CN108168726B - 一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法，该方法利用不同温度下增益介质中所掺杂稀土离子从热耦合能级向下跃迁产生的荧光强度比值作为标尺，通过测量固体激光器运转过程中增益介质内部某一位置处稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，实时准确获知该位置处增益介质的温度。本发明可以在固体激光器正常工作的情况下，实时测量激光器中增益介质内部温度分布，测试方法和装置简便，测量结果准确性高，对分析增益介质的热效应并进而改善固体激光器的运转性能具有重要意义。

Description

一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法
技术领域
本发明涉及固体激光及测温技术领域，尤其涉及一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法。
背景技术
固体激光器在运转过程中会有一部分能量在增益介质中转化为热量，并产生热透镜、热致双折射和热应力等效应，从而导致激光器运转效率和光束质量降低，甚至造成增益介质的破裂。因此，在不影响固体激光器正常工作的前提下，实时测量增益介质内部的温度分布对于分析其热效应并进而改善固体激光器的运转性能具有重要意义。
目前主要采用热光学、有限元模拟计算以及红外相机测温等方法来获得固体激光器中增益介质的温度分布。热光学和有限元模拟计算法均需先建立一个理论模型，然后根据具体实验条件和增益介质相关性能参数来估算模拟介质内部的温度分布，在模拟过程中需对模型做一些理想化的假设和简化，因此估算得到的增益介质内部温度与实际情况存在不同程度的差异。红外相机则只能测量增益介质表面的温度，无法获得其内部的实际温度分布。
固体激光增益介质一般采用掺杂稀土离子作为激活离子，稀土离子中如果两个相邻能级间的能量差在2000cm-1以内，则这两个相邻能级通常被称为热耦合能级。在热平衡条件下，热耦合能级上的布居粒子数遵循玻尔兹曼分布。当稀土离子所处区域的温度发生变化时，热耦合能级的布居粒子数比例随之发生改变，从而导致从热耦合能级向下跃迁产生的荧光强度比值随之改变。在固体激光器中，当泵浦光入射到增益介质时，介质中所掺杂的稀土激活离子可以直接布居，或通过上转换和能级间弛豫等过程间接布居到热耦合能级上。因此，利用不同温度下增益介质中所掺杂稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值作为标尺，通过测量固体激光器运转过程中增益介质内部不同位置处稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，即可实时准确获知该位置处增益介质的温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时测量固体激光器中增益介质内部温度分布的简易方法，并提高测量结果的准确性。
本发明采用的技术方案如下：
1.一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法，包括以下步骤：首先将掺杂稀土离子的增益介质置于可控温的样品仓中，根据需要设定测温范围和测温间隔，利用荧光光谱仪记录不同温度下增益介质中稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光谱；根据测得的荧光谱计算出不同温度下稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与增益介质温度的对应关系；然后将上述增益介质置于固体激光器的谐振腔中，谐振腔的输入和输出腔镜分别镀有适合该增益介质基波激光起振的介质膜，采用能被该增益介质有效吸收的光源作为泵浦源，实现固体激光器的激光运转；在激光运转的同时，将荧光收集和记录装置置于与激发光和激光通光方向相垂直的方向，测量增益介质内部某一位置处稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光谱；根据测得的荧光谱计算出稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与增益介质温度的对应关系，即可得出增益介质内部该位置处的温度；通过逐点扫描测量增益介质内部不同位置处的荧光谱，即可实时测得该增益介质内部的温度分布。
2.如项1所述的方法，其特征在于：所述增益介质所掺杂的稀土离子分别为Er3+，Yb3+，Nd3+，Eu3+，Ho3+，Dy3+，Tb3+，Tm3+，Pr3+，Sm3+。
