[发明专利]一种测量固体激光器中增益介质内部温度的方法

说明书

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。

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⁺。