CN113155795B - 掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置和方法，测量装置包括泵浦光源、光束聚焦***、样品放置平台、光电探测器、数据采集处理单元。待测样品光纤固定放置于样品放置平台上，调节泵浦光源，使其出射的泵浦光束沿垂直于样品光纤的光轴方向由光束聚焦***会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发，激发的荧光入射至光电探测器，光电探测器的输出信号由数据采集处理单元记录，根据发光衰减关系计算得出样品光纤的激光上能级荧光寿命值。本发明实现了对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命的直接测量，可在使用过程中对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命进行无损测量，操作方便、快捷，便于推广应用。

Description

掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置和方法
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置和方法。
背景技术
掺稀土元素光纤作为光纤激光器的增益介质，是光纤激光器***最为重要的组成器件之一。掺稀土元素光纤的性能参数对光纤激光器***状态有着较大影响。在对光纤激光器进行***设计、工作状态分析时，需要了解和使用到掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命这一性能参数值。
目前，掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命这一性能参数值是由光纤生产厂商提供。光纤生产厂商通常采用泵浦光对光纤预制棒的玻璃切片进行荧光激发和测量，并以此作为最终光纤产品的激光上能级荧光寿命性能参数值。在对光纤预制棒的玻璃切片进行荧光激发和测量时，由于光纤预制棒玻璃切片尺寸较大(毫米级以上)，可以对泵浦光纤进行充分吸收。但是，成品掺稀土元素光纤的纤芯尺寸较小(几微米至数十微米)，不便于样品切片，也不利于泵浦光的充分吸收。并且，成品光纤长度一般较长(千米级)，当泵浦光从掺稀土元素光纤的端面进行注入时，泵浦光与荧光传输方向一致，由于稀土离子重吸收效应的影响，会对测量结果造成干扰，影响数据准确性。因而，现有技术领域缺少能够对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命进行直接测量的装置。
同时，某些实际应用中需要了解和掌握掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命在光纤使用过程中的变化情况，现有的掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命获取方式也无法满足这一实际应用需求。
发明内容
本发明目的是提供一种能够对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命方便、快捷、无损地进行直接测量的装置和方法。
本发明的技术方案是提供一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，其特殊之处在于：包括样品放置平台、泵浦光源、光束聚焦***、光电探测器和数据采集处理单元；
样品放置平台用于固定待测样品光纤；
泵浦光源位于样品放置平台的上方，用于出射垂直于样品光纤光轴方向的泵浦光束，实现泵浦光与荧光传输方向的有效分离，保证测量质量；
光束聚焦***位于泵浦光源的出射光路中，用于将垂直于样品光纤光轴方向的泵浦光束会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发；
泵浦光束聚焦至样品光纤的位置与样品光纤输出端面之间的距离为l，其中l为正数；l的取值确保稀土离子重吸收效应对测量结果无影响或能够减弱稀土离子重吸收效应对测量结果的影响；
光电探测器位于样品放置平台一侧，用于接收沿样品光纤光轴方向出射的激发后的荧光，并将信号输出至数据采集处理单元；
数据采集处理单元用于根据接收的信号进行数据处理，获得掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命，并记录。
进一步地，泵浦光源的工作波长需要根据掺稀土元素光纤的类型进行相应选取；泵浦光源为具备单脉冲输出工作模式的泵浦光源，输出泵浦光脉冲的脉冲宽度应小于样品光纤激光上能级荧光寿命至少一个数量级。
进一步地，为了减弱或消除稀土离子重吸收效应对测量结果的影响，上述泵浦光源出射光束聚焦至样品光纤的位置距离样品光纤的输出端面不宜过远，以5-10mm左右为佳。
进一步地，光电探测器根据样品光纤的荧光谱段进行相应选取，光电探测器的响应时间为纳秒级。
进一步地，为了保证光电探测器能够有足够的响应，上述测量装置还包括位于样品光纤输出端与光电探测器之间的荧光收集***，用于将样品光纤出射的激发后的荧光尽量多的收集至光电探测器的光敏面。
进一步地，为了增加测量的精准，上述测量装置还包括同步控制***，用于控制输出泵浦光脉冲和数据采集处理单元响应的时序。