3.如项2所述的方法，其特征在于：所述稀土离子Er3+的热耦合能级为2H11/2和4S3/2，或4G11/2和2H9/2；Yb3+的热耦合能级为2F5/2(a)和2F5/2(b)；Nd3+的热耦合能级为4F7/2+4S3/2和4F3/2，或4F7/2+4S3/2和2H9/2+4F5/2，或2H9/2+4F5/2和4F3/2；Eu3+的热耦合能级为5D1和5D0；Ho3+的热耦合能级为5G6+5F1和5F2，3+3K8，或5F4+5S2和5F5；Dy3+的热耦合能级为4I15/2和4F9/2；Tm3+的热耦合能级为1G4(a)和1G4(b)，或3F2,3和3H4；Pr3+的热耦合能级为3P0和3P1+1I6；Sm3+的热耦合能级为4F3/2和4G5/2。
4.如项2所述的方法，其特征在于：所述稀土离子Er3+掺杂浓度为3at.％～70at.％；Yb3+掺杂浓度为1at.％～100at.％；Nd3+掺杂浓度为0.2at.％～100at.％；Eu3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Ho3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Dy3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Tb3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Tm3+掺杂浓度为0.5at.％～20at.％；Pr3+掺杂浓度为0.2at.％～5at.％；Sm3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％。
5.如项1所述的方法，其特征在于：所述增益介质同时掺杂两种稀土离子，其中一种稀土离子作为敏化离子，另一种稀土离子作为激活离子；敏化离子吸收泵浦光后将能量传递给激活离子，再利用激活离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值测量增益介质的内部温度。
6.如项5所述的方法，其特征在于：所述敏化离子为Yb3+，所述激活离子分别为Er3 +，Nd3+，Ho3+，Dy3+，Tm3+；Yb3+掺杂浓度为5at.％～100at.％；Er3+掺杂浓度为0.2at.％～5at.％；Nd3+掺杂浓度为0.1at.％～10at.％；Ho3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Dy3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Tm3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；激活离子相应的热耦合能级如项3所述。
7.如项5所述的方法，其特征在于：所述敏化离子为Tm3+，所述激活离子为Ho3+；Tm3+掺杂浓度为5at.％～30at.％；Ho3+掺杂浓度为0.3at.％～5at.％；激活离子相应的热耦合能级如项3所述。
8.如项1所述的方法，其特征在于：所述增益介质同时掺杂两种稀土离子，所使用的热耦合能级为掺入的两种稀土离子共同提供。
9.如项8所述的方法，其特征在于：所述两种稀土离子为Eu3+和Dy3+，热耦合能级为Eu3+的5D0和Dy3+的4F9/2；或Dy3+和Tb3+，热耦合能级为Dy3+的4F9/2和Tb3+的5D4；或Tb3+和Pr3+，热耦合能级为Tb3+的5D4和Pr3+的1D2。
10.如项9所述的方法，其特征在于：所述稀土离子Eu3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Dy3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Tb3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Pr3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％。
采用本发明的技术方案可以在固体激光器正常工作的情况下，实时测得固体激光器中增益介质内部的温度分布，测试方法和装置简便，测量结果准确可靠。
附图说明
图1为本发明测量固体激光器中增益介质内部温度的一种装置简图及光路示意图。其中：1为泵浦源，2为准直透镜，3为聚焦透镜，4为可在荧光像平面上扫描测量的荧光记录装置(如光纤光谱仪)，5为荧光成像装置，6为谐振腔的输入镜，7为增益介质，8为谐振腔的输出镜。
具体实施方式
实例1：测量2.8～2.9μm波段固体激光器中Er3+掺杂激光晶体的温度。
