CN107290306A - 一种激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量方法及装置，采用与激光晶体强吸收峰对应中心波长的LD光纤耦合模块输出泵浦激光晶体的任意轴向横截面部分，在对应的激光晶体的透射面处使用功率计接收透射功率，将激光晶体置于电动二维平移台上，对所述接收的透射功率进行逐点扫面，最后将逐点扫面的数据拟合为经激光晶体对应截面方向吸收后的功率空间分布三维图形，最终对功率计测试到的每一个透过晶体后的功率点进行数据处理后得到晶体掺杂粒子浓度均匀性相对值及空间分布的结果。本发明结构简单，成本较低，操作简单且稳定可靠，通过更换不同输出参数的泵浦源可解决不同形状及材料的激光晶体粒子掺杂浓度均匀性的测量难题。

Description

一种激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光晶体掺杂粒子浓度均匀性空间分布测试方法及装置，属于固体激光器测试技术领域。

背景技术

世界上第一台激光器的成功演示距今已经50余年。50余年来，由于激光具备的独有特性，其应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，具体应用包括：激光医疗与光子生物、光纤通信、空间碎片探测、激光加工及先进制造等方面。

激光晶体是固体激光器三个核心组成部分(泵浦源、激光晶体、谐振腔)之一，一般情况下，激光晶体由基质材料和激活粒子两部分组成，衡量在基质材料中掺杂激活粒子的度称为掺杂浓度，它是描述固体激光介质的一个重要参数。

激光晶体中掺杂的激活粒子会吸收泵浦光，所以其掺杂粒子浓度均匀性对泵浦光的吸收有很大影响，其浓度均匀性会直接影响激光器热分布、增益分布等重要参数，浓度不均匀可能会导致激光器输出功率、光束质量降低等不利后果。浓度分布不均匀时，由于对泵浦光的吸收不均匀，晶体内部产生的应力甚至会造成晶体炸裂的损失。对于大功率输出激光器，掺杂粒子浓度的均匀性更为重要。在对激光器进行设计时，激光晶体掺杂浓度均匀性是关键指标之一，因此对其均匀性及分布的准确测量尤为重要。

现有的技术方案：

专利申请号：200820109887.8，无损检测激光晶体掺杂浓度的装置；

专利申请号：94102343.5，无损检测钕在钇铭石榴石激光晶体中分布梯度装置，

现有的技术都是对透射激光晶体的光谱进行测试及分析，通过测试透过光的荧光寿命和光谱强度相对衰减量，根据已有的原理公式，计算得到掺杂粒子浓度。

在无损检测钕在钇铭石榴石激光晶体中分布梯度装置的专利中：其方法是采用吸收光谱测量检测系统检测Nd在YAG晶体中的梯度分布。

在无损检测激光晶体掺杂浓度的装置的专利中：对透射激光晶体的光谱进行测试及分析，通过测试透过的光的荧光寿命和荧光光谱图，计算得到激光晶体中掺杂粒子的浓度。

在无损检测钕在钇铭石榴石激光晶体中分布梯度装置的专利中：其方法是采用吸收光谱测量检测系统检测Nd在YAG晶体中的梯度分布。该方案采用器件较多，不仅结构复杂，而且造价很高，测试过程复杂，难以在实际中推广和应用。而且该装置一套只能检测一种晶体材料，重复率较低。

在无损检测激光晶体掺杂浓度的装置的专利中：对透射激光晶体的光谱进行测试及分析，通过测试透过的光的荧光寿命和荧光光谱图，计算得到激光晶体中掺杂粒子的浓度。该装置虽然结构简单，但无法对激光晶体局部进行定点测量及分析，也无法得到均匀性结果及分布图。

总之，现有的技术方案结构复杂，造价昂贵，重复率较低，测试过程也相对繁琐，甚至有些测试装置还存在安全隐患，很难在实际应用中推广实现，并且无法解决激光晶体局部或者整体掺杂浓度均匀性的测试问题，无法给出掺杂粒子浓度均匀性三维空间分布结果。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种结构简单，成本较低，操作简单且稳定可靠的激光晶体粒子掺杂浓度均匀性的测量方法及装置，该装置通过更换不同输出参数的泵浦源可解决不同形状及材料的激光晶体粒子掺杂浓度均匀性的测量难题，并且可以解决大尺寸(不小于100mm口径)激光晶体粒子掺杂浓度均匀性的测试(如板条激光晶体)，可以通过计算得到掺杂粒子浓度的三维空间分布图，可以对激光晶体局部进行粒子掺杂浓度均匀性测量。

