本發(fā)明涉及一種激光晶體摻雜粒子濃度均勻性空間分布測試方法及裝置，屬于固體激光器測試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

世界上第一臺激光器的成功演示距今已經(jīng)50余年。50余年來，由于激光具備的獨有特性，其應(yīng)用已經(jīng)遍及科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會發(fā)展的許多領(lǐng)域，具體應(yīng)用包括：激光醫(yī)療與光子生物、光纖通信、空間碎片探測、激光加工及先進(jìn)制造等方面。

激光晶體是固體激光器三個核心組成部分(泵浦源、激光晶體、諧振腔)之一，一般情況下，激光晶體由基質(zhì)材料和激活粒子兩部分組成，衡量在基質(zhì)材料中摻雜激活粒子的度稱為摻雜濃度，它是描述固體激光介質(zhì)的一個重要參數(shù)。

激光晶體中摻雜的激活粒子會吸收泵浦光，所以其摻雜粒子濃度均勻性對泵浦光的吸收有很大影響，其濃度均勻性會直接影響激光器熱分布、增益分布等重要參數(shù)，濃度不均勻可能會導(dǎo)致激光器輸出功率、光束質(zhì)量降低等不利后果。濃度分布不均勻時，由于對泵浦光的吸收不均勻，晶體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力甚至?xí)斐删w炸裂的損失。對于大功率輸出激光器，摻雜粒子濃度的均勻性更為重要。在對激光器進(jìn)行設(shè)計時，激光晶體摻雜濃度均勻性是關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此對其均勻性及分布的準(zhǔn)確測量尤為重要。

現(xiàn)有的技術(shù)方案：

專利申請?zhí)枺?00820109887.8，無損檢測激光晶體摻雜濃度的裝置；

專利申請?zhí)枺?4102343.5，無損檢測釹在釔銘石榴石激光晶體中分布梯度裝置，

現(xiàn)有的技術(shù)都是對透射激光晶體的光譜進(jìn)行測試及分析，通過測試透過光的熒光壽命和光譜強(qiáng)度相對衰減量，根據(jù)已有的原理公式，計算得到摻雜粒子濃度。

在無損檢測釹在釔銘石榴石激光晶體中分布梯度裝置的專利中：其方法是采用吸收光譜測量檢測系統(tǒng)檢測nd在yag晶體中的梯度分布。

在無損檢測激光晶體摻雜濃度的裝置的專利中：對透射激光晶體的光譜進(jìn)行測試及分析，通過測試透過的光的熒光壽命和熒光光譜圖，計算得到激光晶體中摻雜粒子的濃度。

在無損檢測釹在釔銘石榴石激光晶體中分布梯度裝置的專利中：其方法是采用吸收光譜測量檢測系統(tǒng)檢測nd在yag晶體中的梯度分布。該方案采用器件較多，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且造價很高，測試過程復(fù)雜，難以在實際中推廣和應(yīng)用。而且該裝置一套只能檢測一種晶體材料，重復(fù)率較低。

在無損檢測激光晶體摻雜濃度的裝置的專利中：對透射激光晶體的光譜進(jìn)行測試及分析，通過測試透過的光的熒光壽命和熒光光譜圖，計算得到激光晶體中摻雜粒子的濃度。該裝置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但無法對激光晶體局部進(jìn)行定點測量及分析，也無法得到均勻性結(jié)果及分布圖。

總之，現(xiàn)有的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，重復(fù)率較低，測試過程也相對繁瑣，甚至有些測試裝置還存在安全隱患，很難在實際應(yīng)用中推廣實現(xiàn)，并且無法解決激光晶體局部或者整體摻雜濃度均勻性的測試問題，無法給出摻雜粒子濃度均勻性三維空間分布結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，操作簡單且穩(wěn)定可靠的激光晶體粒子摻雜濃度均勻性的測量方法及裝置，該裝置通過更換不同輸出參數(shù)的泵浦源可解決不同形狀及材料的激光晶體粒子摻雜濃度均勻性的測量難題，并且可以解決大尺寸(不小于100mm口徑)激光晶體粒子摻雜濃度均勻性的測試(如板條激光晶體)，可以通過計算得到摻雜粒子濃度的三維空間分布圖，可以對激光晶體局部進(jìn)行粒子摻雜濃度均勻性測量。