将一块5×5×2mm3定向切割抛光后的(15at.％)Er3+:LiYF4晶体置于可控温的样品仓中，晶体光轴方向厚度为2mm，设定测温范围为300～600K，测温间隔为30K。用976nm波段光源激发该晶体，晶体中Er3+吸收激发光后通过上转换将粒子布居到2H11/2和4S3/2热耦合能级，然后粒子从热耦合能级跃迁回4I15/2基态，发射出中心波长分别约为530和550nm的荧光。采用荧光光谱仪记录不同温度下Er3+:LiYF4晶体5×2mm2面方向从2H11/2和4S3/2能级跃迁产生的荧光谱，根据测得的荧光谱计算出不同温度下从这两个能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与晶体温度的对应关系。然后，将该Er3+:LiYF4晶体作为增益介质置于平凹激光谐振腔中靠近输入镜的位置，晶体光轴方向为泵浦光和基波激光通光方向。激光腔输入镜在976nm波段处透过率为90％，在2.8～2.9μm波段处透过率为0.2％，激光腔输出镜在2.8～2.9μm波段处透过率为1.2％，利用8W的976nm半导体激光泵浦该晶体5×5mm2面即可实现2.8～2.9μm波段固体激光输出。在2.8～2.9μm波段固体激光运转的同时，在与Er3+:LiYF4晶体5×2mm2面平行的方向放置聚焦透镜和光纤光谱仪，收集和记录该泵浦功率下从2H11/2和4S3/2能级跃迁产生的荧光光谱。根据测得的晶体内部某一位置处的荧光谱，计算出从该热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与晶体温度的对应关系，即可得出8W泵浦功率下晶体内部该位置处的温度。通过改变泵浦功率和光纤光谱仪中光纤探头的位置，逐点扫描可得到不同泵浦功率下激光晶体内部不同位置处的温度。另外，使用但不限于使用如下表格中的材料作为2.8～2.9μm波段固体激光器的增益介质，采用以上的技术方案也可以实现同样的效果。
增益介质 Er<sup>3+</sup>掺杂浓度
Er<sup>3+</sup>:LiYF<sub>4</sub>激光晶体 4at.％
Er<sup>3+</sup>:LiYF<sub>4</sub>激光晶体 30at.％
Er<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 30at.％
Er<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 50at.％
Er<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 70at.％
实例2：测量1.06μm波段固体激光器中Nd3+掺杂激光晶体的温度。
将一块6×6×8mm3切割抛光后的(0.5at.％)Nd3+:YAG激光晶体置于可控温的样品仓中，设定测温范围为300～570K，测温间隔为30K。用807nm光源激发该晶体，晶体中Nd3+吸收激发光能量后将粒子布居到2H9/2+4F5/2和4F3/2热耦合能级，然后粒子从热耦合能级跃迁回4I9/2基态，发射出中心波长分别约为810和863nm的荧光。采用荧光光谱仪记录不同温度下Nd3+:YAG晶体6×8mm2面方向从2H9/2+4F5/2和4F3/2能级跃迁产生的荧光谱，根据测得的荧光谱计算出不同温度下从这两个能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与晶体温度的对应关系。然后，将该Nd3+:YAG晶体作为增益介质置于激光谐振腔中靠近输入镜的位置，晶体6×6mm2面方向垂直于泵浦光和基波激光通光方向。激光腔输入镜在807nm波长处透过率为95％，在1.06μm波段处透过率为0.1％，激光腔输出镜在1.06μm波段处透过率为3％，利用4W的807nm半导体激光端面泵浦该晶体6×6mm2面即可实现1.06μm波段固体激光输出。在1.06μm波段固体激光运转的同时，在与Nd3+:YAG晶体6×8mm2面平行的方向放置聚焦透镜和光纤光谱仪，收集和记录该泵浦功率下从2H9/2+4F5/2和4F3/2能级跃迁产生的荧光光谱。根据测得的晶体内部某一位置处的荧光谱，计算出从该热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与晶体温度的对应关系，即可得出4W泵浦功率下晶体内部该位置处的温度。通过改变泵浦功率和光纤光谱仪中光纤探头的位置，逐点扫描可得到不同泵浦功率下激光晶体内部不同位置处的温度。另外，使用但不限于使用如下表格中的材料作为1.06μm波段固体激光器的增益介质，采用以上的技术方案也可以实现同样的效果。
增益介质 Nd<sup>3+</sup>掺杂浓度
Nd<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 3at.％
Nd<sup>3+</sup>:YAB激光晶体 0.5at.％
NdAl<sub>3</sub>(BO<sub>3</sub>)<sub>4</sub>激光晶体 100at.％
Nd<sup>3+</sup>:YVO<sub>4</sub>激光晶体 0.3at.％
Nd<sup>3+</sup>:YVO<sub>4</sub>激光晶体 8at.％
Nd<sup>3+</sup>:YAG激光陶瓷 0.8at.％
Nd<sup>3+</sup>:YAG激光陶瓷 5at.％
实例3：测量575nm黄光波段固体激光器中Dy3+掺杂激光晶体的温度。
