CN201273880Y - 无损检测激光晶体掺杂浓度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光晶体掺杂浓度的检测装置，包括激发单元、信号采集单元、检测单元和计算单元；其中所述激发单元产生能够照射到所述激光晶体并激发其产生荧光的光；所述信号采集单元用于接收所述荧光并将其入射到所述检测单元；所述检测单元与计算单元相连，用于接收来自所述信号采集单元的荧光并测量激光晶体的荧光寿命和荧光光谱图，然后将该数据传送给计算单元；所述计算单元根据所接收到的数据计算所述激光晶体中激活离子的掺杂浓度。该装置结构简单、操作快捷，可广泛应用于检测多种激光晶体的掺杂浓度。

Description

无损检测激光晶体掺杂浓度的装置

技术领域

本实用新型涉及一种检测装置，尤其涉及一种无损检测激光晶体掺杂浓度的装置。

背景技术

一般地，固体激光介质由基质材料和激活离子两部分组成。衡量激活离子在基质材料中掺杂的度称为掺杂浓度，它是描述固体激光介质的一个重要参数。激光晶体掺杂浓度传统的测量方法为破坏性检测方法，即从激光晶体上切下一块，汽化后用光谱方法来测量激光晶体中掺杂物质的含量，这种方法不能确切反应每块激光晶体各个部位的实际掺杂情况，而且如果对加工好的激光晶体棒检测就会造成破坏，经济损失较大。

在ZL94102343.5的中国专利中公开了一种无损检测Nd在YAG晶体中分布梯度的装置，如图1所示。其方法是采用吸收光谱测量系统检测Nd在YAG晶体轴向的分布梯度。将Nd：YAG晶体120放在盛有折射率与Nd：YAG晶体120大致相同的液体玻璃池112中，从而减小Nd：YAG棒120表面的散射光，由半导体激光器101发射的激光经第一显微镜103、第一衰减片105、平凹反射镜109和光阑111再径向通过Nd：YAG晶体120及聚光镜113，由光电转换器114接收和用示波器115测量并显示吸收光谱数据，由半导体激光器102发射的激光经第二显微镜104、第二衰减片106、反射镜110和109和光阑111再径向通过Nd：YAG晶体120及聚光镜113，由光电转换器114接收和用示波器115测量并显示散射光谱数据。利用测量的吸收光谱和散射光谱数据算出Nd：YAG晶体120吸收系数及已知钕掺杂浓度的参考棒的吸收系数，掺杂浓度和吸收系数的关系式为 $\frac{N_{\mathrm{\ρ}}^{*}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ}}}=\frac{N_r^{*}}{{\mathrm{\α}}_r^{*}},$ 其中，

为参考棒的掺钕浓度，α_r为参考棒的吸收系数，

为被测棒的掺钕浓度，α_ρ为被测棒的吸收系数，根据此关系式可计算出Nd：YAG晶体120的掺钕浓度

然而，由于上述装置使用了较多器件，不仅结构复杂，而且整套装置造价高，难以在实际应用中推广和使用，而且装置中的玻璃池112需要装有与激光晶体折射率相近的液体，玻璃池112外形及尺寸也需要经过特殊制备才能使用，一套装置只适合检测一种激光晶体，使得装置重复使用性降低，这些都给检测人员带来不便，另外，激光晶体掺杂浓度不能实时显示，整个过程必须经过多次繁琐的计算，给实验人员带来难度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种结构简单且易于操作的一种快速无损检测激光晶体掺杂浓度的装置。

根据本发明的一个方面，提供一种激光晶体掺杂浓度的检测装置，包括：激发单元、信号采集单元、检测单元和计算单元；其中

所述激发单元产生能够照射到所述激光晶体并激发其产生荧光的光；

所述信号采集单元用于接收所述荧光并将其入射到所述检测单元；

所述检测单元与计算单元相连，用于接收来自所述信号采集单元的荧光并测量激光晶体的荧光寿命，然后将该荧光寿命值传送给计算单元；

所述计算单元根据所接收到的荧光寿命值计算所述激光晶体中激活离子的掺杂浓度。

根据本发明的另一个方面，其中所述激发单元包括泵浦源，所述泵浦源用于产生能够激发出所述激光晶体荧光的光；

还包括耦合透镜，所述耦合透镜用于将所述泵浦源所发射的光耦合至所述激光晶体，以激发所述激光晶体发出荧光。

根据本发明的又一个方面，其中所述信号采集单元包括小孔光阑或滤光片，所述小孔光阑或滤光片用于滤除杂散光；

还包括平凹反射镜或聚焦透镜，所述平凹反射镜或聚焦透镜用于反射或会聚所接收到的荧光到所述小孔光阑或滤光片；

还包括全息光栅，其接收所述荧光，形成衍射光，然后发送至所述小孔光阑或滤光片，用于所述检测单元检测出激光晶体的荧光谱线图。

根据本发明的再一个方面，其中所述检测单元包括光电转换元件和示波器，所述光电转换元件与所述示波器相连接，用于将光信号转换为电信号并将其传导至所述示波器；所述示波器与所述计算单元相连接，用于将所测的数据传送给所述计算单元。

