CN106840453A - 一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法，该系统中驱动控制模块控制泵浦光源发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜的透射面后进入蓝宝石光纤中，通过蓝宝石光纤将泵浦光发送到位于高温环境中的蓝宝石掺杂晶体内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤返回半透半反镜，通过半透半反镜的反射面反射后进入光谱提取模块，光谱提取模块获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块，数据处理模块根据光谱信息计算得到高温环境的温度。本发明能提高测量精度，保证高温区域的测量精度，且测量长期可靠性好。

Description

一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法

技术领域

本发明涉及激光高温传感器技术领域，尤其涉及一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法。

背景技术

在高温环境(>800℃)下的传感技术需求巨大，许多材料的物理性能在高温中会发生巨大的变化，许多化学反应只有在高温下才能顺利进行，高温传感技术在航空航天、汽车和能源工业中扮演着重要角色，它可以提高能源效率减少排放，降低设备维护和失效周期。但是目前缺少可靠的高温测量方法，大多是依靠人工经验观察或间接测量的方法，主观性大，不能实现定量测量；铂铑等贵金属制造的热电偶可进行直接的高温测量，但是其受电磁干扰影响大，测量精度低，而且其高温下抗腐蚀能力差、寿命短、消耗大；压电晶体传感器可实现高温下的加速度、振动、压力和气体等参量的测量，但是超过1000℃时材料可靠性不能保证。

蓝宝石是一种新型耐高温材料，它的熔点达到2072℃，国内外也对其进行了大量的研究，出现了三种蓝宝石光纤材料的高温传感器，包括蓝宝石光纤黑体辐射式、蓝宝石光纤法布里-珀罗(F-P)腔式和蓝宝石光纤光栅(SFBG)式等。(1)黑体辐射式的蓝宝石光纤高温传感器因其检测的信号是黑体辐射光波的强度，受光路损耗波动、光路污染等其它因素的影响太大，准确度不高，没有大规模走向实用。(2)蓝宝石光纤F-P干涉腔高温传感器用于煤气化炉的超高温检测中。但是，蓝宝石光纤F-P传感器产生的干涉信号很弱，信噪比难以保证。(3)2004年D.Grobnic等人首次报道了用飞秒激光器和相位掩模版制备蓝宝石光纤光栅(SFBG)，并且在1500℃下都有稳定的热性能。但是，和普通光纤芯层只有9微米不同，蓝宝石光纤是一个细的蓝宝石棒，整个光纤全是纤芯，通常为几十至几百微米，导致激光聚焦透镜焦深和掩模板±1级衍射产生的干涉场区深度不能覆盖整个纤芯区域，必需控制光斑垂直于光纤的轴向移动，将整个芯层都写入光栅，才能获得能用的SFBG。但光斑在移动过程中难免出现抖动和轴向位移，会影响SFBG反射谱的质量，而且蓝宝石光纤是多模传输，制备的SFBG光谱较宽，不利于解调，目前也未见实用的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中蓝宝石光纤高温传感器因其检测的信号是黑体辐射光波的强度，受光路损耗波动、光路污染等其它因素的影响太大，准确度不高，且信噪比难以保证的缺陷，提供一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，包括相互连接的驱动控制模块、泵浦光源、半透半反镜、蓝宝石光纤、蓝宝石掺杂晶体、光谱提取模块和数据处理模块，蓝宝石掺杂晶体设置在待检测的高温环境中；其中：

驱动控制模块控制泵浦光源发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜的透射面后进入蓝宝石光纤中，通过蓝宝石光纤将泵浦光发送到位于高温环境中的蓝宝石掺杂晶体内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤返回半透半反镜，通过半透半反镜的反射面反射后进入光谱提取模块，光谱提取模块获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块，数据处理模块根据光谱信息计算得到高温环境的温度。

进一步地，本发明的泵浦光源为半导体激光器或固体激光器，半导体激光器的发射泵浦光波长为635nm，固体激光器的发射泵浦光波长为355nm。

进一步地，本发明的蓝宝石掺杂晶体的掺杂材料为过渡金属元素或稀土元素，过渡金属元素为铬，稀土元素为镝或铥。

进一步地，本发明的蓝宝石光纤固定在陶瓷插芯中，陶瓷插芯外层套装有陶瓷套筒，蓝宝石光纤的一端通过高温胶与蓝宝石掺杂晶体固定。

进一步地，本发明的蓝宝石掺杂晶体包括设置在陶瓷套筒底部的蓝宝石掺镝和铥晶片。

本发明提供一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，包括以下步骤：

S1、将蓝宝石掺杂晶体放置在待检测的高温环境中，蓝宝石光纤一端与蓝宝石掺杂晶体连接，另一端置于高温环境外；

S2、驱动控制模块根据泵浦光源的类型，控制泵浦光源发射泵浦光的波长，泵浦光穿过半透半反镜和蓝宝石光纤进入蓝宝石掺杂晶体，激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光；