将一块6×4×8mm3定向切割抛光后的(1.85at.％)Dy3+:Lu2Si2O7晶体置于可控温的样品仓中，X轴方向厚度为6mm，Y轴方向厚度为4mm，Z轴方向厚度为8mm，设定测温范围为300～540K，测温间隔为30K。用447nm光源激发该晶体，晶体中Dy3+吸收激发光能量后将粒子布居到4I15/2和4F9/2热耦合能级，然后粒子从热耦合能级跃迁回6H15/2基态，发射出中心波长分别约为455和478nm的荧光。采用荧光光谱仪记录不同温度下Dy3+:Lu2Si2O7晶体4×8mm2面方向从4I15/2和4F9/2能级跃迁产生的荧光谱，根据测得的荧光谱计算出不同温度下从这两个能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与晶体温度的对应关系。然后，将该Dy3+:Lu2Si2O7晶体作为增益介质置于平凹激光谐振腔中靠近输入镜的位置，晶体6×4mm2面方向垂直于泵浦光和基波激光通光方向。激光腔输入镜在447nm波长处透过率为95％，在575nm黄光波段处透过率为0.2％，激光腔输出镜在575nm黄光波段处透过率为2.0％，利用5W的447nm半导体激光端面泵浦该晶体6×4mm2面即可实现575nm黄光波段固体激光输出。在575nm黄光波段固体激光运转的同时，在与Dy3+:Lu2Si2O7晶体4×8mm2面平行的方向放置聚焦透镜和光纤光谱仪，收集和记录该泵浦功率下从4I15/2和4F9/2能级跃迁产生的荧光光谱。根据测得的晶体内部某一位置处的荧光谱，计算出从该热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与晶体温度的对应关系，即可得出5W泵浦功率下晶体内部该位置处的温度。通过改变泵浦功率和光纤光谱仪中光纤探头的位置，逐点扫描可得到不同泵浦功率下激光晶体内部不同位置处的温度。另外，使用但不限于使用如下表格中的材料作为575nm黄光波段固体激光器的增益介质，采用以上的技术方案也可以实现同样的效果。
增益介质 Dy<sup>3+</sup>掺杂浓度
Dy<sup>3+</sup>:Lu<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>7</sub>激光晶体 0.5at.％
Dy<sup>3+</sup>:Lu<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>7</sub>激光晶体 5at.％
Dy<sup>3+</sup>:YAB激光晶体 1at.％
Dy<sup>3+</sup>:YAB激光晶体 5at.％
实例4：测量650nm红光波段固体激光器中Pr3+掺杂激光晶体的温度。
将一块4×4×10mm3定向切割抛光后的(0.2at.％)Pr3+:LiYF4晶体置于可控温的样品仓中，晶体光轴方向厚度为10mm，设定测温范围为300～500K，测温间隔为20K。用444nm光源激发该晶体，晶体中Pr3+吸收激发光能量后将粒子布居到3P1+1I6和3P0热耦合能级，然后粒子从热耦合能级跃迁回3H4基态，发射出中心波长分别约为520和545nm的荧光。采用荧光光谱仪记录不同温度下Pr3+:LiYF4晶体4×10mm2面方向从3P1+1I6和3P0能级跃迁产生的荧光谱，根据测得的荧光谱计算出不同温度下从这两个能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与晶体温度的对应关系。然后，将该Pr3+:LiYF4晶体作为增益介质置于激光谐振腔中靠近输入镜的位置，晶体光轴方向为泵浦光和基波激光通光方向。激光腔输入镜在444nm波长处透过率为90％，在650nm红光波段处透过率为0.1％，激光腔输出镜在650nm红光波段处透过率为2.5％，利用3W的444nm半导体激光端面泵浦该晶体4×4mm2面即可实现650nm红光波段固体激光输出。在650nm红光波段固体激光运转的同时，在与Pr3+:LiYF4晶体4×10mm2面平行的方向放置聚焦透镜和光纤光谱仪，收集和记录该泵浦功率下从3P1+1I6和3P0能级跃迁产生的荧光光谱。根据测得的晶体内部某一位置处的荧光谱，计算出从该热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与晶体温度的对应关系，即可得出3W泵浦功率下晶体内部该位置处的温度。通过改变泵浦功率和光纤光谱仪中光纤探头的位置，逐点扫描可得到不同泵浦功率下激光晶体内部不同位置处的温度。另外，使用但不限于使用如下表格中的材料作为650nm红光波段固体激光器的增益介质，采用以上的技术方案也可以实现同样的效果。
增益介质 Pr<sup>3+</sup>掺杂浓度
Pr<sup>3+</sup>:LiYF<sub>4</sub>激光晶体 3at.％
Pr<sup>3+</sup>:BaY<sub>2</sub>F<sub>8</sub>激光晶体 0.36at.％
Pr<sup>3+</sup>:BaY<sub>2</sub>F<sub>8</sub>激光晶体 3at.％
