一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法，该系统中驱动控制模块控制泵浦光源发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜的透射面后进入蓝宝石光纤中，通过蓝宝石光纤将泵浦光发送到位于高温环境中的蓝宝石掺杂晶体内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤返回半透半反镜，通过半透半反镜的反射面反射后进入光谱提取模块，光谱提取模块获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块，数据处理模块根据光谱信息计算得到高温环境的温度。本发明专利技术能提高测量精度，保证高温区域的测量精度，且测量长期可靠性好。

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法
本专利技术涉及激光高温传感器
，尤其涉及一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法。
技术介绍
在高温环境(>800℃)下的传感技术需求巨大，许多材料的物理性能在高温中会发生巨大的变化，许多化学反应只有在高温下才能顺利进行，高温传感技术在航空航天、汽车和能源工业中扮演着重要角色，它可以提高能源效率减少排放，降低设备维护和失效周期。但是目前缺少可靠的高温测量方法，大多是依靠人工经验观察或间接测量的方法，主观性大，不能实现定量测量；铂铑等贵金属制造的热电偶可进行直接的高温测量，但是其受电磁干扰影响大，测量精度低，而且其高温下抗腐蚀能力差、寿命短、消耗大；压电晶体传感器可实现高温下的加速度、振动、压力和气体等参量的测量，但是超过1000℃时材料可靠性不能保证。蓝宝石是一种新型耐高温材料，它的熔点达到2072℃，国内外也对其进行了大量的研究，出现了三种蓝宝石光纤材料的高温传感器，包括蓝宝石光纤黑体辐射式、蓝宝石光纤法布里-珀罗(F-P)腔式和蓝宝石光纤光栅(SFBG)式等。(1)黑体辐射式的蓝宝石光纤高温传感器因其检测的信号是黑体辐射光波的强度，受光路损耗波动、光路污染等其它因素的影响太大，准确度不高，没有大规模走向实用。(2)蓝宝石光纤F-P干涉腔高温传感器用于煤气化炉的超高温检测中。但是，蓝宝石光纤F-P传感器产生的干涉信号很弱，信噪比难以保证。(3)2004年D.Grobnic等人首次报道了用飞秒激光器和相位掩模版制备蓝宝石光纤光栅(SFBG)，并且在1500℃下都有稳定的热性能。但是，和普通光纤芯层只有9微米不同，蓝宝石光纤是一个细的蓝宝石棒，整个光纤全是纤芯，通常为几十至几百微米，导致激光聚焦透镜焦深和掩模板±1级衍射产生的干涉场区深度不能覆盖整个纤芯区域，必需控制光斑垂直于光纤的轴向移动，将整个芯层都写入光栅，才能获得能用的SFBG。但光斑在移动过程中难免出现抖动和轴向位移，会影响SFBG反射谱的质量，而且蓝宝石光纤是多模传输，制备的SFBG光谱较宽，不利于解调，目前也未见实用的报道。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中蓝宝石光纤高温传感器因其检测的信号是黑体辐射光波的强度，受光路损耗波动、光路污染等其它因素的影响太大，准确度不高，且信噪比难以保证的缺陷，提供一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，包括相互连接的驱动控制模块、泵浦光源、半透半反镜、蓝宝石光纤、蓝宝石掺杂晶体、光谱提取模块和数据处理模块，蓝宝石掺杂晶体设置在待检测的高温环境中；其中：驱动控制模块控制泵浦光源发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜的透射面后进入蓝宝石光纤中，通过蓝宝石光纤将泵浦光发送到位于高温环境中的蓝宝石掺杂晶体内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤返回半透半反镜，通过半透半反镜的反射面反射后进入光谱提取模块，光谱提取模块获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块，数据处理模块根据光谱信息计算得到高温环境的温度。进一步地，本专利技术的泵浦光源为半导体激光器或固体激光器，半导体激光器的发射泵浦光波长为635nm，固体激光器的发射泵浦光波长为355nm。进一步地，本专利技术的蓝宝石掺杂晶体的掺杂材料为过渡金属元素或稀土元素，过渡金属元素为铬，稀土元素为镝或铥。进一步地，本专利技术的蓝宝石光纤固定在陶瓷插芯中，陶瓷插芯外层套装有陶瓷套筒，蓝宝石光纤的一端通过高温胶与蓝宝石掺杂晶体固定。进一步地，本专利技术的蓝宝石掺杂晶体包括设置在陶瓷套筒底部的蓝宝石掺镝和铥晶片。本专利技术提供一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，包括以下步骤：S1、将蓝宝石掺杂晶体放置在待检测的高温环境中，蓝宝石光纤一端与蓝宝石掺杂晶体连接，另一端置于高温环境外；S2、驱动控制模块根据泵浦光源的类型，控制泵浦光源发射泵浦光的波长，泵浦光穿过半透半反镜和蓝宝石光纤进入蓝宝石掺杂晶体，激发蓝宝石掺杂晶体内的掺杂离子产生激发光；S3、激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡进行能量积累并产生激光，激光通过蓝宝石光纤和半透半反镜进入光谱提取模块，得到光谱信息；S4、数据处理模块获取光谱信息，并根据温度对蓝宝石掺杂晶体的微观物理性能的影响，计算得到高温环境的温度。进一步地，本专利技术的步骤S3中激发光在蓝宝石掺杂晶体中反复振荡产生激光的形成条件为：其中，增益系数为α0，材料的长度为L，损耗系数为γ，增益系数α0正比于激光上下能级之间的粒子反转浓度ΔN，即α0＝σΔN,σ是材料在激光波长的发生截面；损耗系数为：Qc为谐振腔品质因数；τc为谐振腔的光子寿命，从泵浦强度的角度看，能改变的只是ΔN，当ΔN增加到激光振荡的起振阈值时，这时的粒子反转数称为阈值反转浓度ΔNth。