本發(fā)明方案的總體技術(shù)實現(xiàn)方案：一種激光晶體粒子摻雜濃度均勻性測量方法，基于不同粒子摻雜濃度的激光晶體對波長的吸收系數(shù)不同，針對不同激光晶體材料，采用與激光晶體相應(yīng)中心波長的ld光纖耦合模塊輸出泵浦激光晶體的任意軸向方向截面，在對應(yīng)的激光晶體的透射面處使用功率計接收透射功率，將激光晶體置于二維平移臺上，對所述接收的透射功率進(jìn)行逐點掃面，最后將逐點掃面的數(shù)據(jù)擬合為經(jīng)激光晶體對應(yīng)截面方向吸收后的功率空間分布三維圖形，最終對功率計測試到的每一個透過晶體后的功率點進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到晶體摻雜粒子濃度均勻性相對值的結(jié)果。

所述逐點掃描的具體過程如下：

(1)在激光晶體待測截面方向上標(biāo)定初始掃描點的位置，對該掃描點透射的ld光纖耦合模塊激光功率進(jìn)行單位時間內(nèi)的變化進(jìn)行測試，通過計算機(jī)自動計算該掃描點的平均激光功率，并存儲掃描點的位置信息；

(2)以初始掃描點為原點，二維平移臺按照一定方向移動，依次完成整個激光晶體任意軸向方向截面的每個測試點的透射激光功率的掃描測試，并存儲測試數(shù)據(jù)、移動距離和位置信息，二維平移臺移動距離要求相鄰測試點在透射光束橫截面積范圍內(nèi)無交叉重合。

所述數(shù)據(jù)擬合的具體過程如下：

(1)提取已存儲的所有測試點的激光平均功率和位置的數(shù)據(jù)信息，擬合出激光晶體待測橫截面方向摻雜粒子濃度空間分布圖：x軸和z軸平面由所有測試點的橫、縱坐標(biāo)和平移臺移動距離疊加構(gòu)成，即所有測試點組成對應(yīng)激光晶體整個待測橫截面部分；y軸方向為每個測試點對應(yīng)的激光平均功率；

(2)采用以下公式計算出激光晶體摻雜粒子濃度均勻性p，其中pmax為測試點最大激光平均功率，pmin為測試點最小激光平均功率，pavg為所有測試點激光功率的平均值。

一種激光晶體粒子摻雜濃度均勻性測量裝置，其特征在于包括：ld冷卻系統(tǒng)、ld激光電源、ld光纖耦合模塊、光纖輸出頭、光纖接頭調(diào)整架、激光晶體、功率計、二維平移臺和計算機(jī)；

ld冷卻系統(tǒng)：對激光二極管進(jìn)行熱平衡控制，確保激光二極管激光輸出的中心波長穩(wěn)定；

ld激光電源：為激光二極管提供穩(wěn)定的工作電流；

ld光纖耦合模塊：選用輸出功率及激光晶體吸收中心波長相匹配的激光二極管，使摻雜粒子的激光晶體在激光二極管的中心波長處有強(qiáng)吸收峰，從而對入射的激光有明顯吸收；

光纖輸出頭：用于均勻準(zhǔn)直的輸出ld光纖耦合模塊發(fā)出的激光，光纖輸出頭的口徑越小，測試精度越高；

光纖接頭調(diào)整架：將光纖輸出頭固定于調(diào)整架上，能夠進(jìn)行四維，即前后、左右、上下、俯仰調(diào)節(jié)，使光纖輸出頭與激光晶體有間距，間距由光纖輸出光斑直徑、發(fā)散角、功率計探頭接收面積以及探頭與光纖輸出頭間距共同決定，且輸出的泵浦激光垂直入射于激光晶體；

激光晶體：待測激光晶體。固定于二位平移臺上，可以是摻雜不同濃度粒子不同基質(zhì)材料的激光晶體，并且依據(jù)激光晶體成分選用不同輸出波長的ld光纖耦合激光器，ld光纖耦合激光器包含ld冷卻系統(tǒng)、ld電源、ld光纖耦合模塊以及光纖輸出頭；