实例5：测量1.9μm波段固体激光器中Tm3+掺杂激光晶体的温度。
将一块2×4×5mm3定向切割抛光后的(4.2at.％)Tm3+:YAP晶体置于可控温的样品仓中，X轴方向厚度为2mm，Y轴方向厚度为4mm，Z轴方向厚度为5mm，设定测温范围为300～720K，测温间隔为60K。用795nm光源激发该晶体，晶体中Tm3+吸收激发光能量后通过上转换将基态粒子布居到3F2,3和3H4热耦合能级，然后粒子从热耦合能级跃迁回3H6基态，发射出中心波长分别约为697和800nm的荧光。采用荧光光谱仪记录不同温度下Tm3+:YAP晶体2×4mm2面方向从3F2,3和3H4能级跃迁产生的荧光谱，根据测得的荧光谱计算出不同温度下从这两个能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与晶体温度的对应关系。然后，将该Tm3+:YAP晶体作为增益介质置于激光谐振腔中靠近输入镜的位置，晶体4×5mm2面方向垂直于泵浦光和基波激光通光方向。激光腔输入镜在795nm波长处透过率为95％，在1.9μm波段处透过率为0.2％，激光腔输出镜在1.9μm波段处透过率为3％，利用6W的795nm半导体激光端面泵浦该晶体4×5mm2面即可实现1.9μm波段固体激光输出。在1.9μm波段固体激光运转的同时，在与Tm3+:YAP晶体2×4mm2面平行的方向放置聚焦透镜和光纤光谱仪，收集和记录该泵浦功率下从3F2,3和3H4能级跃迁产生的荧光光谱。根据测得的晶体内部某一位置处的荧光谱，计算出从该热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与晶体温度的对应关系，即可得出6W泵浦功率下晶体内部该位置处的温度。通过改变泵浦功率和光纤光谱仪中光纤探头的位置，逐点扫描可得到不同泵浦功率下激光晶体内部不同位置处的温度。另外，使用但不限于使用如下表格中的材料作为1.9μm波段固体激光器的增益介质，采用以上的技术方案也可以实现同样的效果。
增益介质 Tm<sup>3+</sup>掺杂浓度
Tm<sup>3+</sup>:YAP激光晶体 2at.％
Tm<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 6at.％
Tm<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 12at.％
实例6：测量1.5～1.6μm波段固体激光器中Er3+:Yb3+双掺激光晶体的温度。
将一块5×5×1.5mm3定向切割抛光后的(1.1at.％)Er3+:(24at.％)Yb3+:LuAl3(BO3)4晶体置于可控温的样品仓中，晶体光轴方向厚度为1.5mm，设定测温范围为300～700K，测温间隔为40K。用976nm光源激发该晶体，晶体中Yb3+吸收激发光后将能量传递给Er3 +，Er3+再通过上转换过程将粒子布居到2H11/2和4S3/2热耦合能级，然后粒子从热耦合能级跃迁回4I15/2基态，发射出中心波长分别约为530和550nm的荧光。采用荧光光谱仪记录不同温度下Er3+:Yb3+:LuAl3(BO3)4晶体5×1.5mm2面方向从2H11/2和4S3/2能级跃迁产生的荧光谱，根据测得的荧光谱计算出不同温度下从这两个能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与晶体温度的对应关系。然后，将该Er3+:Yb3+:LuAl3(BO3)4晶体作为增益介质置于平凹激光谐振腔中靠近输入镜的位置，晶体光轴方向为泵浦光和基波激光通光方向。激光腔输入镜在976nm波长处透过率为90％，在1.5～1.6μm波段处透过率为0.1％，激光腔输出镜在1.5～1.6μm波段处透过率为1.5％，利用5W的976nm半导体激光泵浦该晶体5×5mm2面即可实现1.5～1.6μm波段固体激光输出。在1.5～1.6μm波段固体激光运转的同时，在与Er3+:Yb3 +:LuAl3(BO3)4晶体5×1.5mm2面平行的方向放置聚焦透镜和光纤光谱仪，收集和记录该泵浦功率下从2H11/2和4S3/2能级跃迁产生的荧光光谱。根据测得的晶体内部某一位置处的荧光谱，计算出从该热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与晶体温度的对应关系，即可得出5W泵浦功率下晶体内部该位置处的温度。通过改变泵浦功率和光纤光谱仪中光纤探头的位置，逐点扫描可得到不同泵浦功率下激光晶体内部不同位置处的温度。另外，使用但不限于使用如下表格中的材料作为1.5～1.6μm波段固体激光器的增益介质，采用以上的技术方案也可以实现同样的效果。
增益介质 Er<sup>3+</sup>掺杂浓度 Yb<sup>3+</sup>掺杂浓度
Er<sup>3+</sup>:Yb<sup>3+</sup>:LuAl<sub>3</sub>(BO<sub>3</sub>)<sub>4</sub>激光晶体 0.8at.％ 30at.％
