一种具有自检测功能的激光器及其自检测方法与流程

本发明涉及激光器的探测技术领域，特别涉及一种具有自检测功能的激光器及其自检测方法。

背景技术：

光纤激光器中的增益介质-玻璃光纤在产生激光过程中会不可避免地发热，而增益介质的温度升高会导致作为玻璃中间体的碱金属离子发生活化迁移，导致激光器内部微结构变化，进而影响激光性能，如激光损伤阈值和稳定性等。并且激光器中温度的实时探测对于了解器件的工作情况至关重要。因此，激光器中温度和离子活化迁移的探测具有重要的实际应用意义。

传统激光器的温度探测主要利用外部的测试仪器，通过接触式温度探测，在元器件表面附着热电偶，利用热势差推断出器件所处环境的温度。但是反复加热过程中会对热电偶产生一定的损耗，进而影响温度探测的准确性，且有些密闭器件不易装热电偶，一旦热电偶损坏后也难以维修。而具有自检测功能的激光器能够实时原位进行温度探测，具有一定的优越性。

目前利用外部仪器设备对激光器中增益介质(一般是含有碱金属离子的玻璃光纤)的离子活化迁移进行探测是十分困难的，因为这需要仪器能够原位探测材料在升温的情况下内部离子活化迁移的行为。通常可采用添加有高温附件的交流阻抗测试，但依据双电层之间的电容率，只能够探测氧离子长程迁移；具有高温附件的X射线衍射设备，由于离子较低的衍射因子，也不能够给出离子活化迁移的具体信息，目前相对可用的是中子衍射，但是此类设备属于国家级别的科研设备，基本上不能用于日常的检测。虽然内耗谱能够给出一些离子活化迁移的信息，但是它测试时需要事先将样品做成特定形状大小。而且这些手段都不能在器件中原位探测，只能以玻璃材料的形式来作检测。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具有自检测功能的激光器，能够直接实时原位检测温度以及是否具有离子活化迁移(内部微结构变化)，从而实时监测激光器的工作状态，避免因为温度过高或者材料结构破坏导致激光器损坏，并且不需要再借助其他外部仪器，方便快捷。

本发明的另一目的在于提供上述具有自检测功能的激光器的自检测方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种具有自检测功能的激光器，包括泵浦源、光学谐振腔及位于光学谐振腔内的工作介质，所述工作介质为共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料；其中以稀土离子Yb³⁺作为敏化离子，以稀土离子Er³⁺作为激活离子。

所述共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料的组分包括：

K₂O，10～20mol％；

BaO，10～20mol％；

Al₂O₃，1.0～10.0mol％；

La₂O₃，1.0～10.0mol％；

Yb₂O₃，1.0～5.0mol％；

Er₂O₃，0.5～5.5mol％；

P₂O₅，余量。

所述的具有自检测功能的激光器的自检测方法，包括以下步骤：

(1)以与具有自检测功能的激光器的工作介质组分相同的共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料为参比样品，用980nm半导体激光泵浦，测试参比样品在不同温度下的上转换发射光谱，所述上转换发射光谱具有三个发射峰，分别为525nm处的绿光发射峰，550nm处的绿光发射峰以及660nm处的红光发射峰；计算525nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₂₅与550nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₅₀的比值的对数Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)；以Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)为纵坐标，绝对温度的倒数为横坐标，分别得到Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)参考标准线；

(2)用980nm半导体激光泵浦具有自检测功能的激光器，在光学谐振腔侧边即光纤截面方向检测其在工作状态时的上转换发射光谱，计算其Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)的值；

(3)检测激光器的温度：在步骤(1)的Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)参考标准线找到步骤(2)计算得到的Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)的值对应的温度点，该温度即为此时激光器的温度。

所述的具有自检测功能的激光器的自检测方法，还包括检测激光器中的工作介质是否发生离子活化迁移，具体过程包括：

(a1)对于步骤(1)得到的不同温度下的上转换发射光谱，计算660nm处的红光发射峰的积分强度I₆₆₀与550nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₅₀的比值的对数Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)，以Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)为纵坐标，以绝对温度的倒数为横坐标，得到Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)参考标准线；Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)参考标准线为一折线，转折点对应的温度为出现离子活化迁移的起始温度Tm；