本发明还提供一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量方法，其特殊之处在于，基于上述的掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，包括以下步骤：
步骤1、将样品光纤固定放置于样品放置平台上，调节泵浦光源出射的泵浦光束垂直于待测样品光纤的光轴方向；
步骤2、粗调光束聚焦***使泵浦光束会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发；
步骤3、精调光束聚焦***和光电探测器位置，待光电探测器输出信号幅度值最大时，保持光束聚焦***和光电探测器状态；
步骤4、调节泵浦光源至单脉冲输出工作模式，在泵浦光源输出单个泵浦光脉冲的同时，数据采集处理单元开始记录光电探测器输出荧光信号的时域波形，获得荧光强度衰减曲线；
步骤5、数据采集处理单元根据发光衰减关系，计算得出样品光纤的激光上能级荧光寿命。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提出将泵浦光沿垂直于样品光纤光轴的方向入射，有效分离了泵浦光与激发荧光的传输方向；同时，采用光束聚焦***将泵浦光束会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域，确保了高效荧光激发，从而实现了对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命的直接测量。
2、本发明对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命的测量不损伤光纤结构，操作方便、快捷，可在使用过程中对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命进行测量，以了解和掌握该性能参数的变化情况。
3、本发明装置结构简单，不依赖于具体的掺稀土元素和光纤结构类型，可以根据需要对不同类型掺稀土元素光纤的激光上能级荧光寿命进行测量。
附图说明
图1为本发明掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命测量装置原理图；
图2为本发明泵浦光和荧光在样品光纤中的光路示意图；
图3为实施例掺镱光纤Yb3+激光跃迁机制示意图；
图4为实施例掺镱光纤Yb3+的2F5/2能级荧光寿命测量装置原理图；
图5为实施例掺镱离光纤Yb3+的2F5/2能级荧光强度衰减曲线。
附图标记为：1-泵浦光源；2-泵浦光束；3-光束聚焦***；4-样品放置平台；5-样品光纤；6-荧光；7-光电探测器；8-荧光收集***；9-同步控制***。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明的掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，包括泵浦光源1、光束聚焦***3、样品放置平台4、光电探测器7和用于记录处理光电探测器输出信号的数据采集处理单元。
待测样品光纤5固定放置于样品放置平台4上，调节泵浦光源1，使其出射的泵浦光束2沿垂直于样品光纤5的光轴方向经光束聚焦***3会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发，激发的荧光6入射至光电探测器7，光电探测器7的输出信号由数据采集处理单元记录和处理，根据发光衰减关系计算得出样品光纤的激光上能级荧光寿命值。
对于掺稀土元素光纤来说，稀土元素集中掺杂于光纤的纤芯区域，由于光纤纤芯对光的全反射作用限制了泵浦激发的荧光只能沿光纤光轴方向传输。本发明测量装置之所以能够对样品光纤的激光上能级荧光寿命直接进行测量，原理是将泵浦光沿垂直于样品光纤的光轴方向入射，实现了泵浦光与荧光传输方向的有效分离，解决了成品光纤在测量时所面临的重吸收效应限制问题。同时，采用光束聚焦***将泵浦光束会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域，确保了高效的荧光激发，能够为测量提供足够的荧光信号。
利用上述测量装置对掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命进行直接测量方法，包括以下步骤：
1)样品光纤固定放置于样品放置平台，调节泵浦光源出射的泵浦光束垂直于待测光纤的光轴方向；
2)粗调光束聚焦***使泵浦光束会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发；
3)精调光束聚焦***和光电探测器位置，待光电探测器输出信号幅度值最大时，保持光束聚焦***和光电探测器状态；
4)调节泵浦光源至单脉冲输出工作模式，在泵浦光源输出单个激光脉冲的同时，数据采集处理单元开始记录光电探测器输出荧光信号的时域波形，获得荧光强度衰减曲线；
5)数据采集处理单元根据发光衰减关系，计算得出样品光纤的激光上能级荧光寿命。
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步描述。
