[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

摘要

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。

主权项

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²H_11/2和⁴S_3/2，或⁴G_11/2和²H_9/2；Yb³⁺的热耦合能级为²F_5/2(a)和²F_5/2(b)；Nd³⁺的热耦合能级为⁴F_7/2+⁴S_3/2和⁴F_3/2，或⁴F_7/2+⁴S_3/2和²H_9/2+⁴F_5/2，或²H_9/2+⁴F_5/2和⁴F_3/2；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⁴I_15/2和⁴F_9/2；Tm³⁺的热耦合能级为¹G_4(a)和¹G_4(b)，或³F_2,3和³H₄；Pr³⁺的热耦合能级为³P₀和³P₁+¹I₆；Sm³⁺的热耦合能级为⁴F_3/2和⁴G_5/2。

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.％；激活离子相应的热耦合能级如权利要求3所述。

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.％；激活离子相应的热耦合能级如权利要求3所述。

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⁴F_9/2；或Dy³⁺和Tb³⁺，热耦合能级为Dy³⁺的⁴F_9/2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所述的稀土离子，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.％。