(a2)根据步骤(3)得到的激光器的温度，判断此时工作介质中是否发生了离子活化迁移：若激光器的温度高于或等于Tm，则判定此时激光器中存在离子活化迁移；若激光器的温度低于Tm，则判定此时激光器中不存在离子活化迁移。

所述的具有自检测功能的激光器的自检测方法，还包括检测激光器中的工作介质是否发生离子活化迁移，具体过程包括：

(b1)对于步骤(1)得到的不同温度下的上转换发射光谱，计算525nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₂₅与660nm处的红光发射峰的积分强度I₆₆₀的比值的对数Ln(I₅₂₅/I₆₆₀),以绝对温度的倒数为横坐标，得到Ln(I₅₂₅/I₆₆₀)参考标准线；Ln(I₅₂₅/I₆₆₀)参考标准线为一折线，转折点对应的温度为出现离子活化迁移的起始温度Tm；

(b2)根据步骤(3)得到的激光器的温度，判断此时工作介质中是否发生了离子活化迁移：若激光器的温度高于或等于Tm，则判定此时激光器中存在离子活化迁移；若激光器的温度低于Tm，则判定此时激光器中不存在离子活化迁移。

步骤(1)所述在不同温度下的上转换发射光谱，具体为：25℃～400℃温度区间内的不同温度下的上转换发射光谱。

步骤(2)所述工作状态时的上转换发射光谱，具体为：在泵浦功率为0～7W内任一功率时的上转换发射光谱。

本发明的自检测的机理为：

在980nm的激发下，Yb³⁺-Er³⁺共掺的磷酸盐玻璃光纤材料具有三个发射峰，分别是Er³⁺的²H_11/2→⁴I_15/2能级在525nm处的绿光发射峰，⁴S_3/2→⁴I_15/2能级在550nm处的绿光发射峰以及⁴F_9/2→⁴I_15/2能级在660nm处的红光发射峰。由于Er³⁺的²H_11/2、⁴S_3/2能级差极小，仅800cm^-1，二者能级布居数对外界温度变化极为敏感。由Judd-Ofelt理论可知，²H_11/2→⁴I_15/2与⁴S_3/2→⁴I_15/2发射峰的积分强度比率的对数与绝对温度的倒数的关系为线性关系，这是Er³⁺利用荧光强度比(FIR)技术进行光学温度探测的基础，另外以这种线性关系作为一种内在标准，与²H_11/2→⁴I_15/2和⁴F_9/2→⁴I_15/2的发射峰的积分强度比率的对数与绝对温度的倒数的关系以及⁴F_9/2→⁴I_15/2和⁴S_3/2→⁴I_15/2的发射峰的积分强度比率的对数与绝对温度的倒数的关系进行比较，由于后两者均非线性关系而是具有一个与离子活化迁移相关的转折点，通过此转折点的出现从而实现实时原位检测离子活化迁移。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过980nm激光(对于1.5微米光纤激光器件来说它就是泵浦光)激发Yb³⁺-Er³⁺共掺的具有自检测功能的工作介质磷酸盐玻璃光纤材料，以其三个发射峰相互之间的强度比率的对数与绝对温度的倒数的关系，直接实时原位检测温度以及是否具有离子活化迁移(内部微结构变化)，从而实时监测激光器的工作状态，避免因为温度过高或者材料结构破坏导致激光器损坏，并且不需要再借助其他外部仪器，方便快捷。

附图说明

图1为本发明的实施例1的参比样品在不同温度(25℃～300℃)下的上转换发射光谱。

图2为本发明的实施例1的Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)参考标准线、Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)参考标准线和Ln(I₅₂₅/I₆₆₀)参考标准线。