本发明方案的总体技术实现方案：一种激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量方法，基于不同粒子掺杂浓度的激光晶体对波长的吸收系数不同，针对不同激光晶体材料，采用与激光晶体相应中心波长的LD光纤耦合模块输出泵浦激光晶体的任意轴向方向截面，在对应的激光晶体的透射面处使用功率计接收透射功率，将激光晶体置于二维平移台上，对所述接收的透射功率进行逐点扫面，最后将逐点扫面的数据拟合为经激光晶体对应截面方向吸收后的功率空间分布三维图形，最终对功率计测试到的每一个透过晶体后的功率点进行数据处理后得到晶体掺杂粒子浓度均匀性相对值的结果。

所述逐点扫描的具体过程如下：

(1)在激光晶体待测截面方向上标定初始扫描点的位置，对该扫描点透射的LD光纤耦合模块激光功率进行单位时间内的变化进行测试，通过计算机自动计算该扫描点的平均激光功率，并存储扫描点的位置信息；

(2)以初始扫描点为原点，二维平移台按照一定方向移动，依次完成整个激光晶体任意轴向方向截面的每个测试点的透射激光功率的扫描测试，并存储测试数据、移动距离和位置信息，二维平移台移动距离要求相邻测试点在透射光束横截面积范围内无交叉重合。

所述数据拟合的具体过程如下：

(1)提取已存储的所有测试点的激光平均功率和位置的数据信息，拟合出激光晶体待测横截面方向掺杂粒子浓度空间分布图：X轴和Z轴平面由所有测试点的横、纵坐标和平移台移动距离叠加构成，即所有测试点组成对应激光晶体整个待测横截面部分；Y轴方向为每个测试点对应的激光平均功率；

(2)采用以下公式计算出激光晶体掺杂粒子浓度均匀性P，其中P_max为测试点最大激光平均功率，P_min为测试点最小激光平均功率，P_avg为所有测试点激光功率的平均值。

一种激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量装置，其特征在于包括：LD冷却系统、LD激光电源、LD光纤耦合模块、光纤输出头、光纤接头调整架、激光晶体、功率计、二维平移台和计算机；

LD冷却系统：对激光二极管进行热平衡控制，确保激光二极管激光输出的中心波长稳定；

LD激光电源：为激光二极管提供稳定的工作电流；

LD光纤耦合模块：选用输出功率及激光晶体吸收中心波长相匹配的激光二极管，使掺杂粒子的激光晶体在激光二极管的中心波长处有强吸收峰，从而对入射的激光有明显吸收；

光纤输出头：用于均匀准直的输出LD光纤耦合模块发出的激光，光纤输出头的口径越小，测试精度越高；

光纤接头调整架：将光纤输出头固定于调整架上，能够进行四维，即前后、左右、上下、俯仰调节，使光纤输出头与激光晶体有间距，间距由光纤输出光斑直径、发散角、功率计探头接收面积以及探头与光纤输出头间距共同决定，且输出的泵浦激光垂直入射于激光晶体；

激光晶体：待测激光晶体。固定于二位平移台上，可以是掺杂不同浓度粒子不同基质材料的激光晶体，并且依据激光晶体成分选用不同输出波长的LD光纤耦合激光器，LD光纤耦合激光器包含LD冷却系统、LD电源、LD光纤耦合模块以及光纤输出头；

功率计：与计算机连接，选用覆盖LD光纤耦合模块输出激光波长及功率测量范围的功率计，用于对透过激光晶体后的LD光纤耦合模块输出激光的功率进行测量，并且将测试到的功率数据上传至功率计的数据采集软件内，功率计测试口径应大于LD光纤耦合模块透射激光晶体后的激光光束尺寸；

二维平移台：与计算机连接，用于固定及移动激光晶体，计算机通过操作平移台控制软件移动激光晶体，实现对LD光纤耦合模块输出激光透过激光晶体待测横截面积方向上测试点的逐点扫描；

计算机：用于对二维平移台扫描速率和方向实现电动控制；并且对功率计采集到的测试点激光功率数据进行拟合处理及计算分析，得到LD光纤耦合模块输出的激光功率透过激光晶体对应截面方向上的空间分布图，即为激光晶体掺杂浓度均匀性分布图。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的技术结构复杂，成本高昂，并且无法测量激光晶体粒子掺杂浓度的均匀性及空间分布。本发明具备以下优点：

(1)结构简单，易于操作。

(2)测试装置造价低廉，易于在实际应用中实现。

(3)LD光纤激光器波长可更换，适用于不同激光晶体的测试。

(4)泵浦激光由光纤输出，口径可控，测试精度较高。

(5)通过对激光晶体测试截面方向上LD光纤耦合模块输出激光的透射激光功率进行逐点扫描，然后将扫描结果拟合为整个激光晶体测试面的功率强度三维分布图，即得到激光晶体中掺杂粒子浓度均匀性分布图，最后通过公式计算出其均匀性。本发明适用于激光器晶体的测试研究，尤其对激光晶体粒子掺杂浓度均匀性分布要求较高的范围。