在上述技术方案中，所述泵浦源可以为半导体激光器、固体激光器、氙灯或氪灯；所述光电转换元件可以为光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管。

与现有激光晶体掺杂浓度的检测装置相比，本实用新型的优点在于：

1.采用常规实验设备，整个装置易于构建，成本低；

2.装置操作简单、快捷，通过显示屏可实时显示测量结果，不需要进行二次计算；

3.所有元器件不需要改动，可以广泛应用于检测多种激光晶体的掺杂浓度，重复使用性高。

附图说明

以下结合附图，对本实用新型进行详细说明。

图1为现有技术的Nd：YAG激光晶体掺杂浓度的检测装置示意图；

图2为本实用新型实施例的一种激光晶体掺杂浓度的检测装置示意图；

图3为本实用新型实施例的另一种激光晶体掺杂浓度的检测装置示意图。

具体实施方式

由于激光晶体的激活离子掺杂浓度和激光晶体的荧光寿命成一一对应关系，本实用新型根据这一物理原理通过检测激光晶体的荧光寿命来确定其掺杂浓度。这就首先需要一套已知的不同掺杂浓度下的激光晶体荧光寿命的标准值，将掺杂浓度和与其一一对应的荧光寿命标准值存储在计算单元中，可选的荧光谱线图标准值也可以存储在计算单元中。标准值可以采用传统的破坏性方法进行测量，并对该种激光晶体的荧光寿命与激活离子掺杂浓度进行曲线拟合，生成关于荧光寿命的函数，例如y＝f(x)，其中y指该种激光晶体的激活离子掺杂浓度，x指所对应的荧光寿命。同时建立一套计算程序，将上述函数输入到程序中，使计算单元在接收到待测激光晶体的荧光寿命值(例如x₁)后，能够根据x₁计算出所对应的激活离子掺杂浓度y₁，并由显示屏显示出来。优选地，在计算单元程序中具有多种激光晶体的荧光寿命曲线拟合函数，以供操作人员在检测之前进行选定。

因此，本实用新型提供一种激光晶体掺杂浓度的检测装置，包括激发单元、信号采集单元、检测单元和计算单元，其中所述激发单元产生能够照射到所述激光晶体并激发其产生荧光的光；所述信号采集单元用于接收所述荧光并将其入射到所述检测单元；所述检测单元与计算单元相连，用于接收来自所述信号采集单元的荧光并测量激光晶体的荧光寿命，然后将该数据传送给计算单元；所述计算单元根据所接收到的数据计算所述激光晶体中激活离子的掺杂浓度。在一个实施例中，所述激发单元包括泵浦源，可选的还包括耦合透镜；所述信号采集单元包括小孔光阑，可选地还包括平凹反射镜，此外还可选的包括全息光栅，加入全息光栅时可获得激光晶体的荧光光谱图；所述检测单元包括光电转换元件和示波器。

图2为本实用新型一个实施例的激光晶体掺杂浓度的检测装置示意图。所述装置包括半导体泵浦源201、耦合透镜202、激光晶体203、平凹反射镜204、全息光栅205、小孔光阑206、光电转换元件207、示波器208和计算单元209。其中，所述平凹反射镜204的凹面用来反射荧光到全息光栅205，所述光电转换元件207与所述示波器208相连接，用于将光信号转换为电信号并将其传导至所述示波器208；所述示波器208还与所述计算单元209相连，用于将所测的数据传送给所述计算单元209；所述计算单元209根据所接收到的数据计算所述激光晶体的掺杂浓度并由显示屏显示出来。在本实施例中所述泵浦源201为发射波长为808nm的脉冲式GaAs半导体激光器，所述激光晶体203为掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)晶体，所述光电转换元件207为光电二极管(PIN)。其中，所采用的脉冲式GaAs半导体激光器设定为相邻两个光脉冲之间的时间间隔Δt必须大于激光晶体荧光寿命且脉冲宽度τ小于激光晶体荧光寿命。激光晶体荧光寿命可以通过试探性方法获取，例如，首先给激光晶体一个单脉冲，观测其荧光寿命，然后根据激光晶体荧光寿命再对脉冲间隔和脉冲宽度进行设定。下面对装置的工作过程进行简要说明。