本实施例为利用本发明的测量装置和方法对某型掺镱光纤中Yb3+的2F5/2能级荧光寿命进行测量实验。图3为掺镱光纤中Yb3+激光跃迁机制示意图。Yb3+的能级结构比较简单，与激光跃迁相关的只有两个多重态展开的能级2F5/2和2F7/2。当石英玻璃中掺入Yb3+后，这两个能级因基质材料电场分布不均匀引起的斯塔克效应而***。室温下，2F5/2***成两个可分辨的能级，2F7/2***成三个可分辨的能级。当泵浦波长为976nm时，只可能存在过程I和II对应的激光跃迁，相应的发射中心波长为1075nm和1031nm，属准四能级***，如图3所示。掺镱光纤中Yb3+的2F5/2能级荧光寿命为ms量级。我们需要了解和掌握某掺镱光纤在976nm泵浦光激发下，Yb3+的2F5/2能级的荧光寿命值。
图4为掺镱光纤中Yb3+的2F5/2能级荧光寿命测量装置原理图。待测样品光纤为纤芯和包层尺寸分别为10μm和125μm，掺镱光纤在976nm处的吸收系数为3dB/m。选用中心波长为976nm的泵浦源，泵浦源具备外触发控制的单脉冲输出功能，脉冲宽度为5ns。泵浦光源出射光束沿垂直于待测光纤的光轴方向，经非球面透镜组构成的光束聚焦***会聚至样品光纤的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发。在光路调节完毕后，通过同步控制***外触控制泵浦光源输出单个泵浦光脉冲，样品光纤发出的荧光经由非球面透镜组成的荧光收集***准直后入射至光电探测器光敏面。在泵浦光源输出单个激光脉冲的同时，同步控制***触发启动数据采集处理单元开始记录光电探测器输出荧光信号的时域波形，也即获得荧光强度衰减曲线，如图5所示。考虑Yb3+荧光发射是一个单光子过程时，发光衰减关系为：If(t)＝If(0)e(1/τ)，式中If(t)是荧光强度随时间的变化函数，If(0)是时间t＝0时的荧光强度。荧光寿命是泵浦光激发停止后荧光强度衰减到初始值的1/e时所需的时间。根据发光衰减关系，计算得出样品光纤的激光上能级荧光寿命。

Claims (6)

1.一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，其特征在于：包括样品放置平台(4)、泵浦光源(1)、光束聚焦***(3)、光电探测器(7)和数据采集处理单元；
样品放置平台(4)用于固定样品光纤(5)；
泵浦光源(1)位于样品放置平台(4)的上方，用于出射垂直于样品光纤(5)光轴方向的泵浦光束(2)；
光束聚焦***(3)位于泵浦光源(1)的出射光路中，用于将垂直于样品光纤(5)光轴方向的泵浦光束(2)会聚至样品光纤(5)的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发；
泵浦光束(2)聚焦至样品光纤(5)的位置与样品光纤(5)输出端面之间的距离为l，其中l为正数；l的取值确保稀土离子重吸收效应对测量结果无影响或能够减弱稀土离子重吸收效应对测量结果的影响；l的取值位于5-10mm之间；
光电探测器(7)位于样品放置平台(4)一侧，用于接收沿样品光纤(5)光轴方向出射的激发后的荧光，并将信号输出至数据采集处理单元；
数据采集处理单元用于根据接收的信号进行数据处理，获得掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命，并记录。
2.根据权利要求1所述的一种掺稀土元素光纤激光上能级荧 光寿命直接测量装置，其特征在于：泵浦光源(1)为具备单脉冲输出工作模式的泵浦光源，输出泵浦光脉冲的脉冲宽度小于样品光纤激光上能级荧光寿命至少一个数量级。
3.根据权利要求2所述的一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，其特征在于：光电探测器(7)的响应时间为纳秒级。
4.根据权利要求3所述的一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，其特征在于：还包括位于样品光纤(5)输出端与光电探测器(7)之间的荧光收集***(8)，用于将样品光纤(5)出射的激发后的荧光(6)尽量多的收集至光电探测器(7)的光敏面。
5.根据权利要求4所述的一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，其特征在于：还包括同步控制***(9)，用于控制输出泵浦光脉冲和数据采集处理单元响应的时序。
6.一种掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一所述的掺稀土元素光纤激光上能级荧光寿命直接测量装置，包括以下步骤：
步骤1、将样品光纤(5)固定放置于样品放置平台(4)上，调节泵浦光源(1)出射的泵浦光束(2)垂直于待测样品光纤(5)的光轴方向；
步骤2、粗调光束聚焦***(3)使泵浦光束(2)会聚至样品光纤(5)的纤芯掺杂区域进行高效荧光激发；
步骤3、精调光束聚焦***(3)和光电探测器(7)位置，待光电探测器(7)输出信号幅度值最大时，保持光束聚焦***和光电探测器(7)状态；
步骤4、调节泵浦光源(1)至单脉冲输出工作模式，在泵浦光源(1 )输出单个泵浦光脉冲的同时，数据采集处理单元开始记录光电探测器(7)输出荧光信号的时域波形，获得荧光强度衰减曲线；
步骤5、数据采集处理单元根据发光衰减关系，计算得出样品光纤的激光上能级荧光寿命。
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