附图说明

图1为本发明测量装置组成框图；

图2为本发明的扫描测试示意图(以板条激光晶体为例)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量装置，包括：LD冷却系统1、LD激光电源2、LD光纤耦合模块3、光纤输出头4、光纤接头调整架5、激光晶体6、功率计7、二维平移台8和计算机9。

LD冷却系统1对激光二极管进行热平衡控制，确保激光二极管激光输出的中心波长稳定；

LD激光电源2为激光二极管提供稳定的工作电流；

LD光纤耦合模块3选用合适输出功率及晶体吸收中心波长相匹配的激光二极管，(每种掺杂粒子的激光晶体都有对应的泵浦激光波长的吸收曲线，曲线最高峰对应的泵浦光波长即为最佳匹配的泵浦激光波长，所以此数据要根据选用激光晶体及掺杂粒子的种类而确定)使掺杂粒子的激光晶体在其中心波长处有强吸收峰，从而对入射的激光功率有明显吸收。

光纤输出头4：用于均匀准直的输出光纤耦合模块发出的激光，需要知道的是输出激光口径越小，测试精度越高。

光纤接头调整架5：将光纤输出头固定于调整架5上，可进行四维调节，即前后、左右、上下和俯仰调节，使光纤头与激光晶体有合适的间距，且输出的泵浦激光垂直入射于激光晶体。

激光晶体6：被测试用的激光晶体，固定于二位平移台8上，可以是掺杂不同浓度粒子不同基质材料的激光晶体，并且依据晶体成分选用不同波长的LD光纤耦合激光器。

功率计7：通过数据线与计算机连接，选用覆盖LD光纤耦合模块输出激光波长及功率测量范围的功率计，用于对透过激光晶体后的LD激光的功率进行测量，并且将测试到的功率数据上传至功率计数据采集软件内，功率计测试口径应大于透射激光的光束尺寸。

二维平移台8：与其驱动控制器连接，控制线与计算机连接，用于支撑并固定激光晶体，通过操作平移台控制软件移动平移台，从而移动激光晶体，实现LD透过激光对激光晶体在大面积方向上的逐点扫描。

计算机9：用于对二维平移台的驱动控制器进行编程，结合数据采集速度进行扫描速率和方向的电动控制；并且可以对功率计采集到的功率数据进行拟合处理及计算分析，得到LD激光功率透过晶体大面积向上的空间分布图，即为激光晶体掺杂浓度均匀性分布图。

本发明具体实现过程如下(以板条激光晶体为例)：

(1)打开光纤耦合模块的LD冷却系统及LD激光电源，调节至正常稳定工作状态。

(2)将光纤输出头固定在光纤接头调整架上，将激光晶体固定于二维平移台上。

(3)调节光纤接头调整架，使光纤输出头与激光晶体有适当的间距，并使光纤输出的激光垂直入射激光晶体；调整功率计的探头位置，保证功率计的探头可以接收到全部LD光纤耦合模块透射激光晶体的激光功率。

(4)通过编制的测试软件自动控制调整二维电动平移台的移动方向和速率，对激光晶体进行“z”字形逐点扫描测试及数据采集：首先标定测试点①的位置，由测试点①开始扫描测试，每个测试点停留3秒钟，由功率计测试统计3秒时间该测试点的功率值，计算机自动计算并记录测试点①功率平均值P1，然后移动二维平移台至下一个测试点②，重复上述测试过程，测试并记录测试点②功率平均值P2，水平移动距离L_x要求测试区域无重合，即测试点①与测试点②无交叉重合，并且移动距离L_x将被记录在计算机内；当测试点移动至晶体材料最边缘位置时，向下移动距离L_y，重复第一行的测试过程，最后自动完成所有测试点的扫描测试和数据存储。

图2所示为板条晶体大面方向的扫描测试示意图，其中①、②等为测试点编号及位置，即是LD光纤输出头输出激光透过激光晶体的位置；箭头所示为平移台移动方向，即扫描方向。在完成第一行的扫描测试后到达测试点位置处，平移台自动上移，使激光晶体到达测试点位置处，继续进行反向扫描测试，依据上述测试过程最终完成整个板条晶体大面积方向上每个点的扫描测试。

(5)最后计算机通过数据处理及计算分析，可以得到激光晶体掺杂浓度均匀性相对值的结果及三维空间分布图。

所述数据处理及计算分析的具体过程如下：

(1)提取已存储的所有测试点的激光平均功率和位置的数据信息，拟合出激光晶体待测横截面方向掺杂粒子浓度空间分布图：X轴和Z轴平面由所有测试点的横、纵坐标和平移台移动距离叠加构成，即所有测试点组成对应激光晶体整个待测横截面部分；Y轴方向为每个测试点对应的激光平均功率。