Er<sup>3+</sup>:YbAl<sub>3</sub>(BO<sub>3</sub>)<sub>4</sub>激光晶体 2at.％ 100at.％
Er<sup>3+</sup>:Yb<sup>3+</sup>共掺磷酸盐激光玻璃 0.2at.％ 18at.％
Er<sup>3+</sup>:Yb<sup>3+</sup>共掺磷酸盐激光玻璃 1.2at.％ 25at.％
实例7：测量2.1μm波段固体激光器中Ho3+:Tm3+双掺激光晶体的温度。
将一块5×5×1.4mm3切割抛光后的(0.9at.％)Ho3+:(14at.％)Tm3+:YAG晶体置于可控温的样品仓中，设定测温范围为300～550K，测温间隔为25K。用795nm光源激发该晶体，晶体中Tm3+吸收激发光后将能量传递给Ho3+，Ho3+再通过上转换过程将粒子布居到5F4+5S2和5F5热耦合能级，然后粒子从热耦合能级跃迁回5I8基态，发射出中心波长分别约为540和680nm的荧光。采用荧光光谱仪记录不同温度下Ho3+:Tm3+:YAG晶体5×1.4mm2面方向从5F4+5S2和5F5能级跃迁产生的荧光谱，根据测得的荧光谱计算出不同温度下从这两个能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与晶体温度的对应关系。然后，将该Ho3+:Tm3+:YAG晶体作为增益介质置于激光谐振腔中靠近输入镜的位置，晶体5×5mm2面方向垂直于泵浦光和基波激光通光方向。激光腔输入镜在795nm波长处透过率为90％，在2.1μm波段处透过率为0.5％，激光腔输出镜在2.1μm波段处透过率为1.5％，利用4W的795nm半导体激光端面泵浦该晶体5×5mm2面即可实现2.1μm波段固体激光输出。在2.1μm波段固体激光运转的同时，在与Ho3+:Tm3+:YAG晶体5×1.4mm2面平行的方向放置聚焦透镜和光纤光谱仪，收集和记录该泵浦功率下从5F4+5S2和5F5能级跃迁产生的荧光光谱。根据测得的晶体内部某一位置处的荧光谱，计算出从该热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与晶体温度的对应关系即可得出4W泵浦功率下晶体内部该位置处的温度。通过改变泵浦功率和光纤光谱仪中光纤探头的位置，逐点扫描可得到不同泵浦功率下激光晶体内部不同位置处的温度。另外，使用但不限于使用如下表格中的材料作为2.1μm波段固体激光器的增益介质，采用以上的技术方案也可以实现同样的效果。
增益介质 Ho<sup>3+</sup>掺杂浓度 Tm<sup>3+</sup>掺杂浓度
Ho<sup>3+</sup>:Tm<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 0.36at.％ 5.7at.％
Ho<sup>3+</sup>:Tm<sup>3+</sup>:YAG激光晶体 5at.％ 20at.％
Ho<sup>3+</sup>:Tm<sup>3+</sup>:LiYF<sub>4</sub>激光晶体 0.5at.％ 5.2at.％

Claims (10)

1.一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法，包括以下步骤：首先将掺杂稀土离子的增益介质置于可控温的样品仓中，根据需要设定测温范围和测温间隔，利用荧光光谱仪记录不同温度下增益介质中稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光谱；根据测得的荧光谱计算出不同温度下稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，获得荧光强度比值与增益介质温度的对应关系；然后将上述增益介质置于固体激光器的谐振腔中，谐振腔的输入和输出腔镜分别镀有适合该增益介质基波激光起振的介质膜，采用能被该增益介质有效吸收的光源作为泵浦源，实现固体激光器的激光运转；在激光运转的同时，将荧光收集和记录装置置于与激发光和激光通光方向相垂直的方向，测量增益介质内部某一位置处稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光谱；根据测得的荧光谱计算出稀土离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值，对比预先得到的荧光强度比值与增益介质温度的对应关系，即可得出增益介质内部该位置处的温度；通过逐点扫描测量增益介质内部不同位置处的荧光谱，即可实时测得该增益介质内部的温度分布。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述增益介质所掺杂的稀土离子分别为Er3+，Yb3+，Nd3+，Eu3+，Ho3+，Dy3+，Tb3+，Tm3+，Pr3+，Sm3+。