传感元件，通过各热电偶输出热电势的叠加来实现小温差测量。但是将热电偶电压信号转换成比较精确的温度读数难度很大，原因主要包括：热电偶的热电压信号太弱，通常只有几十微伏每摄氏度，必需进行大量的信号处理，处理不当会使得测量精度降低；温度电压关系呈非线性；需要参考接合点补偿；容易受到外界电磁环境的干扰等。
近年来，随着对稀土掺杂纳米材料荧光特性研究的不断进步，已经取得了很多具有实际应用潜力的成果，基于荧光强度比技术进行温度传感就是其中之一。当稀土离子中非常接近的两个热耦合能级各自向下能级跃迁时，由于这两个热耦合能级上的粒子数密度满足玻尔兹曼分布，故其向下辐射的荧光强度比也满足玻尔兹曼分布，所以可以利用该规律进行温度传感。荧光强度比满足下式
其中常量C由荧光材料的性质决定，ΔE为两个热耦合能级之间的能级间距，k为波尔兹曼常量，T为样品的温度。
荧光强度比测温是一种不受外界电磁环境影响的非接触式测温技术，其测温灵敏度可达10-3至10-2K-1。选择适当的稀土掺杂纳米材料能够有效吸收入射激光能量进而转变为样品的自发辐射荧光及晶格振动能量，过实验发现激光器的激发光功率与激光照射位置的温度成线性规律，故可以通过稀土离子的荧光强度比技术测量激光照射点的温度，进而实现激光功率的测量。具体规律如下
其中α为比例系数，T0为环境温度，P为入射激光功率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不易受外界环境干扰的具备高灵敏度的激光功率测试方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)给已知功率的激光器加多组激发电流，分别产生不同功率的激光；
(2)激光照射到NaErF4纳米晶体传感原件上产生荧光；
(3)透镜将荧光信号聚焦进入单色仪，经过光电倍增管放大并转换为电信号后进入信号采集系统，从而在计算机中获得传感元件的光谱数据
α为比例系数，T0为环境温度，P为入射激光功率。
本发明的有益效果在于：
荧光强度比测温是一种不受外界电磁环境影响的非接触式测温技术，其测温灵敏度可达10-3至10-2K-1。选择适当的稀土掺杂纳米材料能够有效吸收入射激光能量进而转变为样品的自发辐射荧光及晶格振动能量，过实验发现激光器的激发光功率与激光照射位置的温度成线性规律，故可以通过稀土离子的荧光强度比技术测量激光照射点的温度，进而实现激光功率的测量。
附图说明
图1为本发明测量激光功率的系统图。
图2为NaErF4纳米晶体在不同激光功率下的归一化强度光谱图。
图3为NaErF4纳米晶体作为传感元件的功率传感数据图。
具体实施方式
下面结合附图说明，对本发明的技术方案进行说明。
该测试系统的传感元件为稀土掺杂纳米晶体材料，传感元件具有制备简单、外形易于加工、成本低廉、性能可靠等优点。该方法的优势在于：可以通过简单的调整实现高精度、高灵敏度、宽范围及不同入射波长激光的功率测量。
为了提高测量精度，可以对纳米材料进行必要的保温处理，以使纳米材料不会因为环境温度的不稳定而影响测量准确性。由于稀土离子掺杂浓度越高，浓度猝灭现象就越明显相当于更高比例的入射光子用于产生热量，所以利用高浓度的稀土掺杂纳米材料可以获得较高的测量灵敏度。为了测量较高能量密度的激光，可以选择高熔点的稀土掺杂氧化物纳米晶体作为传感元件。最后，不同稀土离子掺杂纳米晶体材料可作为低成本替换元件实现不同波长的光功率测量。
为了实现上述要求，采取的方案如下：
制备稀土离子掺杂纳米晶体粉末并进一步压制成片作为传感元件。将激光照射在传感元件上产生光致荧光，利用透镜将辐射出来的荧光耦合进入单色仪中，通过光电倍增管结合数据采集系统获得电信号即不同波长荧光的相对强度，最后基于公式(2)利用稀土离子临近能级辐射的荧光强度比进行功率传感。
如图1所示，本发明的激光器功率测量的系统图，包括：
1.一台已知功率的激光器；2.用于放置传感元件的载物台；3.用于汇聚光信号的聚焦透镜；4.单色仪；5.光电倍增管；6.信号采集系统；7.一台预装了操作软件用于显示的计算机。
首先给已知功率的激光器加多组激发电流，激光照射到NaErF4纳米晶体传感原件上产生荧光，透镜将荧光信号聚焦进入单色仪，经过光电倍增管放大并转换为电信号后进入信号采集系统，从而在计算机中获得传感元件的光谱数据。
如图2所示，随着激光功率的增加，传感元件中Er离子发射的在520nm附近的相对荧光强度比540nm附近的辐射明显增加，故520nm与540nm两处的荧光强度比随激光功率显著增加，可以利用该元件实现较高灵敏度的功率传感。
如图3所示，选择传感元件中Er离子520nm处的辐射强度与540nm处的强度作比值获得荧光强度比，以荧光强度比为纵轴，对应的激发激光功率为横轴，通过公式(2)进行功率测量系统的标定。拟合数据已在图中标出。
Claims (1)
1.一种激光功率测量方法，其特征在于，所述方法由一种激光器功率测量系统来执行，所述系统包括：一台已知功率的激光器、用于放置传感元件的载物台、用于汇聚光信号的聚焦透镜、单色仪、光电倍增管、信号采集系统以及一台预装了操作软件用于显示的计算机；所述方法包括如下步骤：
(1)给已知功率的激光器加多组激发电流，分别产生不同功率的激光；
(2)激光照射到NaErF4纳米晶体传感元件上产生荧光；
(3)透镜将荧光信号聚焦进入单色仪，经过光电倍增管放大并转换为电信号后进入信号采集系统，从而在计算机中获得传感元件的光谱数据
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α为比例系数，T0为环境温度，P为入射激光功率；
其中，对于步骤(2)与步骤(3)，通过制备稀土离子掺杂纳米晶体粉末并进一步压制成片作为传感元件，将激光照射在传感元件上产生光致荧光，利用透镜将辐射出来的荧光耦合进入单色仪中，通过光电倍增管结合信号采集系统获得电信号即不同波长荧光的相对强度，利用稀土离子临近能级辐射的荧光强度比进行功率传感。
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