S3、激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡进行能量积累并产生激光，激光通过蓝宝石光纤和半透半反镜进入光谱提取模块，得到光谱信息；

S4、数据处理模块获取光谱信息，并根据温度对蓝宝石掺杂晶体的微观物理性能的影响，计算得到高温环境的温度。

进一步地，本发明的步骤S3中激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡产生激光的形成条件为：

其中，增益系数为α₀，材料的长度为L，损耗系数为γ，增益系数α₀正比于激光上下能级之间的粒子反转浓度ΔN，即α₀＝σΔN,σ是材料在激光波长的发生截面；损耗系数为：

Q_c为谐振腔品质因数；τ_c为谐振腔的光子寿命，从泵浦强度的角度看，能改变的只是ΔN，当ΔN增加到激光振荡的起振阈值时，这时的粒子反转数称为阈值反转浓度ΔN_th。

进一步地，本发明的步骤S4中计算高温环境的温度的方法为：

发射谱线宽度会随温度的升高而加宽，折射率也会变大，进而影响激光的振荡输出，对不同的激光晶体，温度的影响程度也不同；根据温度对激光工作阈值的影响，建立激光输出运行模型，描述温度、激光输出、阈值、斜率效率从外部可测得的数据同内部系统、材料参量之间的关系，找到温度和激光输出的关系，并根据该关系计算得到高温环境的温度。

本发明产生的有益效果是：本发明的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法，通过测量被测高温环境中激光晶体发射的激光波长，得到所测高温；用泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体产生激光，由于温度会改变激光晶体材料的晶格振动、电子相互作用等微观物理性能，从而影响发射谱线的分布和激光的输出，导致输出激光的波长将和温度相关。该方法所测的是激光，将大幅度提高信号强度，与F-P传感器产生的干涉信号和荧光信号相比会大大增加系统信噪比，提高测量精度；其次，得到的波长信号是绝对测量，测量结果受光强波动或者黑体辐射噪声的影响小，保证高温区域的测量精度；最后，温度探头将完全由耐高温的晶体材料组成，避免高温对探头结构稳定性的影响，长期可靠性好。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的系统结构示意图；

图中：1-驱动控制模块、2-泵浦光源、3-半透半反镜、4-蓝宝石光纤、5-蓝宝石掺杂晶体、6-光谱提取模块、7-数据处理模块、8-高温环境。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，包括相互连接的驱动控制模块1、泵浦光源2、半透半反镜3、蓝宝石光纤4、蓝宝石掺杂晶体5、光谱提取模块6和数据处理模块7，蓝宝石掺杂晶体5设置在待检测的高温环境8中；其中：

驱动控制模块1控制泵浦光源2发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜3的透射面后进入蓝宝石光纤4中，通过蓝宝石光纤4将泵浦光发送到位于高温环境8中的蓝宝石掺杂晶体5内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体5内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤4返回半透半反镜3，通过半透半反镜3的反射面反射后进入光谱提取模块6，光谱提取模块6获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块7，数据处理模块7根据光谱信息计算得到高温环境8的温度。

泵浦光源2为半导体激光器或固体激光器，半导体激光器的发射泵浦光波长为635nm，固体激光器的发射泵浦光波长为355nm。

蓝宝石掺杂晶体5的掺杂材料为过渡金属元素或稀土元素，过渡金属元素为铬，稀土元素为镝或铥。

蓝宝石光纤4固定在陶瓷插芯中，陶瓷插芯外层套装有陶瓷套筒，蓝宝石光纤4的一端通过高温胶与蓝宝石掺杂晶体5固定。

蓝宝石掺杂晶体5包括设置在陶瓷套筒底部的蓝宝石掺镝和铥晶片。

本发明实施例的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，用于实现本发明实施例的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，包括以下步骤：