图3为本发明的实施例1的激光器在不同泵浦功率(0～3W)下的525nm和550nm两个绿光发射峰的积分强度比率的对数与功率的关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的具有自检测功能的激光器，包括泵浦源、光学谐振腔及位于光学谐振腔内的工作介质，所述工作介质为共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料；其中以稀土离子Yb³⁺作为敏化离子，以稀土离子Er³⁺作为激活离子。本实施例的所述共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料的组分包括：P₂O₅，62mol％，K₂O，10mol％，BaO，13mol％，Al₂O₃，3.5mol％，La₂O₃，6mol％，Yb₂O₃，3mol％，Er₂O₃，2.5mol％。

本实施例的具有自检测功能的激光器的自检测方法，包括以下步骤：

(1)以与具有自检测功能的激光器的工作介质组分相同的共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料为参比样品，用980nm半导体激光泵浦，测试参比样品在不同温度(25℃～300℃)下的上转换发射光谱，如图1所示，所述上转换发射光谱具有三个发射峰，分别为525nm处的绿光发射峰，550nm处的绿光发射峰以及660nm处的红光发射峰；计算525nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₂₅与550nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₅₀的比值的对数Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)；以Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)为纵坐标，绝对温度的倒数为横坐标，得到Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)参考标准线，如图2所示；

(2)用980nm半导体激光泵浦具有自检测功能的激光器，在光学谐振腔侧边即光纤截面方向检测其在工作状态时的上转换发射光谱，计算其Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)的值，得到磷酸盐玻璃光纤激光器在不同泵浦功率(0～3W)下的525nm和550nm两个绿光发射峰的积分强度比率的对数与功率的关系如图3所示；

(3)检测激光器的温度：在步骤(1)的Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)参考标准线找到步骤(2)计算得到的Ln(I₅₂₅/I₅₅₀)的值对应的温度点，该温度即为此时激光器的温度。

本实施例还可以检测激光器中的工作介质是否发生离子活化迁移即内部微结构是否发生变化，这反映激光器工作的临界点即损伤阈值，具体过程包括：

(a1)对于步骤(1)得到的不同温度下的上转换发射光谱，计算660nm处的红光发射峰的积分强度I₆₆₀与550nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₅₀的比值的对数Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)，以Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)为纵坐标，以绝对温度的倒数为横坐标，得到Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)参考标准线；如图2所示，Ln(I₆₆₀/I₅₅₀)参考标准线为一折线，转折点对应的温度为出现离子活化迁移的起始温度Tm；

(a2)根据步骤(3)得到的激光器的温度，判断此时工作介质中是否发生了离子活化迁移：若激光器的温度高于或等于Tm，则判定此时激光器中存在离子活化迁移；若激光器的温度低于Tm，则判定此时激光器中不存在离子活化迁移。

还可以利用525nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₂₅与660nm处的红光发射峰的积分强度I₆₆₀的比值的对数Ln(I₅₂₅/I₆₆₀)判断检测激光器中的工作介质是否发生离子活化迁移，具体过程为：

(b1)对于步骤(1)得到的不同温度下的上转换发射光谱，计算525nm处的绿光发射峰的积分强度I₅₂₅与660nm处的红光发射峰的积分强度I₆₆₀的比值的对数Ln(I₅₂₅/I₆₆₀),以绝对温度的倒数为横坐标，得到Ln(I₅₂₅/I₆₆₀)参考标准线；如图2所示，Ln(I₅₂₅/I₆₆₀)参考标准线为一折线，转折点对应的温度为出现离子活化迁移的起始温度Tm；

(b2)根据步骤(3)得到的激光器的温度，判断此时工作介质中是否发生了离子活化迁移：若激光器的温度高于或等于Tm，则判定此时激光器中存在离子活化迁移；若激光器的温度低于Tm，则判定此时激光器中不存在离子活化迁移。

实施例2

本实施例的具有自检测功能的激光器除共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料的组分与实施例1不同外，其余特征与实施例1同。本实施例所述的共掺Yb³⁺-Er³⁺的磷酸盐玻璃光纤材料的组分包括：(P₂O₅，66mol％，K₂O，14mol％，BaO，10mol％，Al₂O₃，4mol％，La₂O₃，2mol％，Yb₂O₃，2.5mol％，Er₂O₃，1.5mol％。

本实施例的具有自检测功能的激光器的自检测方法与实施例1相同，在此不再赘述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。