首先，GaAs半导体激光器201发射波长为808nm的激光，经过耦合透镜202耦合到Nd：YAG晶体203，并激发Nd：YAG晶体203产生荧光；随后平凹反射镜204将所述荧光反射到全息光栅205上形成衍射光，衍射光再通过小孔光阑206入射到PIN207内，所述PIN207将衍射光信号转换为电信号并放大电信号将其传导至示波器208，示波器208记录并显示荧光谱线图和荧光寿命，同时将该数据传送到计算单元209，荧光谱线图作为一个附加参考项和标准谱图比较，所述计算单元209根据所接收到的荧光寿命计算出待测激光晶体的掺杂浓度并实时显示其掺杂浓度。其中，所述全息光栅205起到分光的作用；所述小孔光阑206起到过滤杂散光抑制噪声的作用。

本装置还可以进一步检测出任意轴向截面激光晶体激活离子掺杂浓度，例如，希望检测端面a、b和截面c的激活离子掺杂浓度，此时需要在小孔光阑206和PIN207的中间位置插入光开关，光开关具有时间选通功能，通过时间设定，限定分别只有b、c和a截面的荧光可以通过，然后按照上述方法分别进行测试并记录三个截面的相关数据，所获得的检测结果即是激活离子在激光晶体各个截面的掺杂浓度。

对于本领域技术人员应该理解，本实施例所采用的GaAs半导体激光器仅为示例性的，也可以使用其他能够激发出Nd：YAG荧光的泵浦源，比如固体激光器、氙灯或氪灯等。此外，本实施例仅将Nd：YAG作为例子，其他诸如Nd：YVO₄、Er：YAG、Yb：YAG、Tm：YAG、Nd：YLF等都可以作为被测的激光晶体，然而，应该注意的是，激发单元的选择应取决于被测的激光晶体，这是由于不同激光晶体的吸收谱的中心波长不同。此外，在上述装置中，还可以使用雪崩光电二极管或光电倍增管等其他光电转换元件来替代光电二极管，使用聚焦透镜代替平凹反射镜，使用滤光片代替小孔光阑。当使用聚焦透镜时元件位置需要作适当调整，即将所有元件放置在与激光晶体同一轴线上。

可选择的，还可以采用另一种激光晶体掺杂浓度的检测装置，包括泵浦源301、耦合透镜302、激光晶体303、平凹反射镜304、小孔光阑305、光电转换元件306、示波器307和计算单元308。由于和图2所示的装置相比，图3中仅缺少了全息光栅，因此由待测激光晶体303所产生的荧光通过平凹反射镜304的反射直接进入小孔光阑305，小孔光阑305位于荧光焦点处，小孔光阑305孔径大小要保证荧光可以充分进入小孔，然后荧光入射到光电二极管306，在示波器307中不能显示出待测激光晶体303荧光光谱的谱线图，而只能检测到待测激光晶体303的荧光寿命，并通过计算单元308根据所测的荧光寿命来显示激光晶体303的掺杂浓度。此装置结构简单，便于搭建，以较低成本即可检测出激光晶体的掺杂浓度。此套装置同样可以按照上述方法进行浓度分布规律检测。

尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，但对于本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种激光晶体掺杂浓度的检测装置，包括：激发单元、信号采集单元、检测单元和计算单元；其中

所述激发单元产生能够照射到所述激光晶体并激发其产生荧光的光；

所述信号采集单元用于接收所述荧光并将其入射到所述检测单元；

所述检测单元与计算单元相连，用于接收来自所述信号采集单元的荧光并测量激光晶体的荧光寿命，然后将该荧光寿命值传送给计算单元；

所述计算单元根据所接收到的荧光寿命值计算所述激光晶体中激活离子的掺杂浓度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述激发单元包括泵浦源。

3.根据权利要求2所述的装置，所述激发单元还包括耦合透镜，所述耦合透镜用于将所述泵浦源所发射的光耦合至所述激光晶体，以激发所述激光晶体发出荧光。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述信号采集单元包括小孔光阑或滤光片，所述小孔光阑或滤光片用于滤除所述杂散光。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述信号采集单元还包括平凹反射镜或聚焦透镜，所述平凹反射镜或聚焦透镜用于反射或会聚所接收到的荧光到所述小孔光阑或滤光片。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其中所述信号采集单元还包括全息光栅，所述全息光栅接收所述荧光并形成衍射光，然后发送至所述小孔光阑或滤光片，用于所述检测单元测量激光晶体的荧光光谱图。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述检测单元包括光电转换元件和示波器，所述光电转换元件与所述示波器相连接，用于将光信号转换为电信号并将其传导至所述示波器；所述示波器与所述计算单元相连接，用于将所测的数据传送给所述计算单元。

8.根据权利要求2所述的装置，其中所述泵浦源为半导体激光器、固体激光器、氙灯或氪灯。

9.根据权利要求7所述的装置，其中所述光电转换元件为光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管。

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