S1、将蓝宝石掺杂晶体放置在待检测的高温环境中，蓝宝石光纤一端与蓝宝石掺杂晶体连接，另一端置于高温环境外；

S2、驱动控制模块根据泵浦光源的类型，控制泵浦光源发射泵浦光的波长，泵浦光穿过半透半反镜和蓝宝石光纤进入蓝宝石掺杂晶体，激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光；

S3、激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡进行能量积累并产生激光，激光通过蓝宝石光纤和半透半反镜进入光谱提取模块，得到光谱信息；

步骤S3中激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡产生激光的形成条件为：

其中，增益系数为α₀，材料的长度为L，损耗系数为γ，增益系数α₀正比于激光上下能级之间的粒子反转浓度ΔN，即α_o＝σAN,σ是材料在激光波长的发生截面；损耗系数为：

Q_c为谐振腔品质因数；τ_c为谐振腔的光子寿命，从泵浦强度的角度看，能改变的只是ΔN，当ΔN增加到激光振荡的起振阈值时，这时的粒子反转数称为阈值反转浓度ΔN_th。

S4、数据处理模块获取光谱信息，并根据温度对蓝宝石掺杂晶体的微观物理性能的影响，计算得到高温环境的温度。

计算高温环境的温度的方法为：

发射谱线宽度会随温度的升高而加宽，折射率也会变大，进而影响激光的振荡输出，对不同的激光晶体，温度的影响程度也不同；根据温度对激光工作阈值的影响，建立激光输出运行模型，描述温度、激光输出、阈值、斜率效率从外部可测得的数据同内部系统、材料参量之间的关系，找到温度和激光输出的关系，并根据该关系计算得到高温环境的温度。

在本发明的另一个具体实施例中，蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，包括：驱动控制模块、泵浦光源、半透半反镜、蓝宝石光纤、蓝宝石掺杂晶体、光谱提取模块和数据处理模块，泵浦光源在驱动控制模块的控制下发射泵浦光进入半透半反镜，一部分泵浦光通过蓝宝石光纤进入蓝宝石掺杂晶体，蓝宝石掺杂晶体的激发光通过蓝宝石光纤返回进入半透半反镜，反射的激发光进入光谱提取模块，光谱数据进入数据处理模块计算温度。

泵浦光源为半导体激光器或固体激光器，如前所述的半导体激光器的发射泵浦光波长为635nm，如前所述的固体激光器的发射泵浦光波长为355nm。

蓝宝石掺杂晶体的掺杂材料为过渡金属元素或稀土元素，所述的过渡金属元素为铬，所述的稀土元素为镝或铥。

蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，包括以下步骤：

泵浦光进入蓝宝石掺杂晶体，激发掺杂离子产生能级跃迁发光；

掺杂离子激发光在晶体中反复振荡能量积累产生激光；

蓝宝石掺杂晶体在高温环境中，温度会改变激光晶体材料的晶格振动、电子相互作用等微观物理性能，从而影响发射谱线的分布和激光的输出，导致输出激光的波长和温度相关。

蓝宝石晶体传感探头的结构：蓝宝石光纤是固定在陶瓷插芯里的，陶瓷插芯外面再套一层陶瓷套筒，底部是蓝宝石掺镝和铥晶片，它们之间是通过高温胶固定起来的。其结构较为简单，但是工艺要求相当的高，部分组件因其特殊的尺寸，一般是找厂商定制的。其中最重要的部分为蓝宝石掺杂晶片的掺杂离子的选择和晶片厚度的选择。

图1是蓝宝石晶体激光高温传感系统的示意图。该系统的设计思路主要是通过三部分来实现的：1.蓝宝石掺杂晶体的谱线热加宽和热位移机理研究2.蓝宝石掺杂晶体激光振荡输出运行模型及其高温性能研究3.蓝宝石掺杂晶体激光系统设计及其高温传感实验研究。

该系统的实验平台包括，蓝宝石高温传感探头6、蓝宝石光纤4、蓝宝石掺杂晶片5、高温炉7、环形器3、光谱提取装置8(光谱仪)、光源2、数据处理9和驱动控制1。驱动控制器1控制光源2输出合适强度的泵浦光，通过环形器3的1口进，2口出，2口连接蓝宝石光纤4，2口出来的光经过蓝宝石光纤打到蓝宝石掺杂晶片5，由于蓝宝石掺杂晶片5的荧光效应，当蓝宝石掺杂晶体材料、微偏尺寸、泵浦光和光路设计合理时，会产生激光输出，输出的激光经过蓝宝石光纤4到半透半反镜3的2口，再由3口出，最终由光谱提取装置8对输出的光谱进行提取，通过前面的理论分析得到温度和激光输出的关系，最终对提取到的光谱解调出温度。