功率計：與計算機(jī)連接，選用覆蓋ld光纖耦合模塊輸出激光波長及功率測量范圍的功率計，用于對透過激光晶體后的ld光纖耦合模塊輸出激光的功率進(jìn)行測量，并且將測試到的功率數(shù)據(jù)上傳至功率計的數(shù)據(jù)采集軟件內(nèi)，功率計測試口徑應(yīng)大于ld光纖耦合模塊透射激光晶體后的激光光束尺寸；

二維平移臺：與計算機(jī)連接，用于固定及移動激光晶體，計算機(jī)通過操作平移臺控制軟件移動激光晶體，實現(xiàn)對ld光纖耦合模塊輸出激光透過激光晶體待測橫截面積方向上測試點的逐點掃描；

計算機(jī)：用于對二維平移臺掃描速率和方向?qū)崿F(xiàn)電動控制；并且對功率計采集到的測試點激光功率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理及計算分析，得到ld光纖耦合模塊輸出的激光功率透過激光晶體對應(yīng)截面方向上的空間分布圖，即為激光晶體摻雜濃度均勻性分布圖。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：現(xiàn)有的技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，并且無法測量激光晶體粒子摻雜濃度的均勻性及空間分布。本發(fā)明具備以下優(yōu)點：

(1)結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。

(2)測試裝置造價低廉，易于在實際應(yīng)用中實現(xiàn)。

(3)ld光纖激光器波長可更換，適用于不同激光晶體的測試。

(4)泵浦激光由光纖輸出，口徑可控，測試精度較高。

(5)通過對激光晶體測試截面方向上ld光纖耦合模塊輸出激光的透射激光功率進(jìn)行逐點掃描，然后將掃描結(jié)果擬合為整個激光晶體測試面的功率強(qiáng)度三維分布圖，即得到激光晶體中摻雜粒子濃度均勻性分布圖，最后通過公式計算出其均勻性。本發(fā)明適用于激光器晶體的測試研究，尤其對激光晶體粒子摻雜濃度均勻性分布要求較高的范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測量裝置組成框圖；

圖2為本發(fā)明的掃描測試示意圖(以板條激光晶體為例)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明的激光晶體粒子摻雜濃度均勻性測量裝置，包括：ld冷卻系統(tǒng)1、ld激光電源2、ld光纖耦合模塊3、光纖輸出頭4、光纖接頭調(diào)整架5、激光晶體6、功率計7、二維平移臺8和計算機(jī)9。

ld冷卻系統(tǒng)1對激光二極管進(jìn)行熱平衡控制，確保激光二極管激光輸出的中心波長穩(wěn)定；

ld激光電源2為激光二極管提供穩(wěn)定的工作電流；

ld光纖耦合模塊3選用合適輸出功率及晶體吸收中心波長相匹配的激光二極管，(每種摻雜粒子的激光晶體都有對應(yīng)的泵浦激光波長的吸收曲線，曲線最高峰對應(yīng)的泵浦光波長即為最佳匹配的泵浦激光波長，所以此數(shù)據(jù)要根據(jù)選用激光晶體及摻雜粒子的種類而確定)使摻雜粒子的激光晶體在其中心波長處有強(qiáng)吸收峰，從而對入射的激光功率有明顯吸收。

光纖輸出頭4：用于均勻準(zhǔn)直的輸出光纖耦合模塊發(fā)出的激光，需要知道的是輸出激光口徑越小，測試精度越高。

光纖接頭調(diào)整架5：將光纖輸出頭固定于調(diào)整架5上，可進(jìn)行四維調(diào)節(jié)，即前后、左右、上下和俯仰調(diào)節(jié)，使光纖頭與激光晶體有合適的間距，且輸出的泵浦激光垂直入射于激光晶體。

激光晶體6：被測試用的激光晶體，固定于二位平移臺8上，可以是摻雜不同濃度粒子不同基質(zhì)材料的激光晶體，并且依據(jù)晶體成分選用不同波長的ld光纖耦合激光器。