进一步地，本专利技术的步骤S4中计算高温环境的温度的方法为：发射谱线宽度会随温度的升高而加宽，折射率也会变大，进而影响激光的振荡输出，对不同的激光晶体，温度的影响程度也不同；根据温度对激光工作阈值的影响，建立激光输出运行模型，描述温度、激光输出、阈值、斜率效率从外部可测得的数据同内部系统、材料参量之间的关系，找到温度和激光输出的关系，并根据该关系计算得到高温环境的温度。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统及方法，通过测量被测高温环境中激光晶体发射的激光波长，得到所测高温；用泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体产生激光，由于温度会改变激光晶体材料的晶格振动、电子相互作用等微观物理性能，从而影响发射谱线的分布和激光的输出，导致输出激光的波长将和温度相关。该方法所测的是激光，将大幅度提高信号强度，与F-P传感器产生的干涉信号和荧光信号相比会大大增加系统信噪比，提高测量精度；其次，得到的波长信号是绝对测量，测量结果受光强波动或者黑体辐射噪声的影响小，保证高温区域的测量精度；最后，温度探头将完全由耐高温的晶体材料组成，避免高温对探头结构稳定性的影响，长期可靠性好。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的系统结构示意图；图中：1-驱动控制模块、2-泵浦光源、3-半透半反镜、4-蓝宝石光纤、5-蓝宝石掺杂晶体、6-光谱提取模块、7-数据处理模块、8-高温环境。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，包括相互连接的驱动控制模块1、泵浦光源2、半透半反镜3、蓝宝石光纤4、蓝宝石掺杂晶体5、光谱提取模块6和数据处理模块7，蓝宝石掺杂晶体5设置在待检测的高温环境8中；其中：驱动控制模块1控制泵浦光源2发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜3的透射面后进入蓝宝石光纤4中，通过蓝宝石光纤4将泵浦光发送到位于高温环境8中的蓝宝石掺杂晶体5内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体5内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤4返回半透半反镜3，通过半透半反镜3的反射面反射后进入光谱提取模块6，光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，包括相互连接的驱动控制模块(1)、泵浦光源(2)、半透半反镜(3)、蓝宝石光纤(4)、蓝宝石掺杂晶体(5)、光谱提取模块(6)和数据处理模块(7)，蓝宝石掺杂晶体(5)设置在待检测的高温环境(8)中；其中：驱动控制模块(1)控制泵浦光源(2)发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜(3)的透射面后进入蓝宝石光纤(4)中，通过蓝宝石光纤(4)将泵浦光发送到位于高温环境(8)中的蓝宝石掺杂晶体(5)内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体(5)内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤(4)返回半透半反镜(3)，通过半透半反镜(3)的反射面反射后进入光谱提取模块(6)，光谱提取模块(6)获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块(7)，数据处理模块(7)根据光谱信息计算得到高温环境(8)的温度。

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，包括相互连接的驱动控制模块(1)、泵浦光源(2)、半透半反镜(3)、蓝宝石光纤(4)、蓝宝石掺杂晶体(5)、光谱提取模块(6)和数据处理模块(7)，蓝宝石掺杂晶体(5)设置在待检测的高温环境(8)中；其中：驱动控制模块(1)控制泵浦光源(2)发出泵浦光，泵浦光穿过半透半反镜(3)的透射面后进入蓝宝石光纤(4)中，通过蓝宝石光纤(4)将泵浦光发送到位于高温环境(8)中的蓝宝石掺杂晶体(5)内，泵浦光激发蓝宝石掺杂晶体(5)内的掺杂离子产生激发光，激发光发生多次振荡产生激光，激光通过蓝宝石光纤(4)返回半透半反镜(3)，通过半透半反镜(3)的反射面反射后进入光谱提取模块(6)，光谱提取模块(6)获取激光中的光谱信息并将其发送给数据处理模块(7)，数据处理模块(7)根据光谱信息计算得到高温环境(8)的温度。2.根据权利要求1所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，泵浦光源(2)为半导体激光器或固体激光器，半导体激光器的发射泵浦光波长为635nm，固体激光器的发射泵浦光波长为355nm。3.根据权利要求1所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，蓝宝石掺杂晶体(5)的掺杂材料为过渡金属元素或稀土元素，过渡金属元素为铬，稀土元素为镝或铥。4.根据权利要求1所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，蓝宝石光纤(4)固定在陶瓷插芯中，陶瓷插芯外层套装有陶瓷套筒，蓝宝石光纤(4)的一端通过高温胶与蓝宝石掺杂晶体(5)固定。5.根据权利要求4所述的蓝宝石掺杂晶体激光高温传感系统，其特征在于，蓝宝石掺杂晶体(5)包括设置在陶瓷套筒底部的蓝宝石掺镝和铥晶片。6.一种蓝宝石掺杂晶体激光高温传感方法，其特征在于,包括以下步骤：S1、将蓝宝石掺杂晶体放置在待检测的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：范典，吴志勇，陈矫，梁伟龙，周次明，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42