(2)采用以下公式计算出激光晶体掺杂粒子浓度均匀性P，其中P_max为测试点最大激光平均功率，P_min为测试点最小激光平均功率，P_avg为所有测试点激光功率的平均值。

需要知道的是，上述测试方案可以推广应用到棒状、薄片等其他激光晶体的粒子掺杂浓度均匀性测试。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (4)

1.一种激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量方法，其特征在于：基于不同粒子掺杂浓度的激光晶体对波长的吸收系数不同，针对不同激光晶体材料，采用与激光晶体强吸收峰对应中心波长的LD光纤耦合模块输出泵浦激光晶体的任意轴向方向截面，在对应的激光晶体的透射面处使用功率计接收透射功率，将激光晶体置于二维平移台上，通过控制平移台的移动，实现对所述接收的透射功率进行逐点扫面，最后将逐点扫面的数据拟合为经激光晶体对应截面方向吸收后的功率空间分布三维图形，最终对功率计测试到的每一个透过晶体后的功率点进行数据处理后得到晶体掺杂粒子浓度均匀性相对值的结果。

2.根据权利要求1所述的激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量方法，其特征在于：所述逐点扫描的具体过程如下：

(1)在激光晶体待测截面方向上标定初始扫描点的位置，对该扫描点透射的LD光纤耦合模块激光功率进行单位时间内的变化进行测试，通过计算机自动计算该扫描点的平均激光功率，并存储扫描点的位置信息；

(2)以初始扫描点为原点，二维平移台按照一定方向移动，依次完成整个激光晶体任意轴向方向截面的每个测试点的透射激光功率的扫描测试，并存储测试数据、移动距离和位置信息，二维平移台移动距离要求相邻测试点在透射光束横截面积范围内无交叉重合。

3.根据权利要求1所述的激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量方法，其特征在于：所述数据拟合的具体过程如下：

(1)提取已存储的所有测试点的激光平均功率和位置的数据信息，拟合出激光晶体待测横截面方向掺杂粒子浓度空间分布图：X轴和Z轴平面由所有测试点的横、纵坐标和平移台移动距离叠加构成，即所有测试点组成对应激光晶体整个待测横截面部分；Y轴方向为每个测试点对应的激光平均功率；

(2)采用以下公式计算出激光晶体掺杂粒子浓度均匀性P，其中P_max为测试点最大激光平均功率，P_min为测试点最小激光平均功率，P_avg为所有测试点激光功率的平均值。

4.一种激光晶体粒子掺杂浓度均匀性测量装置，其特征在于包括：LD冷却系统、LD激光电源、LD光纤耦合模块、光纤输出头、光纤接头调整架、激光晶体、功率计、二维平移台和计算机；

LD冷却系统：对激光二极管进行热平衡控制，确保激光二极管激光输出的中心波长稳定；

LD激光电源：为激光二极管提供稳定的工作电流；

LD光纤耦合模块：选用输出功率及激光晶体吸收中心波长相匹配的激光二极管，使掺杂粒子的激光晶体在激光二极管的中心波长处有强吸收峰，从而对入射的激光有明显吸收；

光纤输出头：用于均匀准直的输出LD光纤耦合模块发出的激光，光纤输出头的口径越小，测试精度越高；

光纤接头调整架：将光纤输出头固定于调整架上，能够进行四维，即前后、左右、上下、俯仰调节，使光纤输出头与激光晶体有间距，间距由光纤输出光斑直径、发散角、功率计探头接收面积以及探头与光纤输出头间距共同决定，且输出的泵浦激光垂直入射于激光晶体；激光晶体：待测激光晶体。固定于二位平移台上，可以是掺杂不同浓度粒子不同基质材料的激光晶体，并且依据激光晶体成分选用不同输出波长的LD光纤耦合激光器，LD光纤耦合激光器包含LD冷却系统、LD电源、LD光纤耦合模块以及光纤输出头；

功率计：与计算机连接，选用覆盖LD光纤耦合模块输出激光波长及功率测量范围的功率计，用于对透过激光晶体后的LD光纤耦合模块输出激光的功率进行测量，并且将测试到的功率数据上传至功率计的数据采集软件内，功率计测试口径应大于LD光纤耦合模块透射激光晶体后的激光光束尺寸；

二维平移台：与计算机连接，用于固定及移动激光晶体，计算机通过操作平移台控制软件移动激光晶体，实现对LD光纤耦合模块输出激光透过激光晶体待测横截面积方向上测试点的逐点扫描；

计算机：用于对二维平移台扫描速率和方向实现电动控制；并且对功率计采集到的测试点激光功率数据进行拟合处理及计算分析，得到LD光纤耦合模块输出的激光功率透过激光晶体对应截面方向上的空间分布图，即为激光晶体掺杂浓度均匀性分布图。