功率計7：通過數(shù)據(jù)線與計算機(jī)連接，選用覆蓋ld光纖耦合模塊輸出激光波長及功率測量范圍的功率計，用于對透過激光晶體后的ld激光的功率進(jìn)行測量，并且將測試到的功率數(shù)據(jù)上傳至功率計數(shù)據(jù)采集軟件內(nèi)，功率計測試口徑應(yīng)大于透射激光的光束尺寸。

二維平移臺8：與其驅(qū)動控制器連接，控制線與計算機(jī)連接，用于支撐并固定激光晶體，通過操作平移臺控制軟件移動平移臺，從而移動激光晶體，實現(xiàn)ld透過激光對激光晶體在大面積方向上的逐點掃描。

計算機(jī)9：用于對二維平移臺的驅(qū)動控制器進(jìn)行編程，結(jié)合數(shù)據(jù)采集速度進(jìn)行掃描速率和方向的電動控制；并且可以對功率計采集到的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理及計算分析，得到ld激光功率透過晶體大面積向上的空間分布圖，即為激光晶體摻雜濃度均勻性分布圖。

本發(fā)明具體實現(xiàn)過程如下(以板條激光晶體為例)：

(1)打開光纖耦合模塊的ld冷卻系統(tǒng)及l(fā)d激光電源，調(diào)節(jié)至正常穩(wěn)定工作狀態(tài)。

(2)將光纖輸出頭固定在光纖接頭調(diào)整架上，將激光晶體固定于二維平移臺上。

(3)調(diào)節(jié)光纖接頭調(diào)整架，使光纖輸出頭與激光晶體有適當(dāng)?shù)拈g距，并使光纖輸出的激光垂直入射激光晶體；調(diào)整功率計的探頭位置，保證功率計的探頭可以接收到全部ld光纖耦合模塊透射激光晶體的激光功率。

(4)通過編制的測試軟件自動控制調(diào)整二維電動平移臺的移動方向和速率，對激光晶體進(jìn)行“z”字形逐點掃描測試及數(shù)據(jù)采集：首先標(biāo)定測試點①的位置，由測試點①開始掃描測試，每個測試點停留3秒鐘，由功率計測試統(tǒng)計3秒時間該測試點的功率值，計算機(jī)自動計算并記錄測試點①功率平均值p1，然后移動二維平移臺至下一個測試點②，重復(fù)上述測試過程，測試并記錄測試點②功率平均值p2，水平移動距離lx要求測試區(qū)域無重合，即測試點①與測試點②無交叉重合，并且移動距離lx將被記錄在計算機(jī)內(nèi)；當(dāng)測試點移動至晶體材料最邊緣位置時，向下移動距離ly，重復(fù)第一行的測試過程，最后自動完成所有測試點的掃描測試和數(shù)據(jù)存儲。

圖2所示為板條晶體大面方向的掃描測試示意圖，其中①、②等為測試點編號及位置，即是ld光纖輸出頭輸出激光透過激光晶體的位置；箭頭所示為平移臺移動方向，即掃描方向。在完成第一行的掃描測試后到達(dá)測試點位置處，平移臺自動上移，使激光晶體到達(dá)測試點位置處，繼續(xù)進(jìn)行反向掃描測試，依據(jù)上述測試過程最終完成整個板條晶體大面積方向上每個點的掃描測試。

(5)最后計算機(jī)通過數(shù)據(jù)處理及計算分析，可以得到激光晶體摻雜濃度均勻性相對值的結(jié)果及三維空間分布圖。

所述數(shù)據(jù)處理及計算分析的具體過程如下：

(1)提取已存儲的所有測試點的激光平均功率和位置的數(shù)據(jù)信息，擬合出激光晶體待測橫截面方向摻雜粒子濃度空間分布圖：x軸和z軸平面由所有測試點的橫、縱坐標(biāo)和平移臺移動距離疊加構(gòu)成，即所有測試點組成對應(yīng)激光晶體整個待測橫截面部分；y軸方向為每個測試點對應(yīng)的激光平均功率。

(2)采用以下公式計算出激光晶體摻雜粒子濃度均勻性p，其中pmax為測試點最大激光平均功率，pmin為測試點最小激光平均功率，pavg為所有測試點激光功率的平均值。

需要知道的是，上述測試方案可以推廣應(yīng)用到棒狀、薄片等其他激光晶體的粒子摻雜濃度均勻性測試。

提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。