本发明实施例中，由于荧光温度传感器的性能最终由掺杂离子决定，如：研究最多的掺铬离子的蓝宝石(Cr：Al₂O₃，俗称红宝石)，十多篇相关的文献报道中最高测温记录只能达到700℃。这是由于Cr离子的荧光寿命和强度都会随温度的升高迅速降低，加上高温时的黑体辐射变强，越来越弱的荧光信号都被越来越强的热噪声淹没。Eckert C.等人用掺镝(Dy：Al₂O₃)和铥(Tm：Al₂O₃)实现了1200℃下的温度测量。由于这两种掺杂离子在700℃以下温度变化时荧光寿命变化不明显，只在高温带和温度相关，而且Dy和Tm的荧光发射带分布在黄光、绿光和蓝光带，受热辐射噪声影响较小。所以本实验最终选择了镝和铥作为掺杂离子。

泵浦光进入蓝宝石掺杂晶体，激发掺杂离子产生能级跃迁发光。激光晶体中激活离子光谱线的宽度随温度的升高而加大和谐线的峰值位置随温度的升高而移动的现象，主要是由晶格振动和电子的相互作用引起的，这种作用引起电子跃迁初态能级和终态能级的加宽和位移。晶格振动和电子的相互作用机制对谱线宽度的影响基本上可以概括成：一是电子跃迁到其他能级，从而缩短电子能级的寿命、加宽电子能级的宽度；二是一个电子能级内的声子吸收、声子发射和喇曼散射，使电子能级在比能级寿命短的时间内有一定范围的扩展。但是对于不同的激光晶体材料，这种作用的能力和效果也不同。对于谱线的热位移，材料的热膨胀是材料中光谱线热位移的主要机制，因为材料膨胀后，晶场减弱，能级间的间距将会变小。对于热膨胀系数比较大的所谓“软“材料，这种原因对热位移起较大作用，对蓝宝石这类所谓“硬”材料，电声子相互作用对光谱线热位移作出主要贡献。

研究激光晶体谱线的热位移要考虑的影响因素包括：分别计算跃迁上下能级的位移，然后从其差值的大小去判断谱线的热位移；晶格振动引起的多重态重心的移动，产生这种多重态重心移动的机制可以是晶格振动对自旋轨道耦合制，也可以是电子之间交换声子产生的库仑力减弱；晶体中离子质量的差异同样也将加剧光谱线的热位移，其显著程度与其对光谱线加宽的声子发射、吸收机制的影响相同。

掺杂离子激发光在晶体中反复振荡能量积累产生激光。激光的输出模型有着较成熟的理论。如激光的形成条件是——增益系数α₀乘以材料的长度L必须大于或等于损耗系数γ，即：

其中增益系数α₀正比于激光上下能级之间的粒子反转浓度ΔN，即α₀＝σΔN,σ是材料在激光波长的发生截面；损耗系数Q_c为谐振腔品质因数；τ_c为谐振腔的光子寿命。从泵浦强度的角度看，能改变的只是ΔN，当ΔN增加到激光振荡的起振阈值时，这时的粒子反转数称为阈值反转浓度ΔN_th。

从前面的分析看，每一种激光或光谱性能参数既与晶体静态空间结构又与晶格振动和电子运动有关，要得到理论上的定量关系是很困难的。一种比较切实可行的途径是分析相关的物理性能与材料的原子参数和键参数之间的关系，想办法在重要的激光性能参数与材料的化学组成之间架起桥梁。由于连续激光起振阈值反比于受激发射截面和荧光寿命乘积στ_f，而στ_f与激光晶体中激活离子荧光谱线宽度和其折射率相关，谱线宽度和晶体折射率都和温度相关，所以可以建立其温度和激光起振性能的关系模型。一般来说，要获得较大的乘积στ_f和较高的荧光量子效率，就需要较窄的发射谱线宽度和较小的折射率。但是对于一般的激光晶体，发射谱线宽度会随温度的升高而加宽，折射率也会变大，会影响激光的振荡输出，对不同的激光晶体，温度的影响程度也不同。本部分将从理论上研究温度对激光工作阈值的影响，并建立激光输出运行模型，描述温度、激光输出、阈值、斜率效率从外部可测得的数据同内部系统、材料参量之间的关系，找到温度和激光输出的关系。

