一种红外激光路径上转换为可见光的显示方法技术

一种红外激光路径上转换为可见光的显示方法，属于激光加工领域。目前激光加工中的红外光路显示及焦点调节方法主要有斜板法及垂直升降法。本发明专利技术采用合适的生长工艺生长出稀土离子掺杂的上转换晶体（６），经退火、定向、切割、表面进行光学抛光后，将之置于工作平台（４）上，使波长在０．８μｍ－１．０６μｍ范围内的一种红外激光束（２）进入上转换发光晶体（６）后转换为蓝色光束（７），蓝色光束（７）束腰的最窄处即为焦点的位置。本发明专利技术克服了斜板法及垂直升降法的缺点，提供了一种直观、高效、可靠、经济的方法解决红外光路显示及焦点测量的问题。还可以应用于激光医学和其它需要精确观测激光光束路径和精确确定激光焦点的场合。

【技术实现步骤摘要】

，属于激光加工领域，是激光加工中的一种红外光路径显示及焦点调节的实用方法。
技术介绍
激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点，使其应用已迅速遍及社会的诸多领域。激光加工作为激光的一个重要应用方向，在其它高新技术发展的有力支撑及社会迅速发展强烈要求的推动下，发展势头迅猛，已在汽车制造、航天航空、电子、化工、包装和医疗设备等行业得到广泛的应用。用于激光加工的激光器的发射波长大都在红外区，如固体激光器的发射波长在1.06μm附近，肉眼不可见。因此在激光加工中随之而来的问题是激光光路的显示及光束焦点的调节问题。目前主要有两种方法来解决1.斜板法测量过程如图1所示，在加工平面上放置一块精细加工过的斜板，打开激光器，使光束自斜板一端扫向另一端。在此过程中，激光束在斜板上留下的切痕会呈现先宽后逐渐变窄，再逐渐变宽的现象，其中宽度最小处对应高度的点就是焦点。优点由于光束连续，测定的焦点精确度很高，且表征直观。缺点由于斜板要求加工精度较高，要求达到相应的尺寸精度，且为非标准件。一次使用完后便作废，不可重复利用，成本较高。2.垂直升降烧痕法测量过程如图2所示，将激光头升至最高位置，此时将试验用薄金属板放置于加工平面上。激光器发射一束激光后关闭，记录激光头高度后更换金属薄板。将激光头下降一微小高度，重复刚才过程，激光束在每块金属板上留下相应的烧痕，烧痕直径最小者相对应高度的点即为激光束的焦点位置。优点金属板成本较低。缺点须频繁更换金属薄板，操作起来比较麻烦。且由于激光束并非连续光束，因此测量精确度较差。所以寻找一种能够克服以上两种测量方法的缺点而又结合其各自优势的新方法是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
采用上转换发光材料显示是一种将红外激光转换成为蓝绿波段可见光的有效方法。其机理是激活离子吸收多个光子，然后以高能量光子形式将吸收能量释放出来，从而将长波辐射转换成为短波辐射。这种激活离子通常为稀土离子中的Ho3+，Er3+，Tm3+，因为它们能级丰富，便于实现上转换发光。臧竞存等研究了Tm3+:ZnWO4的光谱特征，发现其在808nm和970nm激光激发时在486nm的上转换发光(臧竞存，刘玉龙，徐东勇，巩锋，单秉锐，Tm3+在钨酸锌单晶中的光谱特征，光谱学与光谱分析，2004，24(2)129-131)，但是并没有进行1.06μm激光激发的实验。本专利技术的主要目的是利用晶体中稀土离子的上转换，将红外光转换成可见光，提供一种克服以上两种测量方法的缺点，用直观、高效、可靠、经济的方法解决红外激光光束路径显示及焦点测量。，其特征在于，包括以下步骤1)将稀土离子掺杂的上转换发光晶体6置于工作平台4上，调整激光头1和工作平台4，使稀土离子掺杂的上转换发光晶体6的中心和激光头1的中心处于同一垂直线上；2)开启激光器，选定波长在0.8-1.06μm的一种红外光，激光束2进入稀土离子掺杂的上转换发光晶体6后转换为蓝色光束7；3)上下移动工作平台4，当稀土离子掺杂的上转换发光晶体6内的蓝色光束7束腰明显出现由宽逐渐变窄，再逐渐变宽时，停止移动工作平台4，蓝色光束7束腰的最窄处即为激光束的焦点。所述的上转换发光晶体6的基质材料为ZnWO4，BaWO4或YAG单晶，掺杂的稀土离子为Nd3+，Sm3+，Ho3+，Er3+和Tm3+中的一种或两种。所述的上转换发光晶体6中还掺有敏化离子Yb3+。所述的上转换发光晶体6中Tm3+离子的掺杂浓度为0.1-2.0mol％。所述的上转换发光晶体6是采用提拉法生长的。所述的上转换发光晶体6是在大气气氛下生长的。本专利技术的有益效果为1.