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述稀土离子Er3+的热耦合能级为2H11/2和4S3/2，或4G11/2和2H9/2；Yb3+的热耦合能级为2F5/2(a)和2F5/2(b)；Nd3+的热耦合能级为4F7/2+4S3/2和4F3/2，或4F7/2+4S3/2和2H9/2+4F5/2，或2H9/2+4F5/2和4F3/2；Eu3+的热耦合能级为5D1和5D0；Ho3+的热耦合能级为5G6+5F1和5F2，3+3K8，或5F4+5S2和5F5；Dy3+的热耦合能级为4I15/2和4F9/2；Tm3+的热耦合能级为1G4(a)和1G4(b)，或3F2,3和3H4；Pr3+的热耦合能级为3P0和3P1+1I6；Sm3+的热耦合能级为4F3/2和4G5/2。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述稀土离子Er3+掺杂浓度为3at.％～70at.％；Yb3+掺杂浓度为1at.％～100at.％；Nd3+掺杂浓度为0.2at.％～100at.％；Eu3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Ho3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Dy3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Tb3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Tm3+掺杂浓度为0.5at.％～20at.％；Pr3+掺杂浓度为0.2at.％～5at.％；Sm3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述增益介质同时掺杂两种稀土离子，其中一种稀土离子作为敏化离子，另一种稀土离子作为激活离子；敏化离子吸收泵浦光后将能量传递给激活离子，再利用激活离子从热耦合能级跃迁产生的荧光强度比值测量增益介质的内部温度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述敏化离子为Yb3+，所述激活离子分别为Er3+，Nd3+，Ho3+，Dy3+，Tm3+；Yb3+掺杂浓度为5at.％～100at.％；Er3+掺杂浓度为0.2at.％～5at.％；Nd3+掺杂浓度为0.1at.％～10at.％；Ho3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Dy3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Tm3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；所述Er3+的热耦合能级为2H11/2和4S3/2，或4G11/2和2H9/2；Nd3+的热耦合能级为4F7/2+4S3/2和4F3/2，或4F7/2+4S3/2和2H9/2+4F5/2，或2H9/2+4F5/2和4F3/2；Ho3+的热耦合能级为5G6+5F1和5F2，3+3K8，或5F4+5S2和5F5；Dy3+的热耦合能级为4I15/2和4F9/2；Tm3+的热耦合能级为1G4(a)和1G4(b)，或3F2,3和3H4。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述敏化离子为Tm3+，所述激活离子为Ho3+；Tm3+掺杂浓度为5at.％～30at.％；Ho3+掺杂浓度为0.3at.％～5at.％；所述Ho3+的热耦合能级为5G6+5F1和5F2，3+3K8，或5F4+5S2和5F5。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述增益介质同时掺杂两种稀土离子，所使用的热耦合能级为掺入的两种稀土离子共同提供。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述两种稀土离子为Eu3+和Dy3+，热耦合能级为Eu3+的5D0和Dy3+的4F9/2；或Dy3+和Tb3+，热耦合能级为Dy3+的4F9/2和Tb3+的5D4；或Tb3+和Pr3+，热耦合能级为Tb3+的5D4和Pr3+的1D2。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：Eu3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Dy3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％；Tb3+掺杂浓度为0.5at.％～100at.％；Pr3+掺杂浓度为0.5at.％～5at.％。
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