综上所述，本发明完成了激光晶体材料设计、对蓝宝石掺杂晶体的谱线热加宽和热位移机理研究，对蓝宝石掺杂晶体激光振荡输出运行模型及其高温性能研究，并利用之前的研究结论和模型优化和增强激光输出波长对温度的敏感度。然后完成光路的设计，激光高温探头制备和高温测试平台搭建，完成激光晶体高温传感方法的实验验证。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，包括相互连接的驱动控制模块(1)、泵浦光源(2)、半透半反镜(3)、蓝宝石光纤(4)、蓝宝石掺杂晶体(5)、光谱提取模块(6)和数据处理模块(7)，蓝宝石掺杂晶体(5)设置在待检测的高温环境(8)中；其中：

驱动控制模块(1)控制泵浦光源(2)发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜(3)的透射面后进入蓝宝石光纤(4)中，通过蓝宝石光纤(4)将泵浦光发送到位于高温环境(8)中的蓝宝石掺杂晶体(5)内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体(5)内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤(4)返回半透半反镜(3)，通过半透半反镜(3)的反射面反射后进入光谱提取模块(6)，光谱提取模块(6)获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块(7)，数据处理模块(7)根据光谱信息计算得到高温环境(8)的温度。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，泵浦光源(2)为半导体激光器或固体激光器，半导体激光器的发射泵浦光波长为635nm，固体激光器的发射泵浦光波长为355nm。

3.根据权利要求1所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，蓝宝石掺杂晶体(5)的掺杂材料为过渡金属元素或稀土元素，过渡金属元素为铬，稀土元素为镝或铥。

4.根据权利要求1所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，蓝宝石光纤(4)固定在陶瓷插芯中，陶瓷插芯外层套装有陶瓷套筒，蓝宝石光纤(4)的一端通过高温胶与蓝宝石掺杂晶体(5)固定。

5.根据权利要求4所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，蓝宝石掺杂晶体(5)包括设置在陶瓷套筒底部的蓝宝石掺镝和铥晶片。

6.一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，其特征在于,包括以下步骤：

S1、将蓝宝石掺杂晶体放置在待检测的高温环境中，蓝宝石光纤一端与蓝宝石掺杂晶体连接，另一端置于高温环境外；

S2、驱动控制模块根据泵浦光源的类型，控制泵浦光源发射泵浦光的波长，泵浦光穿过半透半反镜和蓝宝石光纤进入蓝宝石掺杂晶体，激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光；

S3、激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡进行能量积累并产生激光，激光通过蓝宝石光纤和半透半反镜进入光谱提取模块，得到光谱信息；

S4、数据处理模块获取光谱信息，并根据温度对蓝宝石掺杂晶体的微观物理性能的影响，计算得到高温环境的温度。

7.根据权利要求6所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，其特征在于，步骤S3中激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡产生激光的形成条件为：

$\frac{c^3{\mathrm{\ΔN\τ}}_c}{8{\mathrm{\πn}}^3{\mathrm{\υ}}^2{\mathrm{\τ}}_t}g\left(\mathrm{\υ}\right)\≥1$

其中，增益系数为α₀，材料的长度为L，损耗系数为γ，增益系数α₀正比于激光上下能级之间的粒子反转浓度ΔN，即α0＝σΔN，σ是材料在激光波长的发生截面；损耗系数为：

$\mathrm{\γ}=\frac{2{\mathrm{\πv}}_{0}nL}{{\mathrm{cQ}}_c}$

Q_c为谐振腔品质因数；τ_c为谐振腔的光子寿命，从泵浦强度的角度看，能改变的只是ΔN，当ΔN增加到激光振荡的起振阈值时，这时的粒子反转数称为阈值反转浓度ΔN_th。

8.根据权利要求6所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，其特征在于，步骤S4中计算高温环境的温度的方法为：

发射谱线宽度会随温度的升高而加宽，折射率也会变大，进而影响激光的振荡输出，对不同的激光晶体，温度的影响程度也不同；根据温度对激光工作阈值的影响，建立激光输出运行模型，描述温度、激光输出、阈值、斜率效率从外部可测得的数据同内部系统、材料参量之间的关系，找到温度和激光输出的关系，并根据该关系计算得到高温环境的温度。