使用的上转换晶体为稀土离子掺杂的单晶材料，稀土离子为Nd3+，Sm3+，Ho3+，Er3+，Tm3+，Yb3+，及其以上离子的双掺或三掺，记为Re3+，基质材料为ZnWO4，BaWO4，YAG单晶。它可以在高功率密度红外激光照射时，清晰显示出光束路径，成为激光使用和激光加工中定位调焦的简便的方法。与玻璃或透明陶瓷介质不同，上转换晶体发光效率高，显示光路清晰，定位精确、直观、方便，抗激光损伤阈值高，是一种可重复使用的光学测量显示元件。2.使用的上转换晶体为无色透明单晶。当波长1.06μm的肉眼不可见红外强激光照射晶体时，可以看到晶体内部显示出激光光束路径的蓝色光束，这是铥离子受激吸收双光子产生的上转换荧光，波长为486nm。移动晶体和激光头之间的距离，晶体中某一确定位置束腰直径也随之变化，蓝色光束束腰中最细的部位就是激光光束的焦点，用直尺测量焦点至激光头的距离就可以确定焦点的位置。调整激光头与工件之间距离，使焦点处于工件所要加工部位，就可以获得最佳加工效果。因为激光加工是依赖焦点处能量的汇聚，产生高的能量密度才可以熔化金属，达到切割和加工的目的。只有把焦点调整在加工物件的准确位置才能保证加工的精度。晶体有抗强光损伤能力，在一定的光通量密度下，晶体不被破坏，可以多次使用。3.该方法还可以拍照存档，明显优于现有的斜板法和烧痕法。本专利技术的激光路径显示方法是为适应激光工业加工而研究的，但是，它还可以应用于激光医学和其它需要精确确定激光光束路径和激光焦点的情况，这也是斜板法和烧痕法无法实现的。用具有上转换发光特性的单晶材料来显示不可见激光光束路径和确定光束焦点的方法未见报道。附图说明图1是斜板法测定焦点的示意图；图2是垂直烧痕法测定焦点的示意图；图3是本专利技术测定焦点的示意图。图4是晶体中显示的激光光路示意图附图标记1.激光头，2.激光束，3.试验用斜板，4.工作平台，5.试验用薄板，6.ZnWO4:Tm3+单晶，7.蓝色光束。具体实施例方式1.Tm3+:ZnWO4晶体的制备采用提拉法大气气氛下在硅碳棒加热的电阻炉中生长Tm3+:ZnWO4晶体。首先将ZnO、WO3和Tm2O3粉末按1∶1摩尔配比称料，本专利技术中Tm3+离子掺杂浓度为0.1mol％至2.0mol％。将原料混合均匀，放入铂坩埚，原料纯度均为4N。将坩埚放入电阻炉中，升温至1205℃，待料全部熔融后下籽晶，经过收颈、扩肩、等径、收尾等过程生长出Tm3+:ZnWO4晶体。工艺条件为轴向温度梯度ΔG≥30℃/cm，晶体转速15～40r.p.m.，提拉速度≤4mm/h。2.晶体的后继处理将晶体放入退火炉中，加热到1100℃，保温3h，然后随炉降至室温。用X射线定向仪进行晶体定向，切割成c×a×b＝25×15×10mm的长方体。对晶体的表面进行光学抛光。3.晶体的具体应用主要包括以下步骤1)将稀土离子掺杂的上转换发光晶体6置于工作平台4上，调整激光头1和工作平台4，使稀土离子掺杂的上转换发光晶体6的中心和激光头1的中心处于同一垂直线上；2)开启激光器，选定波长为1.06μm的红外光，激光束2进入稀土离子掺杂的上转换发光晶体6后转换为明显的蓝色光束7；3)上下移动工作平台4，晶体中的蓝色光束7会发生变化，当稀土离子掺杂的上转换发光晶体6内的蓝色光束7束腰明显出现由宽逐渐变窄，再逐渐变宽时，停止移动工作平台4，蓝色光束7束腰的最窄处即为激光束的焦点。权利要求1.，其特征在于，包括以下步骤1)将稀土离子掺杂的上转换发光晶体(6)置于工作平台(4)上，调整激光头(1)和工作平台(4)，使稀土离子掺杂的上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外激光路径上转换为可见光的显示方法，其特征在于，包括以下步骤：１）将稀土离子掺杂的上转换发光晶体（６）置于工作平台（４）上，调整激光头（１）和工作平台（４），使稀土离子掺杂的上转换发光晶体（６）的中心和激光头（１）的中心处于同 一垂直线上；２）开启激光器，选定波长在０．８－１．０６μｍ的红外光，激光束（２）进入稀土离子掺杂的上转换发光晶体（６）后转换为蓝色光束（７）；３）上下移动工作平台（４），当稀土离子掺杂的上转换发光晶体（６）内的蓝色光束（７） 束腰明显出现由宽逐渐变窄，再逐渐变宽时，停止移动工作平台（４），蓝色光束（７）束腰的最窄处即为激光束的焦点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：臧竞存，谢丽艳，聂京凯，肖伟民，徐东勇，陈继民，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]